Wärmepumpen: Funktionsweise und Planung nach EnEV

Funktionsweise und Planung nach EnEV

Das Funktionsprinzip von Wärmepumpen besteht darin, Wärme aus einer Wärmequelle mit niedrigem Temperaturniveau unter Einsatz von mechanischer Energie auf ein höheres Temperaturniveau zu bringen, auf dem es für die Gebäudebeheizung und/oder Trinkwasserbereitung eingesetzt werden kann.

Als Wärmequelle werden hierbei das Erdreich, das Grundwasser oder die Umgebungsluft genutzt. Es handelt sich bei Wärmepumpen also um Wärmeerzeuger, die Umweltwärme nutzen. Sie zählen deshalb nach § 2 EnEV sowie nach dem Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) zu den regenerativen Wärmeerzeugern.

Funktionsweise

Eine Wärmepumpe besteht aus einem geschlossenen, mit Flüssigkeit (sog. Kältemittel) gefüllten Kreislauf mit folgenden vier Bestandteilen:

• Kompressor (1)
• Kondensator (2)
• Drossel (3)
• Verdampfer (4)

Das gasförmige, kalte Kältemittel wird mittels des Kompressors verdichtet und auf ein hohes Temperaturniveau gebracht (immer noch gasförmig). Über den etwas kälteren Kondensator gibt es daraufhin seine Wärme an das Heizungswasser ab und kondensiert dabei. Über die Drossel strömt das nun verflüssigte Kältemittel in den Teil des Kreisprozesses mit niedrigem Druck, wobei es sich so stark abkühlt (immer noch flüssig), dass es am Verdampfer die Wärme aus der Wärmequelle (Erdreich, Grundwasser, Luft) aufnehmen kann, wobei es in die Gasphase übergeht. Über den Kompressor beginnt der Kreisprozess von Neuem.

Bild 1: Kreislaufprozess

Ein spezielles Kältemittel wird deshalb benötigt, da es auf dem Temperaturniveau der Wärmequelle bei niedrigem Druck verdampft, bzw. auf dem höheren Temperaturniveau des Heizungsvorlaufs unter hohem Druck kondensieren muss. Diese Eigenschaften kann Wasser z.B. nicht erfüllen. Gängige Kältemittel für Wärmepumpen sind Fluorkohlenwasserstoffe (FKW, z.B. R410a, R407c). Sie ersetzten die mittlerweile verbotenen (da die Ozonschicht zersetzenden) Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), tragen jedoch bei Freisetzung zum Treibhauseffekt bei. Dies ist beim Nachfüllen von Kältemittel bzw. beim Entsorgen zu berücksichtigen.

Antriebsenergie

Als Antriebsenergie wird bei den allermeisten Wärmepumpen elektrische Energie in Elektromotoren eingesetzt, die einen Kolben- oder Scrollverdichter als Kompressor antreiben. Da sowohl Motoren als auch Verdichter nicht verlustfrei arbeiten, geht ein gewisser Teil der elektrischen Energie in Form von Verlustwärme wieder verloren.

Es gibt auch einige (wenige) Hersteller, die gasmotorisch betriebene Wärmepumpen anbieten. Der Antrieb des Kompressors erfolgt hier über einen gasbetriebenen Verbrennungsmotor. Dessen (nicht unbeträchtliche) Abwärme wird über einen Wärmetauscher ebenfalls dem Heizungssystem zugeführt.

Bild 2: Energieflussdiagramm einer Wärmepumpe

Vorteile von Wärmepumpen

• wartungsarmer Betrieb
• keine speziellen Anforderungen an den Aufstellungsraum
• kein Brennstofflager und kein Kamin notwendig; dementsprechend auch keine Kaminkehrerkosten
• bei günstigen Umgebungsbedingungen und sorgfältiger Planung zum Teil deutlich niedrigere Betriebskosten als konventionelle Heiztechnik

Nachteile von Wärmepumpen

• höhere Anschaffungskosten
• nur im Neubau oder nach umfassender Sanierung sinnvoll einsetzbar
• geeignete Wärmequelle nicht immer verfügbar (bis auf Luft-Wasser-Wärmepumpen)
• bei sehr niedrigen Außentemperaturen und monovalenter Betriebsweise ggf. Zuheizung mit elektrischem Heizstab erforderlich

Effizienz von Wärmepumpen

Je höher die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke ist, desto mehr muss das Kältemittel verdichtet werden, um die Wärme auf hohem Temperaturniveau wieder abgeben zu können, und desto mehr mechanische Energie wird benötigt, um eine bestimmte Wärmemenge zu fördern. Die Effizienz der Wärmepumpe sinkt.

Optimal sind deshalb eine möglichst hohe Temperatur der Wärmequelle (Grundwasser ist z.B. günstiger als Luft) und ein möglichst niedriges Temperaturniveau des Heizsystems. Für Wärmepumpen bieten sich in erster Linie Flächenheizsysteme mit Vorlauftemperaturen von 30–35 °C an.

Um die Effizienz von Wärmepumpen zu beziffern, gibt es zwei relevante Kenngrößen:

Leistungszahl (COP)

Die Leistungszahl (auch Coefficient Of Performance – COP genannt) gibt das Verhältnis von an das Heizsystem abgegebener Wärmeleistung zu mechanisch zugeführter Leistung an. Sie ist abhängig vom Betriebszustand der Wärmepumpe und wird unter genormten Bedingungen auf einem Prüfstand gemäß der Norm EN 14511 ermittelt. Sie kann zwar zum Vergleich von Wärmepumpen untereinander herangezogen werden, sagt aber nichts über die Effizienz einer Anlage im jeweils verbauten Heizungssystem aus.

Zu diesem Zweck wurde zusätzlich die

Jahresarbeitszahl (JAZ)

eingeführt. Sie gibt das Verhältnis von in einem Jahr an das Heizungssystem (inkl. Warmwasserbereitung) abgegebener Wärmemenge zu der zugeführten Antriebsenergie an. Genau genommen ist die Jahresarbeitszahl eine Messgröße und kann nur an einem laufenden System ermittelt werden. Um jedoch bereits in der Planungsphase eine Aussage zur Effizienz treffen zu können, kann die Jahresarbeitszahl nach VDI 4650 auch berechnet werden. Dazu gibt es einige Online-Rechner. Die Jahresarbeitszahl wird im Vorfeld z.B. auch für öffentliche Förderanträge benötigt.

Mindestjahresarbeitszahl

Die Effizienz von Wärmepumpen kann sowohl unter ökologischen als auch ökonomischen Gesichtspunkten betrachtet werden. Da in den allermeisten Fällen Strom als Antriebsenergie eingesetzt wird, soll im Weiteren nur auf elektrisch betriebene Wärmepumpen eingegangen werden.

Um aus ökologischer Sicht vorteilhaft zu arbeiten, muss bei einer Wärmepumpe der Anteil an Umweltwärme so hoch sein, dass der im Vergleich zu Erdgas oder Heizöl (fp = 1,1) wesentlich höhere Primärenergiefaktor von Strom (fp = 2,0, ab 01.01.2016: 1,8) dadurch mindestens ausgeglichen wird. Da Wärmepumpen hauptsächlich im Winterhalbjahr laufen, in dem der Anteil fossiler Stromerzeugung besonders hoch ist, verstärkt sich diese Differenz sogar in der Realität noch etwas.

Fast noch höhere Anforderungen müssen an die Jahresarbeitszahl gestellt werden, wenn man die Anlageneffizienz aus ökonomischer Sicht betrachtet. Auch wenn für Wärmepumpen meist ein günstigerer spezieller Wärmepumpen-Stromtarif angeboten wird, muss pro kWh Strom in etwa mit den dreifachen Kosten wie für Erdgas gerechnet werden. Zusätzlich sind die höheren Investitionskosten für eine Wärmepumpe zu berücksichtigen.

Als unterer Richtwert für die Jahresarbeitszahl, die eine Wärmepumpe erreichen muss, können deshalb die im EEWärmeG bzw. auch im Marktanreizprogramm der Bundesregierung festgelegten Jahresarbeitszahlen verwendet werden. Die in der DIN EN 15450:2007-12 definierten Mindest- und Zielwerte für die JAZ von Wärmepumpen liegen zum Teil darunter und sind nur bedingt als sinnvolle Referenz anzusehen.

Tabelle 1: Mindestanforderung an die JAZ für Wärmepumpen gemäß EEWärmeG

Wärmepumpen müssen, um eine optimale Jahresarbeitszahl zu erreichen, sorgfältig geplant und ausgelegt werden. Eine Überdimensionierung ist unbedingt zu vermeiden, da durch unnötig viele Starts und Stopps nicht nur die Jahresarbeitszahl sinkt, sondern die Pumpe auch einem höheren Verschleiß unterliegt. Auch die Größe des Wärmeüberträgers im Trinkwasserspeicher ist z.B. eine relevante Größe, die einen nicht unerheblichen Einfluss auf die Effizienz hat.

Bilanzierung gemäß EnEV

In der DIN V 4701 sind auch im detaillierten Verfahren nur wenige Parameter bei einer Wärmepumpe hinterlegt. Relevant sind hier vor allem neben der Pumpenart der COP (hier bei Übernahme der Herstellerdaten unbedingt die Messparameter beachten!) und bei Grundwasser-Sole-WP die Leistung der Primärkreispumpe.

Die DIN V 18599 bietet hier mehrere Parameter. Neben der Möglichkeit der Auswahl von gasbetriebenen Wärmepumpen sind hier umfangreichere Angaben beim COP möglich (Achtung: auch hier Parameter beachten!) sowie Bivalenz- und Grenztemperaturen beim Einsatz mit anderen Wärmeerzeugern.

Diese Werte sind ggf. beim Wärmepumpenhersteller bzw. beim Fachplaner zu erfragen.

Quelle:
Die neue EnEV 2014 im Bild
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