Wärmepumpe im EWärmeG

Wär­me­pum­pen nut­zen Umwelt­wär­me aus der Luft oder dem Erd­reich, oder auch Ab­wärme aus in­dustriel­len Pro­zes­sen. Das Erneu­er­ba­re-Wär­me-Gesetz erkennt die Nut­zung als Erneuer­bare Ener­gi­en an, wenn bei elek­trisch ange­trie­be­nen Wärme­pumpen eine Kilo­watt­stun­de (kWh) Strom min­des­tens 3,5 kWh Wär­me erzeugt – also eine Jah­res­ar­beits­zahl (JAZ) von min­des­tens 3,50 erreicht wird. Mit Brenn­stoff betrie­be­ne Wär­me­pum­pen müs­sen eine Jah­res­heiz­zahl (JHZ)von min­destens 1,20 errei­chen. Die genan­nten Wer­te sind das Mini­mum an not­wendiger Effi­zi­enz.

Kombination mit anderen Erfüllungsoptionen

Weist die Wär­me­pum­pe die gefor­der­te JAZ oder JHZ auf und deckt den kom­plet­ten Wärme­energie­bedarf ab, wird das EWär­meG voll­stän­dig erfüllt. Eine wei­te­re Erfüllungs­option ist dann nicht mehr nötig. Wird der gesam­te Wär­me­en­er­gie­be­darf nicht kom­plett durch die Wärme­pumpe gedeckt, so ist unter Berück­sich­ti­gung der Effi­zi­enz der Wär­me­pum­pe (JAZ/JHZ) eine Kom­bi­na­ti­on mit ande­ren Optio­nen mög­lich. Hier­bei bie­tet sich Solar­ther­mie als Heizungs­unterstützung an. Es könn­te auch eine wei­te­re Wär­me­quel­le, wie eine Gas-, Öl- oder Pel­let­hei­zung, sinn­voll sein.

Gän­gi­ge Kom­bi­na­tio­nen: Solar­ther­mieGas­hei­zung mit Bio­gasHolz­hei­zung

Stand der Technik – Funktion einer Wärmepumpe

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.

Sole-Wärmepumpe

Sole-Wär­me­pum­pe – CC BY-SA 3.0 Bin Im Gar­ten, via Wiki­me­dia Com­mons­Je 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.

Hin­weis: Die durch­schnitt­lichen Prei­se einer Wär­me­pum­pe lie­gen je nach einge­setzten Sys­te­men zwi­schen 7.000 € und 20.000 €. Zu beach­ten sind neben Förder­geldern aber auch noch die Montage­kosten. Ange­bot für Wär­me­pum­pe kos­ten­los ein­ho­len …

Die Energiequellen der Wärmepumpe

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.

Installation eines horizontalen Erdwärme-Flächenkollektors

Flä­chen­kol­lek­tor – CC BY-SA 3.0 PBae­um­chen, via Wiki­me­dia Com­mons­Für 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.

Jahresarbeitszahl und Jahresheizzahl einer Wärmepumpe

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 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.

\[Jah­res­ar­beits­zahl = \frac{abgegebene \: Wärme}{zugeführte \: elek­tri­sche \:Ener­gie} = \frac{Qab}{Qzu}\]

Anteilige Gesetzeserfüllung durch eine Wärmepumpe

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 20.6:

\[\frac{produzierte \: Wär­me­men­ge \: [kWh]}{gesamter \: Wär­me­en­er­gie­be­darf \: [kWh]}\times\:\frac{Jaz\:-\:3,0}{Jaz}\times100\:\%=Anteil \: Erneu­er­ba­re \: Ener­gi­en\:[\%]\]

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

\[\frac{produzierte \: Wär­me­men­ge \: [kWh]}{gesamter \: Wär­me­en­er­gie­be­darf \: [kWh]}\times\:\frac{Jaz\:-\:1,0}{Jaz}\times100\:\%=Anteil \: Erneu­er­ba­re \: Ener­gi­en\:[\%]\]

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

\[ \frac{Anteil \: Erneu­er­ba­re \: Energien\:[\%]}{15 \: \: \% \:}\times100\:\%=Erfüllungsgrad\:[\%]\]

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