Umweltwärme nutzen

Wärmepumpe - Ein Heizsystem mit Zukunft

Wärmepumpen schonen das Klima, denn sie beziehen rund drei Viertel der Energie zum Heizen aus der Umwelt. Die gängigsten Wärmequellen sind Luft, Erdreich und Grundwasser. Um die kostenlose Umweltwärme nutzbar zu machen, benötigen Wärmepumpen lediglich einen Anteil Strom für Antrieb und Pumpe – im Idealfall aus erneuerbaren Energien. Wärmepumpen sind einsetzbar in Wohnhäusern sowie in Gebäuden von Kommunen und Unternehmen.

Die Wärmepumpe funktioniert wie ein Kühlschrank: Der Kühlschrank entzieht seinem Inneren die Wärme und gibt sie nach außen ab, die Wärmepumpe hingegen entzieht der Umgebung (Erdreich, Wasser oder Luft) die Wärme und gibt sie nach innen ab. So wird Heizwärme und warmes Trinkwasser für das Gebäude erzeugt. Die Wärmepumpe ist dabei sehr effizient: Sie kann mit einem Teil Strom drei bis fünf Teile Wärme erzeugen. Und im Sommer kühlt sie mit dieser Technik – in umgekehrter Wirkung – die Räume ebenso umweltfreundlich.

Technik, Effizienz und Voraussetzungen

  • Technischer Ablauf: Wärmen und Kühlen

    Umweltwärme gewinnen
    In der Wärmequellenanlage zirkuliert eine Flüssigkeit (Wasser mit Frostschutzmittel, so genannte Sole), welche die Umweltwärme aus dem Boden oder dem Grundwasser aufnimmt und sie zur Wärmepumpe transportiert. Auch eine Luft-Wasser-Wärmepumpe funktioniert nach diesem Prinzip. Hier saugt ein Ventilator die Außenluft an und gibt sie an die Wärmepumpe ab.

    Wärme nutzbar machen
    In der Wärmepumpe befindet sich ein Kreislauf mit zwei Wärmetauschern (Verdampfer und Verflüssiger), in dem ein Kältemittel zirkuliert. Im Verdampfer wird die Umweltwärme von der Wärmequellenanlage auf das Kältemittel übertragen. Dadurch verdampft das Kältemittel bei geringer Temperatur (z. B. 5 °C) und bei geringem Druck. Der Kältemitteldampf wird nun zu einem Verdichter (auch Kompressor genannt) weitergeleitet.

    Durch die Verdichtung des gasförmigen Kältemittels erhitzt sich dieses und wird zum zweiten Wärmetauscher, dem so genannten Verflüssiger oder Kondensator geleitet. Hier wird das nun unter hohem Druck stehende, heiße Kältemittelgas kondensiert. Bei der Kondensation gibt es die im Verdichter und in der Wärmequellenanlage aufgenommene Wärme wieder ab und stellt sie einem Heizsystem zur Verfügung. Das Kältemittel wird wieder flüssig und erfährt im nächsten Schritt eine Druckabsenkung. Jetzt gelangt es wieder zum Verdampfer und der Kreislauf beginnt von Neuem.

    Heizwärme und Warmwasser bereitstellen
    Im zu beheizenden Gebäude befindet sich nun das Wärmeverteil- und Wärmespeichersystem. Darin zirkuliert als Wärmeträger in der Regel Wasser. Dieses Wasser nimmt die Wärme, die das Kältemittel im Verflüssiger abgibt, auf und leitet dieses entweder über ein Verteilersystem zu den einzelnen Heizflächen des Gebäudes, oder die Wärme wird zunächst in einem Heizungspufferspeicher zwischengespeichert. Aus diesem Pufferspeicher kann ein Trinkwarmwasserspeicher oder eine Frischwasserstation mit Wärme versorgt werden.

    Kühlen
    Wird eine Wärmepumpe auch zur Kühlung genutzt, unterscheidet man zwei Formen der Kühlung: die aktive Kühlung, bei welcher der Verdichter der Wärmepumpe in Betrieb ist und die passive Kühlung, bei der überschüssige Wärme aus dem Gebäude in den kühleren Untergrund abgeführt wird. Letzteres ist nur bei erd- und grundwassergekoppelten Systemen möglich.

    Im Falle der aktiven Kühlung wird die Wärme nicht der Umgebung, sondern dem zu kühlenden Gebäude entzogen. Die erzeugte Wärme kann dann an die Umgebung abgegeben oder anderweitig genutzt werden. Daher ist es erforderlich, dass in der Wärmepumpe eine Umschaltung stattfindet: Der Verdampfer wird mit dem Kühlkreislauf im Gebäude bzw. über die vorhandenen Heizflächen und der Kondensator mit der Umgebung gekoppelt. Die aktive Kühlung erfordert den Betrieb des Verdichters, d. h. der Stromverbrauch ist ähnlich hoch wie im Heizbetrieb.

    Die passive Kühlung erfolgt über die vorhandenen Heizflächen im Gebäude: Die überschüssige Raumwärme wird über diese aufgenommen und über den Umgebungswärmetauscher an das Erdreich oder Grundwasser abgeführt. Die Kühlleistung eines passiven Systems ist begrenzt, da zum einen die Temperaturen der Heizflächen nur wenige Grad abgesenkt werden können, damit eine Kondensation von Raumluftfeuchte vermieden wird. Zum anderen ermöglicht das Temperaturniveau des Untergrunds nur eine begrenzte Wärmeabfuhr.

    Der große Vorteil der passiven Kühlung ist: Die „Kälte" wird vom Erdreich oder Grundwasser kostenlos zur Verfügung gestellt, der Verdichter der Wärmepumpe wird nicht benötigt. Lediglich eine geringe Stromaufnahme durch die Umwälzpumpen bleibt notwendig. Zusätzlicher Nutzen: Durch Wärmerückführung aus dem Gebäude in das Erdreich wird die Temperatur der Erdwärmequelle angehoben. Sommerliche Wärme kann so zumindest teils im Winter genutzt werden.

  • Wärmequellen - Erdreich, Wasser, Luft

    Erdreich
    Bei dieser Art der Nutzung von Erdwärme, auch oberflächennahe Geothermie genannt, erschließt man die im Erdreich gespeicherte Wärme und bedient sich so des natürlichen Temperaturniveaus im Untergrund. Dieses liegt abhängig von den klimatischen und geologischen Verhältnissen in Mitteleuropa bei etwa 10°C. Nach einer Wärmenutzung wird das Erdreich durch Sonnenstrahlung und Außenluft natürlich regeneriert.

    Der Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle und Vorlauftemperatur der Heizung ist bei einer Erdreichquelle auch im Winter gering, was einen besonders effizienten Betrieb der Wärmepumpe erlaubt. Dafür stehen drei verschiedene Systemarten zur Verfügung: vertikale Erdwärmesonden mit Tiefenbohrung, horizontale, über die Fläche ausgebreitete Erdwärmekollektoren und so genannte Erdwärmekörbe.

    Bei Erdwärmesonden zirkuliert – wie in anderen Wärmepumpen-Systemen auch – eine frostsichere Flüssigkeit, die Sole, in einem geschlossenen Kreislauf durch ein Kunststoffrohr, nimmt die Energie des Untergrunds dabei auf und transportiert sie zur Wärmepumpe. Da ab einer Tiefe von 10 Metern die Temperatur das ganze Jahr über nahezu konstant bei rund 10°C und damit von saisonalen Schwankungen unabhängig ist, ist die Erdwärmesonde im Winter bei tiefen Temperaturen besonders effizient.
    Die notwendige Länge der Sonde und damit die Tiefe der Bohrung hängen vom Wärmebedarf des Gebäudes und der Wärmeleitfähigkeit des Untergrundes ab. Bei einem durchschnittlichen neuen Einfamilienhaus liegt sie bei einer Größenordnung von rund 100 Metern. Im Sommer eignen sich Erdwärmesonden zudem sehr gut für die passive Kühlung.

    Erdwärmekollektoren arbeiten mit einem waagerechten, sehr oberflächennahen Rohrsystem, das unter der Erde ähnlich einer Fußbodenheizung in Schlangen verlegt ist. Auch in den Kollektoren zirkuliert eine Sole. Der Erdwärmekollektor befindet sich in einer Tiefe von rund 1,5 Metern unter einer Rasen- oder sonstigen, möglichst nicht versiegelten Grundstücksfläche. Die Fläche, die der Kollektor benötigt, hängt hauptsächlich von der Größe der zu beheizenden Fläche und den Eigenschaften des Bodens ab. In der Regel liegt sie beim Eineinhalbfachen der beheizten Gebäudefläche.
    Anders als Erdwärmesonden sind Kollektoren nicht genehmigungs-, sondern lediglich anzeigepflichtig. Durch den geringeren Aufwand bei der Erschließung spart man bei Erdwärmekollektoren gegenüber einer Sonde in der Regel Kosten. Sie stellen damit eine gute Alternative dar, wenn Sonden nicht oder nur unter hohen Auflagen möglich sind. Allerdings ist der Bedarf an Grundstücksfläche deutlich größer, was im Bestand eine Einschränkung sein kann.

    Erdwärmekörbe und ähnliche Bauformen bieten die Möglichkeit, die Umweltwärme auf kleinerem Raum als Kollektoren zu erschließen. Die korbähnlichen spiralförmig gewundenen Rohre werden in bis zu etwa 4 Meter Tiefe vergraben. Bei Grundstücken, die zu klein für Flächenkollektoren sind, wo z. B. die vorhandene Vegetation oder Bewirtschaftung des Grundstückes Kollektoren ausschließen, oder wo Erdwärmesonden ausgeschlossen sind, stellen Erdwärmekörbe eine gute Alternative dar.

     

    Grundwasser

    Grundwasser ist die günstigste Wärmequelle, da es ab einer Tiefe von 10 Metern ganzjährig eine Temperatur von etwa 10 °C hat. Die thermische Energie des Grundwassers, das zunächst über einen Förderbrunnen gehoben und zur Wärmepumpe geleitet wird, wird dem Wasser entzogen. Anschließend wird das abgekühlte Wasser über einen Schluckbrunnen wieder in den Untergrund eingeleitet.

    Für den Betrieb der Wärmepumpen werden somit zwei Brunnen gebraucht: ein Förder- und ein Schluckbrunnen. Die Wasserbehörden machen meist zur Bedingung, dass das Grundwasser in dieselbe Tiefe zurückgepumpt werden muss, aus der es entnommen wurde, so dass beide Brunnen dieselbe Tiefe haben müssen. Der Abstand zwischen Förder- und Schluckbrunnen sollte mindestens 10 Meter betragen. Der Schluckbrunnen muss in Fließrichtung des Wassers gesehen immer hinter dem Förderbrunnen liegen, daher ist die Kenntnis der Fließrichtung wichtig. Der Abstand zum Grundwasserspiegel sollte nicht mehr als 15 Meter betragen, weil die Pumpe ansonsten eine hohe Förderleistung bringen muss, wodurch sich der Stromverbrauch deutlich erhöht.

    Grundwasser ist jedoch nicht überall in ausreichender Qualität und Menge verfügbar. Die Wasserqualität und die Ergiebigkeit der Brunnen müssen vorab untersucht werden. Informationen kann möglicherweise die zuständige Wasserbehörde liefern, bei der vor Baubeginn sowieso eine Anmeldung der geplanten Maßnahme erforderlich ist.

     

    Luft

    Luft als Wärmequelle kann sehr einfach und nahezu überall erschlossen werden. Es sind weder Bohrungen noch Grabungen oder besondere Genehmigungen erforderlich. Lediglich baurechtliche Vorschriften hinsichtlich des Lärmschutzes müssen beachtet werden.
    Luft/Wasser-Wärmepumpen haben somit vergleichsweise günstige Anschaffungs- und Montagekosten. Ein Nachteil dieses Systems liegt in der niedrigeren Effizienz gegenüber den Grundwasser- bzw. Erdwärmepumpen. Die Effizienz der Wärmepumpe ist ausgerechnet dann am niedrigsten, wenn besonders viel Wärme im Haus gebraucht wird: In der kalten Jahreszeit, da dann die Außenluft eine niedrige Temperatur hat und als Wärmequelle weniger leistet. Entsprechend steigt dann der Stromverbrauch.
    Weitergehende Informationen zum Lärmschutz bietet der "Leitfaden: Schall" des Bundesverbandes Wärmepumpe e.V.

  • Effizienz und Qualität

    Die Effizienz, also der Stromverbrauch einer Wärmepumpe, hängt vom Temperatur-niveau der Wärmequelle und von der Temperatur der Heizungsanlage und der Trinkwassererwärmung ab. Wichtig für den Betrieb einer Wärmepumpe ist es, dass die Heizungsanlage auch an kalten Tagen mit einer Vorlauftemperatur von unter 60 °C auskommt. Das ist in der Regel mit geringen Anpassungen der Heizungsanlage auch in Bestandsbauten gut erreichbar. Eine zusätzlich durchgeführte Wärmedämmung des Gebäudes führt natürlich zu weiterer Effizienzsteigerung und Energieeinsparung.

    Auskunft über die Effizienz von Wärmepumpen gibt die Jahresarbeitszahl (JAZ). Sie ist das Verhältnis von „bereitgestellter thermischer Energie" (Nutzen) der Wärmepumpe und der „zum Betrieb der Wärmepumpe eingesetzten elektrischen Energie" (Aufwand). Die JAZ bezieht damit auch Temperaturschwankungen der jeweiligen Wärmequelle und der Heizkreistemperaturen im Jahresverlauf sowie die elektrische Energie für die Nebenantriebe wie Ventilatoren, Pumpen für die Umgebungswärmenutzung, die Steuerung sowie den möglicherweise vorhandenen Heizstab mit ein.

    Eine JAZ von 4 bedeutet zum Beispiel, dass die Wärmepumpe im Jahresmittel 4 Kilowattstunden Wärme ans Haus abgibt (Nutzen), wenn diese eine Kilowattstunde Strom aufnimmt (Aufwand). Es zeigt sich: Je höher die JAZ, desto besser für die Umwelt und den Geldbeutel.

    Um die tatsächliche Effizienz ihrer Wärmepumpe nachvollziehen zu können, sollten Hauseigentümer selbst aktiv werden! Durch den Einbau von Strom- und Wärmemengenzählern kann jährlich nach Ende der Heizperiode die JAZ sehr einfach errechnet werden: Man dividiert die Heizwärmeabgabe an das Gebäude (Wärmemengenzähler) durch den Stromeinsatz (Stromzähler Wärmepumpe). Wichtig ist dabei, dass auch der Stromeinsatz für die Heizungspumpen und der Wärmeeinsatz für das Warmwasser berücksichtigt werden. Das Warmwasser sollte in Gebäuden mit kurzen Zuleitungen des Warmwassers, wie in Einfamilienhäusern üblich, unbedingt auch von der Wärmepumpe erwärmt werden. Eine dezentrale Warmwasserbereitung durch elektrische Durchlauferhitzer würde viel mehr Strom verbrauchen als eine Wärmepumpe.

    In Gebäuden mit langen Zuleitungen des Trinkwarmwassers, wie z. B. in Mehrfamilienhäusern, vielen kommunalen Gebäuden und industriellen Gebäuden, ist der Einsatz von Wärmepumpen zur zentralen Warmwasserbereitung gegenüber dezentralen Systemen zur Warmwasserbereitung abzuwägen.

  • Voraussetzungen am und im Gebäude

    Grundsätzlich sollte ein Gebäude über einen ausgezeichneten Wärmeschutz verfügen – denn unabhängig von der Effizienz der Wärmepumpe erzielt man den größten Nutzen für Umwelt und Geldbeutel, wenn man nur so wenig Wärme wie möglich braucht!

    Für den effizienten Betrieb einer Wärmepumpe ist ein möglichst geringes Temperaturniveau entscheidend, auf das die Wärmepumpe das Heizwasser von der Temperatur des genutzten Umweltmediums (z. B. von +8 °C) für das Heizsystem „hinaufheizen" muss. Ein Heizsystem, das auch an kalten Tagen mit Vorlauftemperaturen von möglichst deutlich unter 60 °C auskommt und eine moderne hygienische Trinkwarmwasserbereitung hat, ist dafür geeignet.

    In Neubauten sind diese Voraussetzungen in der Regel erfüllt – sie sind gut gedämmt und benötigen dank groß angelegter Heizflächen geringe Temperaturniveaus für die Beheizung. Daher sind Wärmepumpen in Neubauten deutschlandweit die mittlerweile am häufigsten installierte Heizungsart. Demgegenüber müssen viele Bestandsgebäude für die Beheizung mit Wärmepumpen vorbereitet werden. Dazu ist folgendes nötig:

    Große Heizkörper: Am häufigsten werden Fußbodenheizungen eingesetzt, aber auch Wand- und Deckenheizungssysteme, da diese das Haus mit vergleichsweise geringen Temperaturen des Heizwassers erwärmen können. Alternativ sind auch großflächige Heizkörper möglich, die derart dimensioniert werden, dass auch diese mit Temperaturen unter 60 °C die benötigte Raumwärme bereitstellen. Ein guter Wärmeschutz des Gebäudes ist hilfreich, dieses Ziel zu erreichen.

    Gute Beratung: Neubauten sind in der Regel gut vorbereitet für den Betrieb einer Wärmepumpe. Bei älteren Gebäuden ist zu prüfen, ob Heizungsanlage und Warmwasserbereitung ein ausreichend geringes Temperaturniveau aufweisen können. Ist dies nicht der Fall, sollte geprüft werden, ob durch eine Anpassung des Heizsystems oder durch punktuelle Maßnahmen an der Gebäudehülle (z. B. Tausch von Fenstern) ein geringes Temperaturniveau erreicht werden kann. Zudem muss geprüft werden, wie eine Erschließung der Umgebungswärmequellen realisiert werden kann. Diese Fragen werden am besten in einer auf Wärmepumpen fokussierten, qualifizierten und unabhängigen Energieberatung geklärt.

Zahlen und Analysen

Wärmepumpen in Niedersachsen und Deutschland

Im Jahr 2019 wurde in 45,8% aller in Deutschland neu genehmigten Wohngebäude eine Wärmepumpe als vorwiegend genutzte Energieart vorgesehen. In Niedersachsen liegt der Anteil lediglich bei 22,5 Prozent. In Bestandsgebäuden ist der Anteil der Wärmepumpen noch verschwindend gering. Dabei bietet die Technologie Planern und Nutzern vielfältige Möglichkeiten.

Wärmepumpen im Neubau in Niederachsen und Deutschland

Wärmepumpen im Altbau

Im Juli 2020 hat das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE eine Studie veröffentlicht, die die „Effizienz und das Lastverschiebungspotenzial elektrisch betriebener Wärmepumpen" in unterschiedlich sanierten Bestandsgebäuden untersucht. In einem Feldtest wurden dafür Wärmepumpensysteme vermessen, die sowohl Raumwärme, als auch Trinkwarmwasser bereitstellen. Überwiegend wurden dabei Systeme mit Luft als Umweltwärmequelle untersucht, aber auch Systeme mit dem Erdreich. Zusammenfassend zeigt die Studie das große Potenzial von Wärmepumpen für den effizienten und ökologischen Einsatz in Bestandsgebäuden auf.

Im Zuge des Feldtests konnte ein klarer Zusammenhang zwischen der Effizienz des Wärmepumpenbetriebs und den notwendigen Temperaturniveaus im Heizkreis herausgearbeitet werden. Je niedriger die benötigte Temperatur war, desto effizienter konnte die Wärmepumpe arbeiten. Erzielte Jahresarbeitszahlen lassen zudem den Schluss zu: Bereits heute können in den untersuchten Bestandsgebäuden CO2-Emissionen durch den Einsatz von Wärmepumpen vermieden werden. Dieser Trend wird dabei perspektivisch mit steigendem Anteil erneuerbaren Stroms im Strommix weiter verstärkt.

Die vollständige Studie (PDF)

Kontakt

Dr. Georg K. Schuchardt

0511 897039-26
georgkonrad.schuchardt [at] klimaschutz-niedersachsen.de

Kontakt

Gerhard Krenz

0511-897039 22
gerhard.krenz [at] klimaschutz-niedersachsen.de

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