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Wärmepumpe: auf dieser Seite

Prinzip der Wärmepumpe


Darstellung des Wärmepumpen Prozesses (Carnot-Prozess)Die Wärmepumpe wandelt Wärme niedriger Temperatur  in Wärme hoher Temperatur um; auch im Winter bei weit  unter 0°C


Dies geschieht in einem geschlossenen Kreisprozess durch ständiges  Ändern des Aggregatzustandes des Arbeitsmittels (Verdampfen,  Komprimieren, Verflüssigen, Expandieren). Nach dem selben Prinzip  entzieht auch ein Kühlschrank seinem Inneren die Wärme  und gibt diese dann nach aussen ab.


Die Wärmepumpe entzieht der Umgebung des Hauses (Erdreich,  Wasser oder Luft) gespeicherte Sonnenwärme und gibt  diese zuzüglich der Antriebsenergie in Form von Wärme an den Heiz-  und Warmwasserkreislauf ab.


Als Arbeitsmittel (Kältemittel) werden Stoffe verwendet, welche bei  niedrigen Temperaturen verdampfen und gleichzeitig eine hohe innere  Wärme besitzen. Es sind sind nur noch  chlorfreie Arbeitsmittel zugelassen. Diese haben keinerlei ozonschädigende  Auswirkung (ODP = 0). R 134 a, R 407 C, und Propan erfüllen  diese Bedingungen.


Abb.: Der Kältekreis einer Wärmepumpe mit typischem  Druck- und Temperaturverlauf. Arbeitsmittel: R134a, Arbeitspunkt: L7/W50.


Quelle: Ochsner-Wärmepumpen

Kennwerte von elektrisch betriebenen Wärmepumpen

Bezeichnungsschema von Wärmepumpen, Arbeitspunkt

Bezeichnungsschema von Wärmepumpen: L 2*/W 35** :  *Eintrittstemperatur des Kältemittels in den  Verdampfer, **Austrittstemperatur am Kondensator. L oder A= Luft,Air, W = Wasser, E oder S = Erde,Sole.

Arbeitspunkt: L2/W35 bedeutet: Luft von 2oC dient als Wärmequelle, um eine Vorlauftemperatur des Heizungswassers von 35oC zu erzeugen. In den Herstellerunterlagen finden sich für verschiedene Arbeitspunkte Angaben zu den Leistungszahlen (COP).

Zur Beurteilung einer WP wird üblicherweise ein Arbeitspunkt herangezogen, der den über das Jahr gemittelten Zustand am ehesten wiedergibt. Dies ist für Luft/Wasser A2/W35, für Sole/Wasser B0/W35 und für Wasser/Wasser W10/W35.

COP-Wert (Coefficient of Performance)

Jahresarbeitszahl (JAZ)

Jahresarbeitszahl (JAZ) nach VDI 4650

Das Verhältnis von Abgegebener Wärmeleistung zu zu aufgenommener elektrischer Antriebsenergie bei einem bestimmten Arbeitspunkt. Der COP-Wert berücksichtigt auch die Leistungen von Hilfsaggregaten, die Abtau Energie und die anteilige Pumpenleistung für Ventilator, Sole- und Grundwasser-Förderpumpen.

Das Verhältnis aus jährlich gelieferter Wärme zu jährlich aufgenommener elektrischer Antriebsenergie und Hilfsenergien bezogen auf einen bestimmten Anlagenumfang.

Das Verhältnis von abgegebener Wärmeleistung zu aufgenommener elektrischer Antriebsenergie. Diese wird auf Basis der vom Hersteller gelieferten COP Werte bei verschiedenen Arbeitspunkten errechnet. Dabei werden Korrekturfaktoren berücksichtigt. Die Korrekturfaktoren spiegeln einige Besonderheiten der konkreten Anlage wider.

Damit ist der COP-Wert ein Gütekriterium für Wärmepumpen. Prüfinstitute ermitteln diesen Wert nach einer definierten Messmethode (EN 14511).  COP-Werte sind iin den Herstellerunterlagen zu finden.

Die Jahresarbeitszahl kennzeichnet die Effizienz einer Wärmepumpenanlage mit Elektro-Wärmepumpe. Sie kann nur an einer realen Anlage im Betrieb ermittelt werden.

Die JAZ nach VDI sollte näher am tatsächlichen Wirkungsgrad einer Anlage liegen als der COP

Die JAZ nach VDI ist Grundlage für die Förderfähigkeit der Wärmepumpenanlage

COP Werte von Wärmepumpen

Wärmequelle

Wärmequelltemperatur / Vorlauftemperatur

Leistungszahl von-bis

Luft

2/35 °C

3-3,4

2/50 °C

2,3-2,7

-15/50 °C

1,4-1,7

Erde

0/35 °C

4,3-4,5

0/50 °C

2,7-3,2

Grundwasser

10/35 °C

5,1-5,8

10/50 °C

3,8-4,1

Ermittlung der JAZ an Anlagen im Betrieb

JAZ-Systemgrenzen-2Die reale Jahresarbeitszehl läßt sich exakt nur durch Messung an in Betrieb befindlichen Anlage ermitteln. Dabei ist es wichtig zu definieren was der einzubeziehende Anlagenumfang ist. Hier haben sich in der Praxis verschiedene Definitionen ergeben. Links abgebildet findet sich eine sinnvolle  Definition wie sie im “Feldtest Elektro-Wärmepumpen am Oberrhein” zur Anwendung kam. Hier wird zwischen Erzeuger JAZ (EJAZ) und der System JAZ (SJAZ) unterschieden. In diesem Projekt wurden über 2 Jahre die Werte von 33 Wärmepumpen Anlagen aufgezeichnet. Die Auswertung brachte bezüglich der JAZ folgende  Ergebnisse:

Wärmequelle

Mittlere JAZ *

Mittlere JAZ Fbhzg.

Mittlere JAZ Heizk.

Luft

 

2,8 / 2,3

2,4 / 2,2

Wasser

3,2 / 2,9

Mix 6 Fbhzg.  1 Heizk.

Erdreich

3,4 / 3,1

Mix 11 Fbhzg.  2 Heizk.

Anmerkungen zu den Projektdaten: * Die JAZ Angaben sind  EJAZ/SJAZ,  Luft: Die JAZ Werte wurden getrennt für Fußbodenheizung und Heizkörper Betrieb aufgelistet, maximal erreichter EJAZ für Fbhzg = 3,2 für Heizk. = 2,8 . Wasser: Maximal erreichte EJAZ = 4,2 . Erdreich: Maximal erreicht EJAZ =  4,4

Die untersuchten Wärmepumpen wurden zwischen 2002 und 2005 installiert.

Quelle: Feldtest Elektro-Wärmepumpen am Oberrhein  www.agenda-energie-lahr.de

Betriebsweisen von Wärmepumpen

Monovalent

Bivalent parallel / monoenergetisch

Bivalent alternativ

Prinzip der monovalenten Betriebsweise
Prinzip der bivalent/monoenergetischen Betriebsweise
Prinzip der alternativen Betriebsweise

Die Wärmepumpe ist alleiniger Heizwärmeerzeuger im Gebäude. Diese Betriebsart ist geeignet für alle Niedertemperaturheizungen bis zur maximalen Vorlauftemperatur von 60 °C. Sinnvoll und hervorragend geeignet ist diese Betriebsart im Neubau bzw. wenn die Wärmeübergabe in Form einer Fußboden- oder Wandheizung erfolgt. Der Vorteil liegt in den niedrigen notwendigen Vorlauftemperaturen zwischen 30 und 35 °C sowie den günstigen Betriebskosten durch Sondertarife, die die EVU's für unterbrechbaren Heizstrom anbieten (gute Pufferung  durch grosse aufgeheizte Masse : Fußboden/Wand).

Solewärmepumpen und Grundwasserwärmepumpen werden in aller Regel monovalent betrieben.

Die Wärmepumpe liefert bis zu einer festgelegten Außentemperatur (z.B.: 0 °C) die gesamte Heizwärme. Sinkt die Temperatur unter diesen Wert schaltet sich der zweite Wärmeerzeuger zu. Die Wärmepumpe läuft jedoch parallel. Für alle Heizsysteme bis 60 °C Vorlauftemperatur ist diese Betriebsweise sinnvoll.

Monoenergetisch: Das Heizsystem benötigt keine zweite Energieart mehr. An kalten Tagen wird zur Wärmepumpe zusätzlich ein Heizstab mit Strom betrieben. Einsatzgebiet sind z.B. Luft/Wasser-Wärmepumpen, die bis zu Außentemperaturen von -16 °C arbeiten.

Die Wärmepumpe liefert bis zu einer festgelegten Aussentemperatur (z.B.: 0 °C) die gesamte Heizwärme. Sinkt die Temperatur unter diesen Wert schaltet die Wärmepumpe ab, der zweite Wärmeerzeuger übernimmt die Heizung. Für alle Heizsysteme bis 90 °C Vorlauftemperatur ist diese Betriebsweise möglich.(Nachrüstung in ein Hochtemperatursystem). Auch dann in der Sanierung zu empfehlen, wenn die JAZ mit einer Luft/Wasser WP unter ~ 1 fällt (hängt von den Energiepreisen ab)

Wärmequellen für Wärmepumpen

Luft

Erdreich (Sole)

Wasser

Anlagenbild Luft/Wasser Wärmepumpe

Anlagenbild Sole/Wasser Wärmepumpe

Anlagenbild Wasser/Wasser Wärmepumpe

Funktion:

Als Wärmequelle wird die Umgebungsluft verwendet. Ein Lüfter überträgt die Wärme der Luft auf das Arbeitsmittel.

Bewertung:

  • Einfache Installation
  • Wärmepumpenanlage deutlich günstiger als Erd/Wasser
  • Keine Anforderungen an die Größe des Grundstücks, kein Eingriff in Aussenanlagen
  • Keine behördlichen Genehmigungen erforderlich
  • Geringste Heizleistung wenn Bedarf maximal
  • Abtauen des Verdampfers bei geringen Aussentemperaturen erforderlich
  • Kleinere Jahresarbeitszahl im Vergleich zu Sole/Wasser- und Wasser/Wasser-WP
  • u.U. monovalent nicht wirtschaftlich betreibbar
  • Lärmbelästigung prüfen
  • Die Lebensdauer von Luft-WP ist geringen als vergleichbare Boden-Wasser/Wasser WP

Einsatz:
L
uft/Wasser Wärmepumpen kommen meist zur monoenergetischen Heizung sowie zur WW-Bereitung zum Einsatz. In der  Sanierung auch bivalenter Einsatz

Aufstellung im freien oder im Innenraum, auch Split möglich s.u..

Funktion:

Als Wärmequelle wir die oberflächennahe  Wärme der Erde genutzt (1,5 bis 2m Tiefe bei Kollektor, 40-100m bei Erdsonde). Der Wärmeentzug erfolgt entweder über im Erdreich verlegten Rohre (Kollektor) oder über senkrechte bis zu 100m tiefe Sonden (Bohrlöcher in denen ein Rohr (Vor und Rücklauf) als Wärmetauscher installiert ist)

Bewertung:

  • Geringe Temperaturschwankungen der Wärmequelle über das Jahr (insbesondere Sonden)
  • Heizleistung über das Jahr nahezu konstant
  • Leistungszahl über das Jahr in etwa konstant
  • Hohe Jahresarbeitszahl
  • Erdarbeiten für Kollektor bezw. Sonden
  • Erdwämesonde ist anzeige- bzw. genehmigungspflichtig beim Wasserwirtschaftsamt, ab 100m beim Bergbauamt
  • Beschränkungen in Wasserschutzzonen

Einsatz:

Erdreich/Wasser Wärmepumpen kommen zur monovalenten Heizung sowie zur WW-Bereitung zum Einsatz. In der Sanierung  auch bivalent bei Vorlauftemperaturen >65oC

Statt eines Flächenkollektors kann auch ein Vertikalkollektor (Bohrung: 40 bis 100m Tiefe)  eingesetzt werden.

Auch Erdwärmekörbe tragen zur Verringerung der benötigten Fläche bei

Funktion:

Als Wärmequelle dient das Grundwasser. Der Wärmeentzug erfolgt über einen Brunnen (Quellbrunnen) aus dem das warme Wasser dem Wärmetauscher der WP zugeführt wird (Pumpe). Nach dem Wärmeentzug in der WP wird das Wasser über einen zweiten Brunnen (Schluckbrunnen) dem Grundwasser wieder zugeführt

Bewertung:

  • Geringe Temperaturschwankungen der Wärmequelle über das Jahr
  • Heizleistung über das Jahr nahezu konstant
  • Leistungszahl über das Jahr nahezu konstant
  • Hohe Jahresarbeitszahl
  • Erdarbeiten für Brunnenerstellung
  • Ergiebige bodennahe Grundwasserschicht erforderlich
  • Grundwassernutzung ist genehmigungspflichtig, beim Wasserwirtschaftsamt
  • Lebensdauer der Wärmequellenanlage von Wasserqualität abhängig (Verockerung)
  • Nicht in Wasserschutzzonen

Einsatz:

Einsatz wie Erdreich / Wasser. Besserer Wirkungsgrad als E/W (Im Mittel höhere Temperatur des Arbeitsmittels)

Abstand von Quell- und Schluckbrunnen > 15m in Fließrichtung des Grundwassers.

Der Marktanteil an den in 2008 in der BRD installierten WP beträgt: Luft 45% ,Wasser 7%, Erde 48%

Grafiken: Quelle Bosch Thermotechnik GmbH

Auftellungsvarianten für Luft/Wasserwärmepumpen

Luft-WP-Innenaufstellung

Luft-WP-Splitaufstellung

Luft-WP-Aussenaufstellung

Luft/Wasser Wärmepumpen können in 3 verschiedenen Varianten aufgestellt werden:

  • Innenaufstellung: Hier wird die komplette Wärmepumpe im Gebäude errichtet. Für Ansaugung und Ausblasung der Luft sind 2 große Außenmauerdurchführungen (flexible Rohre) erforderlich, hierbei muss ein “Luftkurzschluss” durch z.B. Eckaufstellung vermieden werden.
  • Außenaufstellung: Die komplette WP wird im Außenbereich montiert. Bei der Außenaufstellung muss für die Abführung des Kondensats am Verdampfer gesorgt werden.
  • Splitaufstellung: Die Wärmepumpe (Kern) wird im Gebäude aufgestellt, die Ventilatoren mit Wärmetauscher bzw. Verdampfer sind Außen aufgestellt. Auch hier ist der Kondensatabfluss sicher zu stellen.

Kennlinien von Wärmepumpen

Leistungszahl (COP)

Leistungsaufnahme

Heizleistung

Leistungszahl-Arbeitspunkte

Leistungsaufnahme-Abhängigkeit

Heizleistung-Bivalenzpunkt

Abhängigkeit des COP von Lufteintritts- und Heizungsvorlauftemperatur

a) L15/W35 -> COP 4,2  c) L15/W50 -> COP 3,0

b) L-5/W35 -> COP 2,6   d) L-5/W50 -> COP 2,0

Abhängigkeit der Leistungsaufnahme der WP von Lufteintritts- und Heizungsvorlauftemperatur

Abhängigkeit der Heizleistung von Lufteintritts- und Heizungsvorlauftemperatur

Beispiel: Auslegung der L/W-WP für min. Temperatur -5 oC, damit min. COP = 2

Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe ist abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen der Umweltwärme und der Heizungsvorlauftemperatur . Günstig sind Wärmequellen mit gleichmäßig hohem Temperaturniveau (Erde, Wasser) und Heizungsanlagen mit niedriger Vorlauftemperatur (Flächenheizungen -> Fußboden, Wände). Eine Absenkung der Vorlauftemperatur um 1oC bringt ca. 2,5% Energieeinsparung.

Die oben abgebildeten Kennlinien zeigen qualitativ die Kennlinien einer Luft/Wasser Wärmepumpe. Bei Erdreich oder Wasser als Quelle verläuft die Leistungsaufnahme in etwa konstant über die Wassereintrittstemperatur. Da die Temperaturschwankungen der Eintrittstemperatur des Arbeitsmittels bei Erd- bzw. Wasser Wärmepumpen gering ist (in Vergleich zu Außenluft), ist auch die Schwankung der Leistungszahl geringer. Die Auswahl der benötigten Leistung einer Wärmepumpe wird bestimmt durch die niedrigste Temperatur an der die WP die volle Wärmeleistung für Heizung und Warmwasser erbringen muss. Bei einer bivalenten/monoenergetischen Anlage kann eine kleinere (und kostengünstigere) WP gewählt werden.

Ökologische Betrachtung

Elektrisch betriebene Wärmepumpen (es gibt auch Gas betriebene) benötigen Strom zum Antrieb des Kompressors, der Pumpen und der Regelung.

Die Umwandlung  fossiler Primärenergie in Strom ist mit Verlusten von ~ 66% verbunden (Ineffizienz der konventionellen Kraftwerke). Bezieht man die Verluste der Stromerzeugung in die Bilanz der Wärmepumpe ein , so wäre die Jahresarbeitszahl im Beispiel rechts nur noch ~1,3.

Eine WP leistet also erst ab eine Jahresarbeitszahl >3 einen Beitrag zum Klimaschutz. Diese Bilanz gilt, solange der verwendete Strom zu 100% aus fossilen Quellen gewonnen wird.

Je mehr Strom aus regenerativen Quellen oder aus KWK genutzt wird, je größer ist auch der Beitrag der WP zum Klimaschutz. Für die Zukunft ist Letzteres das wahrscheinliche Scenario. D.h. ein wesentliches Klimaschutzziel ist die Verbesserung der Effizienz der Stromerzeugung und die Substitutiion  fossiler Primärenergie durch erneuerbare. Damit verbessert sich  auch automatisch die CO2 Bilanz aller installierten Wärmepumpen.

Gesamtenergiebilanz-Wärmepumpe

Kriterien für den Einsatz einer Wärmepumpe

Allgemein

Speziell in der Sanierung

  • Das Gebäude sollte einen guten Dämmstandard aufweisen (Erst dämmen, dann verbesserte Anlagentechnik)
  • Das Heizsystem sollte mit Flächenheizungen betrieben werden (niedrige Vorlauftemperaturen). Im Neubau (insbesondere Niedrigenergiehäser) ist dies kein Problem (evtl. sogar die ideale Lösung), wenn der Einsatz einer WP von Anfang an eingeplant wird.
  • Das Temperaturniveau der Wärmequelle sollte möglichst hoch (und konstant über das Jahr) sein

Bei Gebäuden im Bestand scheiden zumeist die Wärmequellen Erde und Wasser aus bezw. der Nachrüstaufwand ist erheblich, sodass in der Regel Lösungen mit Luft/Wasser WP bevorzugt werden. Es sind heute Luft/Wasser Wärmepumpen am Markt, die durchgehend Vorlauftemperaturen bis 65oC ermöglichen. Ist sichergestellt, dass max. Vorlauftemperatur <= 55oC ist (z.B Dämmung des Gebäudes) dann sind auch mit L/W-WP Energieeinsparungen (Endenergie) um die 66% möglich. Bei dem gegenwärtigen Verhältnis von Strompreis (Strom für Wärmepumpen hat Sondertarif) zu Ölpreis ist dies immerhin noch eine Kostensenkung um ca 50%. Die ökologische Bilanz ist bei Verwendung von “fossilem” Strom nicht besser als bei einem Gas-Brennwert Kessel.

Die Nachrüstung von Wärmepumpen in Bestandsgebäuden ist sorgfältig zu planen. Insbesondere müssen die bestehenden Randbedingungen, die zuvor so weit wie möglich optimiert werden sollten, abgeklärt werden.

Wärmepumpen in München: In der Stadt München werden Erdwärmesonden  nur selten eingesetzt. Das liegt zum einen an den Kosten, die Hausbesitzer  für mehrere Tiefenbohrungen aufwenden müssen. Zum anderen an den geologischen  Gegebenheiten: eine vertikale Nutzung ist nur im Münchner Süden (zum  Beispiel Maxhof, Forstenried, Großhadern, Trudering) bis zu einer Tiefe  von zirka 30 Metern zulässig, da ansonsten die Gefahr einer Schädigung  trinkwasserführender Schichten besteht. Die Mittlere Lufttemperatur beträgt in München 10,6oC.

Planung (Orientierungswerte)

Wärmenutzungsanlage

Voraussetzung für eine WP-Dimensionierung ist die Kenntnis der Wärmenutzungsanlage insbesondere müssen die erforderliche maximale Heizlast des Gebäudes, der Warmwasserwärmebedarf, falls auch Warmwasser mit der Wärmepumpe erzeugt werden soll, und die benötigte maximale Heizungsvorlauftemperatur bekannt sein. Für einen Neubau sind dieses Werte die aus den ohnehin notwendigen Planungen bekannt .

Im Falle eines Bestandsgebäudes kann man wie folgt vorgehen:

  • Maximale Heizast (kW):  = Ölverbrauch (Liter/a) / 250 bez.. =Gasverbrauch (m3/a) / 250
  • Warmwasserwärmebedarf (falls nicht im Öl/Gasverbrauch enthalten): = ~0,25 kW Heizleistung / Person
  • Heizungsvorlauf Temperatur:  Falls keine Planungsunterlagen mehr vorliegen, kann dies nur durch Nachrechnung oder Messung erfolgen, ein erfahrener Fachmann kann u.U., aus einer Besichtigung auf die ungefähre Temperatur schließen. Sie lässt sich auch über die eingestellte Heizkurve ermitteln soweit Steuerung über die Außentemperatur erfolgt.

Wärmequellenanlage

  • Erdkollektoren: Notwendige Kollektorfläche: 1,5 bis 2 fache der zu beheizenden Fläche (exakter Wert ist abhängig von der Bodenbeschaffenheit, der Installationstiefe und den geografischen Bedingungen vor Ort) oder Ableitung aus der geforderten Heizleistung: max 20W/m Rohr. Mit alternativen Kollektorformen (Künettenkollektor, Grabenkollektor, Wärmekörben) lässt sich der Platzbedarf reduzieren. Auch die Erdregeneration durch thermische Solaranlagen reduziert den erforderlichen Platzbedarf.
  • Erdsonden: Die notwendige gesamte Bohrlänge lässt sich aus der benötigten Wärmeleistung ermitteln.  Daumenwert: Entzugsleistung  ~50 W pro Meter Bohrlänge (exakter Wert ist abhängig von der geologischen Beschaffenheit vor Ort).
  • Luft: Pro kW Heizleistung ~ 330 m3/h
  • Erdkörbe: Abhängig von der Bodenbeschaffenheit liegt die Entzugsleistung eines Standard-Erdwärmekorbes bei etwa 700 bis 1.000 Watt pro Korb. Dabei benötig ein Korb ca 10m2 Fläche.
  • Wasser: Pumpleistung ~150 l/h bis 200 l/h pro kW Heizleistung (u.U. Pumpversuch erforderlich evtl. auch Wasseranalyse) 

Wärmepumpenanlage

  • Heizleistung: wie oben plus Zuschlag für die Überbrückung der max. Sperrzeit. -> Heizleistung + 10% bis 15%
  • Die Leistung der Wärmepumpe muss den Wärmebedarf des Gebäudes evtl. incl. Warmwasser am kältesten Tag des Jahres decken (monovalenter Betrieb).
  • Bei bivalentem  Betrieb ist zur Auswahl der Wärmepumpe die Festlegung des Bivalenzpunktes erforderlich. Daumen Dimensionierungswerte sind hier nicht unbedingt hilfreich, da diese Festlegung eigentlich nur unter Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit der gesamten Heizungsanlage möglich ist. Behelfsmäßig kann für den monoenergetischen Betrieb mit -5oC gerechnet werden.
  • Die Auswahl der Wärmepumpe erfolgt dann über die Heizleistungskennlinie der Wärmepumpe.

Pufferspeicher

  • Im Neubau sollte ein Pufferspeicher möglichst vermieden werden (gut abgestimmte hydraulische Einbindung). In der Sanierung ist ein Pufferspeicher in folgenden Fällen erforderlich :
    • wenn über 40% der Leistung über Radiatoren abgegeben wird
    • wenn hydraulische Entkopplung erforderlich ist (in der Sanierung bei unsicheren Parametern des Wärmeabgabesystems)
    • Einbindung von weiteren Energiequellen
  • Richtwert für Pufferspeicher: 12 bis 25 Liter pro Kilowatt maximaler Wärmepumpenleistung.

Allgemeine Gesichtspunkte, was ist zu beachten

Bohrfirmen-GuetesiegelEine Wärmepumpe liefert unabhängig ob gutes oder schlecht gedämmtes Gebäude immer den gleichen  Energieeinsparbetrag (absolut).Es ist allerdings eine der teureren Energiesparmaßnahmen. Daher die grundsätzliche Empfehlung: vor oder zusammen mit der Installation einer WP andere Sparpotentiale nutzen (Dämmung, Fenstertausch, Luftdichtheit verbessern ...) dann kann bei gesunkenem Energiebedarf eine kleinere Wärmepumpe installiert werden (geringere Kosten). Dies gilt auf jeden Fall wenn eine monovalente Betriebsweise angestrebt wird. Hierzu sind maximale Vorlauftemperaturen kleiner gleich 55oC erforderlich. Bei verbesserter Dämmung kann bei gleichbleibender Radiatorengröße mit geringeren Vorlauftemperaturen gearbeitet werden. Grundsätzlich gilt bei Wärmepumpen-Heizungsanlagen: Jedes Grad Temperaturabsenkung bei der Vorlauftemperatur bringt eine Einsparung im Energieverbrauch von ca. 2,5%..

  • EHPA-GuetesiegelErste Wahl sollten Wasser/Wasser oder Boden/Wasser Wärmepumpen sein (effizient)
  • Flächenheizungen benutzen wenn möglich (niedrige Vorlauftemperatur)
  • In der Sanierung ist der erforderliche Wärmebedarf und die Heizleistung neu zu berechnen. Das bestehende Wärmeverteilungs- und -Übergabesystem ist unter den neuen Randbedingungen (Dämmung, Vorlauftemperatur, Heizleistung ..) zu verifizieren und ggf. anzupassen
  • Eine den aktuellen Gegebenheiten angepasste Auslegung (eher knapp bemessen) ist anzustreben
  • Ein sorgfältiger hydraulischer Abgleich der Heizungsanlage sollte vor / mit dem Einbau einer Wärmepumpe durchgeführt werden (falls vorher nicht schon gemacht).
  • Eine einfache Anlagenstruktur (einfache Hydraulik) ist in der Regel auch die effektivste. Möglichst Verzicht auf einen Heizwasserpufferspeicher, zusätzliche Wärmetauscher.. (In der Sanierung nicht immer zu vermeiden)
  • Die Wärmepumpe auch zur Warmwassererzeugung nutzen.
  • Installateur-GuetesiegelBevorzugen sie Herstellerprodukte die mit dem internationalen Gütesiegel ausgezeichnet sind und Heizlast und COP nach gültigen Normen (EN255 bzw. EN14511) ausweisen.
  • Die Installation und Abstimmung einer Wärmepumpenanlage insbesondere auch in Verbindung mit thermischen Solaranlagen und in der Sanierung muss fachgerecht geplant und durchgeführt werden und erfordert spezifische Fachwissen und Erfahrung (geschulte, erfahrene Installateure).
  • Auch Bohrfirmen und Installationsbetriebe führen nach Zertifizierung Gütesiegel (siehe rechter Rand)
  • Einbau von Wärmemengen- und Elektrozählern zur Effizienzkontrolle
  • Rechtzeitig evtl. erforderliche Genehmigungen / Gutachten einholen (Erdsonde, Grundwasser)
  • Im konkreten Fall ist immer ein Kompromiss zu finden der sich aus den örtlichen Gegebenheiten (mögliche Wärmequellen, vorhandene Heizanlage, thermische Gebäudequalität), Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen und  anderen Aspekten wie Unabhängigkeit von Energiepreisen und ökologischen Gesichtspunkten ergibt.

Kombination von Wärmepumpen mit Solaranlagen, Effizienzsteigerung

Eine Kombination von Solaranlage und Wärmepumpe kann zur erheblichen Verbesserung der JAZ der WP führen und auch die von der Solaranlage gelieferte Energie effektiver nutzen. Dies setzt allerdings eine gut abgestimmte und geregelte (eine gemeinsame Regelung) Anlage voraus.

Generell werden derzeit folgende Konfigurationen angeboten:

  • Solare Unterstützung bei WW-Bereitung (Entlastung der WP bei hohen Temperatur, alle Typen)
  • Erdreichregenerierung bei Sole-WP (Pufferung überschüssiger Solarenergie im Erdreich)
  • Anhebung der Quellentemperatur mit sonst nicht nutzbarer Solarwärme (Sole- und Luft-WP)

Verwendung der solarenergie

WP

Wasser

WP Erdreich

Flächenkollektor.

WP

Luft

Thermische Solaranlage

Direkte Solare WW / Hzg. Unterstützung

Verbesserung des Wirkungsgrades der WP durch Senkung des Temperaturniveaus, insbesondere durch solare WW-Bereitung.

 

Direkte Erdreich-regeneration durch Einspeisung überschüssiger Solarwärme

 

  • Indirekte Erhöhung der Quellentemperatur
  • Verringerung der Erdkollektorgröße
  • Vereisungsschutz des Erdkollektors

 

Überhitzungsschutz für Solarkollektor

Erhöhung der Quelltemperatur durch Einspeisung solarer Wärme in WP-Quellkreislauf

 

Nutzung von Solarerträgen niedriger Temperatur zur Temperaturanhebung im Quellkreislauf -> Anhebung JAZ

 

Höhere Erträge für Solaranlage

Weitere Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung der Wärmepumpe oder der Gesamtanlage sind durch folgende moderne Techniken möglich:

  • Direktverdampfung: Entfall des Wärmetauschers auf der Quellseite. Bei Luft/Wasser-WP schon weit verbreitet, bei Ersonden mit sog. CO2 Sonde (CO2 als Kältemittel), bei Sole/Wasser WP mit Propan als Kältemittel (Erfordert bei der Verlegung und Fertigung des Kollektors besondere Sorgfalt !!)
  • Drehzahlregelung: Drehzahlregelung des Kompressors abhängig von der benötigten Temperatur

Elektroanschluss der Wärmepumpe

Die Wärmepumpe benötigt elektrische Energie zum Antrieb von Kompressor Pumpen Lüfter und Regelung, evtl. auch Zusatzheizstab.

  • Spezielle Wärmestrom Tarife:
    • Tag/Nachttarif (HT/NT), getrennte Messung mit Sperrzeiten
      • Diese Tarife benötigen spezielle Zähler / Schaltuhr.
      • Abhängig von den Sperrzeiten ist größere Dimensionierung der WP erforderlich (bis zu 20%) u.U. ist auch ein Pufferspeicher erforderlich. 
  • Normaler Haushaltsstrom, Preise oft abhängig von Jahresverbrauch
  • Ökostrom: macht die Wärmepumpe ökologisch unschlagbar
  • Beispiel: EON-Bayern
    • Tarif:  HT Montag bis Freitag 6 bis 22 Uhr; Samstag bis 13 Uhr:   HT = 15,8 Cent, NT = 12,0 Cent (Grundgebühr 7,00) Getrennte Messung
    • Maximal 4 mal 1 Stunde Sperrzeit, zeitlich variabel, Freigabezeit zwischen 2 Sperrungen ist nicht kürzer als die vorangegangene Sperrzeit.
  • Auch die Stadtwerke München bieten einen Wärmepumpentarif an

Kosten

Kostenübersicht ( Anhaltswerte für EFH EnEV-Standard)

Luft/Wasser

Erde/Wasser

Wasser/Wasser

  • Wärmepumpe: 10.000 bis 12.000 €
  • Wärmequellenerschließung: 250 bis 500€
  • WW-Speicher / Puffer: 700 bis 1.500€
  • Wärmepumpe: 8.500 bis 11.500 €
  • Wärmequellenerschließung:
  • Erdsonde: 6.000 bis 8.000€  oder 60 bis 80€ pro m Bohrtiefe(Erdsonde)
  • Flächenkollektor: 2.000 bis 4.000€
  • WW-Speicher / Puffer: 700 bis 1.500€
  • Wärmepumpe: 9.000 bis 12.000 €
  • Wärmequellenerschließung: 4.000 bis 7.000€ oder 180 bis 250€ pro m
  • WW-Speicher / Puffer: 700 bis 1.500€

Andere grobe Richtwerte: Wärmepumpe ~1.000€ pro kW Nennleistung

Wirtschaftlichkeitsrechnung (Beispiel)

 Für eine DHH Baujahr 1955 (Nutzfläche 200m2) mit neuer Anlagentechnik (Niedertemperatur Kessel Baujahr 2001 für Hzg. und WW mit normalen Heizkörpern) wird in einer Beispielrechnung der Einsatz verschiedener  alternativer Wärmepumpen-Konfigurationen gezeigt. Vor dem Einbau der Wärmepumpe wurde der Energiebedarf des Gebäudes durch Dämmmaßnahmen (Aussenwände, Dach, Fenstertausch) in etwa halbiert, hierdurch sind nur noch Vorlauftemperaturen < 55oC erforderlich. Es werden drei Wärmepumpenkonfigurationen (für Heizung+Warmwasser) betrachtet:

  • Monovalent Luft/Wasser
  • Monovalent Boden/Wasser Horizontal Kollektor
  • Monovalent Wasser/Wasser

Kostenbasis Strom: Grundpreis 7,00€ pro Monat, Tagstrom 13,2 Cent/kWh, Nachtstrom 9,4 Cent pro kWh, Sperrzeit max 4 Std. pro Tag (EON Powertherm)

Ölpreis: 80 Cent pro Liter

Gebäudedaten

 

Heizenergie Bedarf [kWh/a]

WW Energie Bedarf [kWh/a]

Hilfsenergie (Strom) [kWh/a]

Verbrauch [Liter Öl/a]

Heizleistung [kW]

Energiekosten gesamt [€/a]

CO2 Ausstoß [kg/a]

Zustand vor Dämmung

26.301,06

4.804,30

647,61

2.630+490 (Hzg+WW)

15,6

2.573,91

10.333,8

Zustand nach Dämmung

14.470,20

4.939,87

551,38

1.477+490

9,5

1.654,81

6.565,0

Mit monovalenter Luft/Wasser WP

4.301,20

1.356,80

354,89

 

10,4*

749,75

4.069,8

Mit monovalenter Erde/Wasser WP

3.710,30

1.170,40

354,89

 

10,4

663,68

3.575,9

Mit monovalenter Wasser/Wasser WP

3.160,63

997,01

354,89

 

10,4

583,63

3.082,1

Monovalent Luft/Wasser

Monovalent Sole/Wasser Horizontal-Kollektor

Monovalent Wasser/Wasser

Nennleistung 0/35  22 kW

Bivalenzpunkt  n.a.

Auswahl Leistung bei -16/55: 10.4 kW

Arbeitszahl 3,2 incl. aller Hilfsenergien

JAZ nach VDI 4650: 3,64 **

Nennleistung 0/35  14,7 kW

Bivalenzpunkt  n.a

Auswahl Leistung bei -2/55: 10,4 kW

Arbeitszahl 3,7 incl. aller Hilfsenergien

JAZ nach VDI 4650: 4,26

Nennleistung 0/35  13,4kW

Bivalenzpunkt n.a.)

Auswahl Leistung bei 10/55: 10,4 kW

Arbeitszahl 4,3 incl. aller Hilfsenergien

JAZ nach VDI 4650: 4,79

* Es wurde die in der Leistung nächst höhere WP gewählt

** Die Jahresarbeitszahl nach VDI 4650 ist ausschlaggebend für die Förderungsfähigkeit der WP. Alle hier verwendeten WP übertreffen die Förderschwelle siehe auch: Förderungen

Durchschnittliche monatliche Lufttemperatur

WP-Boden-Horiz

Monatlicher Wärmebedarf des Beispielgebäudes

  • Investitionskosten
  • Förderbetrag
  • Enegieersparnis p.a.
  • Statische Amortisation

17.400,00€

1.500,00

905,06€

17,57 Jahre

  • Investitionskosten
  • Förderbetrag
  • Enegieersparnis p.a.
  • Statische Amortisation

12.000,00€

3.000,00

991,13€

9,08 Jahre

  • Investitionskosten
  • Förderbetrag
  • Enegieersparnis p.a.
  • Statische Amortisation

16.000,00€

3.000,00

1.071,18€

12,14 Jahre

  • Mit allen 3 Wärmepumpen lassen sich Energiekosteneinsparungen von 55% bis 65% erreichen.
  • Alle Varianten tragen zum Klimaschutz bei (CO2 Reduzierung um 38% bis 53%)
  • Alle 3 Varianten haben befriedigende bis gute Amortisationszeiten (Statische Amortisation: Kapitalzinssatz = Energiepreissteigerung). Das “schlechte” Abschneiden der Luft WP liegt am hohen Preis der Wärmepumpe (Hochtemperatur-WP mit spezieller Technik und ca. 50% höherer Leistung erforderlich) und der geringeren Förderung. Im konkreten Fall ist bei Einsatz einer Luft-WP eine bivalente / monoenergetische Betriebsweise mit zu betrachten; auch der Einsatz einer speziellen Abluftwärmepumpe für die WW-Bereitung kann sinnvoll sein.
  • Der Einsatz einer WP in der Sanierung kann zu erfreulichen Nebeneffekten führen: Frei werdender Lagerraum für Energie, Schornstein wird nicht mehr benötigt, Kaminfeger entfällt möglicherweise, geringer Wartungsaufwand.

Im Rahmen einer Energieberatung untersuchen wir, ob und unter welchen Umständen für Ihr Gebäude der Einsatz einer Wärmepumpe als Quelle erneuerbarer Energie in Betracht kommt. Eine tiefer gehende Vorplanung wird durch eine Wärmepumpensimulation erreicht  s. U.

Wärmepumpensimulation

Die Installation einer Wärmepumpe ist immer eine größere Investition. Daher ist grundsätzlich vorab eine Simulation zu empfehlen um die grundsätzliche Machbarkeit und die Wirtschaftlichkeit im gesteckten Rahmen zu verifizieren. Dieses gilt insbesondere im Bestand. Hier sollte der Wärmepumpen Einsatz am besten im Rahmen einer Energieberatung  geprüft werden, da mit der Energieberatung auch der bauliche Zustand ausreichend ermittelt wird und Maßnahmen zum “Fit machen für die Wärmepumpe” erarbeitet werden können. Auch sollte eine Nachrechnung der Heizungsanlage für den renovierten Gebäudezustand erfolgen um die Machbarkeit/Wirtschaftlichkeit zu bestätigen (siehe Heizungsoptimierung, Hydraulischer Abgleich).

  • Wir bieten die Wärmepumpensimulation als Ergänzung gemeinsam mit einer Energieberatung, oder anschließend an eine Energieberatung an.
  • Auch eine separate Begutachtung und Simulation sind möglich.

Rechtlicher Hinweis: Alle Angaben sind ausschließlich unverbindliche Richtwerte. Die exakte Dimensionierung, Kosten und  Erträge für ein konkretes Bauvorhaben können nur von einem qualifizierten Fachbetrieb unter Berücksichtigung der Bausubstanz und der Gegebenheiten vor Ort ermittelt werden. Hier gezeigte Kennlinien, Grafiken und Tabellen dienen der  Erläuterung von qualitativen Sachverhalten. Sie sollten nicht als Basis konkreter Bewertungen oder Planungen dienen..

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