Wärmepumpe im EWärmeG

Wie bereits oben beschrie­ben nutzt eine Wär­me­pum­pe Umwelt­wär­me aus der Luft, dem Erd­reich oder dem Was­ser. Über einen soge­nann­ten Ver­damp­fer wird die Umwelt­ener­gie an das im Ver­damp­fer ent­hal­te­ne Käl­te­mit­tel über­tra­gen. Das Käl­te­mit­tel hat die Eigen­schaft schon bei sehr gerin­gen Tem­pe­ra­tu­ren zu ver­damp­fen. Die Ver­damp­fungs­en­er­gie des Käl­te­mit­tels wird dabei der Umwelt ent­zo­gen. In einem zwei­ten Schritt wird der Druck des dampf­för­mi­gen Käl­te­mit­tels in einem Ver­dich­ter erhöht. Die Druck­erhö­hung bewirkt einen Tem­pe­ra­tur­an­stieg des Käl­te­mit­tels. Zum Antrieb des Ver­dich­ters wird Strom benö­tigt. Vom Ver­dich­ter gelangt das nun hei­ße Käl­te­mit­tel zu einem Ver­flüs­si­ger. Im Ver­flüs­si­ger wird die Ener­gie des Käl­te­mit­tels an das Heiz­sys­tem des Gebäu­des über­tra­gen. Hier­bei sinkt die Tem­pe­ra­tur des Käl­te­mit­tels und es beginnt wie­der flüs­sig zu wer­den. Das Expan­si­ons­ven­til, auch Ent­span­ner-Ven­til genannt, ver­rin­gert den Druck des Käl­te­mit­tels wobei es wie­der voll­kom­men flüs­sig wird. Das Käl­te­mit­tel ist nun wie­der im Ausgangszustand.

Je nach Aus­le­gung der Wär­me­pum­pe, der ört­li­chen Beschaf­fen­heit und den Rah­men­bin­dun­gen kann eine Wär­me­pum­pe auf ver­schie­de­ne Wei­se betrie­ben wer­den. In der mon­o­va­len­ten Betriebs­wei­se arbei­tet die Wär­me­pum­pe als ein­zi­ges Heiz­sys­tem. Bei der biva­len­ten Betriebs­wei­sewird die Wär­me­pum­pe mit ande­ren Heiz­sys­te­men kom­bi­niert. Um den benö­tig­ten Wär­me­be­darf bei sehr nied­ri­gen Außen­tem­pe­ra­tu­ren zu decken, bie­tet sich vor allem bei Luft-Wär­me­pum­pen die Kom­bi­na­ti­on mit einer zwei­ten Wär­me­quel­le an. Beson­ders bei nied­ri­gen Außen­tem­pe­ra­tu­ren wird eine Luft-Wär­me­pum­pe durch hohen Strom­be­darf schnell unwirt­schaft­lich. Um die­se Last­spit­zen abzu­de­cken, emp­fiehlt sich die Kom­bi­na­ti­on mit bspw. einem effi­zi­en­ten Gas-Brenn­wert­ge­rät. Die­se Betriebs­form bie­tet sich bei der Sanie­rung von Alt­bau­ten an, wobei die bestehen­de Hei­zung dann ergän­zend genutzt wird. Eine drit­te Betriebs­art ist der mono­en­er­ge­ti­sche Betrieb. Hier­bei deckt die Wär­me­pum­pe den Groß­teil der benö­tig­ten Wär­me­leis­tung. Bei sehr nied­ri­gen Außen­tem­pe­ra­tu­ren unter­stützt eine elek­tri­sche Wider­stands­hei­zung (Heiz­stab) die Wär­me­pum­pe und min­dert so einen unwirt­schaft­li­chen Betrieb die­ser. Eine sol­che Betriebs­wei­se ist bei der Wär­me­quel­le Luft beson­ders effektiv.

Um noch höhe­re Ein­spar­po­ten­zia­le in der Wär­me­ver­sor­gung zu gene­rie­ren, bie­tet sich die Kom­bi­na­ti­on einer Wär­me­pum­pe mit einer Solar­ther­mie-Anla­ge an. Die­se kann dann als direk­te Unter­stüt­zung für die Wär­me­pum­pe die­nen, indem die Wär­me aus dem Kol­lek­tor direkt dem Hei­zungs­sys­tem zuge­führt wird. In der Regel wird hier­bei ein zusätz­li­cher Solar­spei­cher instal­liert. Eine ande­re Mög­lich­keit besteht in der indi­rek­ten Unter­stüt­zung. In Zei­ten hoher sola­rer Ein­strah­lung und einem gefüll­ten Solar­spei­cher, kann die nicht genutz­te Wär­me der Solar­kol­lek­to­ren z.B. dem Erd­reich zuge­führt wer­den, in dem ein Erd­kol­lek­tor ver­legt ist. Die Son­nen­en­er­gie ver­hin­dert so ein Aus­küh­len des Erd­rei­ches rund um den Erd­kol­lek­tor und führt so zu einer Effi­zi­enz­stei­ge­rung der Wärmepumpe.

Wie funktionieren Gaswärmepumpen?

Gas­wär­me­pum­pen arbei­ten vom Prin­zip her genau wie her­kömm­li­che Wär­me­pum­pen. Der Unter­schied besteht in der Antriebs­en­er­gie. Gas­wär­me­pum­pen wer­den mit Erd­gas (Pri­mär­ener­gie) ange­trie­ben; im Gegen­satz zu den her­kömm­li­chen Wär­me­pum­pen, die mit Strom (Sekun­där­ener­gie) betrie­ben wer­den. Bei den Gas­wär­me­pum­pen wird zwi­schen drei Funk­ti­ons­prin­zi­pi­en unter­schie­den. Die­se Funk­ti­ons­prin­zi­pi­en sind die Gas­mo­tor­wär­me­pum­pe, die Absorp­ti­ons­wär­me­pum­pe und die Zeo­lith Wärmepumpe.

Bei der Zeo­lith Wär­me­pum­pe wird das kera­mik­ar­ti­ge Mine­ral Zeo­lith ein­ge­setzt, um mit einem zyklisch lau­fen­den Pro­zess Wär­me zu erzeu­gen. In dem Pro­zess­ab­lauf wird zum einen Umwelt­wär­me bspw. aus dem Erd­reich oder einem Solar­kol­lek­tor und zum ande­ren Erd­gas zur Erzeu­gung der Heiz­wär­me ein­ge­setzt. Das ver­wen­de­te Zeo­lith weist kei­ne Ermü­dungs­er­schei­nun­gen auf und kann War­tungs­frei betrie­ben wer­den. Ein­satz­ge­bie­te sind neue Ein­fa­mi­li­en­häu­ser und sanier­te Alt­bau­ten mit gerin­gen Vor­lauf­tem­pe­ra­tu­ren. Bei der Absorp­ti­ons­wär­me­pum­pe wird der Ver­dich­ter ther­misch mit­hil­fe eines Ammo­ni­ak-Was­ser-Gemi­sches und Erd­gas als Brenn­stoff betrie­ben. Das Ein­satz­ge­biet liegt in der Wär­me­ver­sor­gung von Ein- und Mehr­fa­mi­li­en­häu­sern und kann auf­grund der hohen Vor­lauf­tem­pe­ra­tu­ren von bis zu 70 °C auch für die Trink­was­se­r­er­wär­mung und für Bestands­häu­ser ein­ge­setzt wer­den. Wie auch her­kömm­li­che Wär­me­pum­pen kann die Umwelt­wär­me aus der Luft, dem Was­ser oder dem Erd­reich genutzt wer­den. Gas­mo­tor­wär­me­pum­pen kön­nen in Ein- und Mehr­fa­mi­li­en­häu­sern, aber auch in Gewer­be­un­ter­neh­men ein­ge­setzt wer­den. Wie auch die elek­trisch ange­trie­be­ne Wär­me­pum­pe arbei­tet die Gas­mo­tor­wär­me­pum­pe mit einem mecha­ni­schen Ver­dich­ter. Die­ser wird nicht mit Strom, son­dern durch einen Gas­mo­tor ange­trie­ben. Die Pum­pe lie­fert etwa ein Vier­tel der Heiz­ener­gie aus der Umwelt­wär­me. Gegen­über moder­nen Gas­brenn­wert­hei­zun­gen ist der Gas­ver­brauch um bis zu 30 % gerin­ger. Des Wei­te­ren kann sie auch zum Küh­len eines Gebäu­des ein­ge­setzt werden.

Je nach Beschaf­fen­heit der Umge­bung und den ört­li­chen Bedin­gun­gen kann die Umwelt­ener­gie aus drei ver­schie­de­nen Quel­len gewon­nen wer­den. Die ther­mi­sche Ener­gie kann aus der Luft, dem Erd­reich oder dem Grund­was­ser ent­zo­gen werden.

Für die Nut­zung der Umwelt­wär­me Luft gibt es zwei Arten von Wär­me­pum­pen. Die Luft-Was­ser-Wär­me­pum­pe arbei­tet mit dem klas­si­schen Wär­me­pum­pen­prin­zip. Mit­hil­fe eines Ven­ti­la­tors wird die Umge­bungs­luft ange­saugt und an einem Ver­damp­fer vor­bei geführt. Im Ver­damp­fer wird das Käl­te­mit­tel in einen dampf­för­mi­gen Zustand ver­setzt und ent­zieht so der vor­bei­strö­men­den Luft die Ener­gie. Die Luft-Luft-Wär­me­pum­pe besitzt kei­nen Käl­te­mit­tel­kreis. Die ange­saugt Außen­luft wird durch einen Wär­me­tau­scher gelei­tet. Die „ver­brauch­te“ Raum­luft wird eben­falls durch den Wär­me­tau­scher geführt und gibt dabei ihre Wär­me an die Außen­luft ab, die dann dem Raum zuge­führt wird. Von allen drei Wär­me­quel­len kann die Luft am ein­fachs­ten als Ener­gie­quel­le ver­wen­det wer­den und ist somit auch die güns­tigs­te Vari­an­te in der Anschaf­fung. Ein beson­de­rer Nach­teil von Luft-Wär­me­pum­pen ist der Zeit­punkt des höchs­ten Wär­me­be­darfs. Bei sehr nied­ri­gen Außen­tem­pe­ra­tu­ren ist auch der Wär­me­be­darf am höchs­ten. Je nied­ri­ger die Außen­luft­tem­pe­ra­tu­ren sind, des­to auf­wen­di­ger wird es, der Luft noch Wär­me zu ent­zie­hen und die Anla­ge kann auf Dau­er nicht wirt­schaft­lich betrie­ben werden.

Für die Nut­zung der Erd­wär­me in einer Sole-Was­ser-Wär­me­pum­pe wer­den ver­ti­ka­le Erd­wär­me­son­den oder hori­zon­ta­le Erd­wär­me­kol­lek­to­ren ein­ge­setzt. Bei­de Prin­zi­pi­en arbei­ten mit einem geschlos­se­nen Sys­tem. Bei der ver­ti­ka­len Erd­wär­me­son­de wird ein U‑förmiges Kunst­stoff­rohr durch ein zuvor geschaf­fe­nes Bohr­loch in den Unter­grund ein­ge­führt. Die Son­den­län­ge unter­schei­det sich je nach Boden­be­schaf­fen­heit und liegt in der Regel bei 40 bis 100 m. Durch das ver­leg­te Kunst­stoff­rohr zir­ku­liert eine Sole, wel­che auf­grund der kon­stan­ten Tem­pe­ra­tur ab etwa 15 m Tie­fe über das gan­ze Jahr auf min­des­tens 10 °C erwärmt wird. Die erwärm­te Sole wird an einem Ver­damp­fer vor­bei geführt und gibt dabei die Wär­me an das Käl­te­mit­tel ab. Der hori­zon­ta­le Erd­wär­me­kol­lek­tor arbei­tet ähn­lich wie die Erd­wär­me­son­de. Die­ser wird aller­dings nicht in ein Bohr­loch geführt, son­dern wird in einer Tie­fe von etwa 1,5 m auf dem Grund­stück hori­zon­tal ver­legt. Die erfor­der­li­che Grö­ße des Erd­kol­lek­tors liegt etwa beim 1,5‑fachen der zu behei­zen­den Flä­chen und ist stark abhän­gig von der Regen­was­ser­durch­läs­sig­keit des Bodens. Der Vor­teil der ver­ti­ka­len Erd­wär­me­son­de gegen­über dem Erd­wär­me­kol­lek­tor ist der gerin­ge Platz­be­darf für die Boh­rung. Ein Nach­teil sind die hohen Kos­ten für die Erstel­lung der Boh­rung, wel­che zwi­schen 30 € und 70 € je Meter Boh­rung liegen.

Die Was­ser-Was­ser-Wär­me­pum­pe ent­zieht dem Grund­was­ser die Wär­me, wel­che über das gesam­te Jahr eine kon­stan­te Tem­pe­ra­tur von etwa 10–12 °C hat. Mit­hil­fe von einem soge­nann­ten Saug­brun­nen wird dem Erd­reich das war­me Grund­was­ser ent­nom­men. Über einen Schluck­brun­nen wird dann das genutz­te kal­te Was­ser in den Boden zurück­ge­führt. Wie bei allen ande­ren Wär­me­pum­pen­ar­ten wird das war­me Medi­um zu dem Ver­damp­fer geführt, indem das Käl­te­mit­tel durch Wär­me­auf­nah­me in einen gas­för­mi­gen Zustand umge­wan­delt wird.

Die Jah­res­ar­beits­zahl (JAZ) und die Jah­res­heiz­zahl (JHZ) bemes­sen das Ver­hält­nis von ein­ge­setz­ter und gewon­ne­ner Ener­gie, also den Ein­satz von Strom oder Öl/​Gas zum Betrei­ben der Wär­me­pum­pe im Ver­hält­nis zur gewon­ne­nen Heiz­ener­gie. Auch eine Ergän­zungs­hei­zung wie bspw. eine elek­tri­sche Heiz­spi­ra­le im Puf­fer­spei­cher muss in die Berech­nung der Wer­te ein­be­zo­gen wer­den. Eine JAZ von 3,50 bedeu­tet, dass die Wär­me­pum­pe pro ein­ge­setz­ter Kilo­watt­stun­de Strom 3,5 kWh Wär­me produziert.

Hohe JAZ oder JHZ sind meist nur mit Fuß­bo­den- oder Wand­hei­zun­gen erreich­bar, die mit sehr nied­ri­gen Vor­lauf­tem­pe­ra­tu­ren aus­kom­men. Je gerin­ger der Tem­pe­ra­tur­un­ter­schied zwi­schen der Wär­me­quel­le, z. B. Luft- oder Erd­wär­me, und dem Wär­me­ver­brau­cher, des­to effi­zi­en­ter ist die Wär­me­pum­pe. Die JAZ/​JHZ ist gemäß § 5.2 Satz 3 EWär­meG nach der Vor­schrift VDI 4650 zu berech­nen. Im Ver­gleich dazu ist der Coef­fi­ci­ent of Per­for­mance (COP) ein Prüf­stand­wert, der unter defi­nier­ten und kon­stan­ten Ide­al­be­din­gun­gen gemes­sen wird. Es ist emp­feh­lens­wert einen sepa­ra­ten Strom­zäh­ler für die Wär­me­pum­pe und einen Wär­me­men­gen­zäh­ler zu instal­lie­ren, um die tat­säch­li­che JAZ über­prü­fen zu können.

Wenn nicht der gesam­te Wär­me­en­er­gie­be­darf durch die Wär­me­pum­pe gedeckt wird, ist auch eine antei­li­ge Anrech­nung durch die fol­gen­den For­meln möglich:

Elek­tri­sche Wär­me­pum­pen nach § 11.3 in Ver­bin­dung mit §§ 3 Nr. 4 und 20.6 EWärmeG

Anteil Erneu­er­ba­re Ener­gien [%] = pro­du­zier­te Wär­me­men­ge [kWh] /​ gesam­ter Wär­me­en­er­gie­be­darf [kWh] × (JAZ – 3,0) /​ JAZ × 100 %

Brenn­stoff betrie­be­ne Wär­me­pum­pen nach § 11.3 in Ver­bin­dung mit §§ 3 Nr. 4 20.6 EWärmeG

Anteil Erneu­er­ba­re Ener­gien [%] = pro­du­zier­te Wär­me­men­ge [kWh] /​ gesam­ter Wär­me­en­er­gie­be­darf [kWh] × (JAZ – 1,0) /​ JAZ × 100 %

Ist der Wert grö­ßer oder gleich 15 %, sind die Vor­schrif­ten voll­stän­dig erfüllt. Ansons­ten ist die antei­li­ge Erfül­lung fol­gen­der­ma­ßen zu berechnen:

Erfül­lungs­grad [%] = Anteil Erneu­er­ba­re Ener­gien [%] /​ 15 % × 100 %