Mit Wärmepumpen effizient heizen - Die Technologie punktet mit niedrigen Betriebskosten und erfüllt die Anforderungen der EnEV

Auf dem Heizungsmarkt haben sich elektrische Wärmepumpen als feste Größe etabliert. Etwa 30 % der Neubauten werden heute mit einer Wärmepumpe beheizt. Sorgfältig geplant, können Wärmepumpenanlagen ökonomisch sehr gut gegenüber anderen Heizsystemen BESTEHEN. Auch in der ökologischen Bilanz sind Wärmepumpen konkurrenzfähig. Die Position verbessert sich stetig mit dem wachsenden Anteil Erneuerbarer Energien bei der Stromversorgung. Also alles im grünen Bereich?

  • Bereits ein Drittel aller Bauherren von Ein- und Zweifamilienhäusern entscheiden sich für eine Wärmepumpe. Bild: Wolf

  • Erdwärmebohrung bei einem Bestandsgebäude. Bild: BWP

  • Schematische Darstellung der Funktionsweise einer Wärmepumpe. Bild: BWP

    Markt der Wärmepumpen. Bild: BWP

Seit Mai 2014 gilt die neue EnEV und sie brachte entscheidende Veränderungen mit sich. Die eigentlichen Verschärfungen greifen jedoch erst seit Beginn dieses Jahres. Nun gelten strengere Anforderungen an den Primärenergiebedarf von Neubauten. Die Verschärfung stellt Fachhandwerker, Architekten und Energieberater sowie Kunden vor eine anspruchsvolle Planungsaufgabe, denn die fossile Standardlösung genügt dann erstmals nicht mehr. Um 25% reduziert sich der erlaubte Primärenergiebedarf der Gebäude gegenüber der Situation 2014. Einzelne oder mehrere Maßnahmen werden damit notwendig, beispielsweise extreme Dämmung, die Installation von Wohnungslüftung und Wärmerückgewinnung und solare Heizungsunterstützung. Die Vorgaben als alleinige Technologie ohne zusätzliche Dämmmaßnahmen erfülle eine Wärmepumpe, so der Bundesverband Wärmepumpe (BWP). Grund dafür sei u.a. der zunehmend regenerative Strom, den sie nutzt, um Umweltwärme in angenehme Raumwärme zu verwandeln.
Auch wird die Verpflichtung der Ökodesign-Richtlinie, alle Wärmeerzeuger mit einem Energielabel auszustatten, dazu führen, dass der Anteil der Wärmepumpensysteme im Neubau weiter zunimmt. Eine wichtige Neuerung ist auch der geänderte Energieausweis. Bei diesem wurden Energieeffizienzklassen für Gebäude auf Endenergiebasis eingeführt. Weil Wärmepumpen einen hohen Anteil an Umweltwärme nutzen, erreichen Gebäude mit diesen Systemen die besten Klassen – in Neubauten A und A+. Keine andere Technologie schaffe dies, ohne zusätzliche Maßnahmen, so der BWP. Vor allem für die Versorgung mit Wärme und Kälte in Niedrigenergie- und Passivhäusern mit Niedertemperaturheizsystemen – und hier insbesondere bei der Klimatisierung und Belüftung (d.h. Heizung im Winter und Kühlung im Sommer) – ist diese Technologie technisch und wirtschaftlich bestens geeignet und kann als ausgereift angesehen werden, stellt der Statusreport „Regenerative Energien in Deutschland 2015“ des VDI fest. Auch seien derartige Systeme vergleichsweise kostengünstig. Daher konnten sie in diesem Bereich in den letzten Jahren Marktanteile auf Kosten der anderen Heiz- und Klimatechnologien hinzugewinnen. Dennoch werde das große technische Potenzial dieser effizienten Möglichkeit einer Wärmebereitstellung und Klimatisierung bei Weitem nicht ausgeschöpft.

Ganzheitliche Betrachtung notwendig
Indirekt werden mit der EnEV 2014 regenerative Energien und deren Nutzung stärker gefördert, urteilt auch der Bauherrenschutzbund. Die Weiterentwicklung der Anlagentechnik zur Nutzung EE, insbesondere der lokalen Speichermöglichkeiten, gewännen dabei sicher zukünftig an Bedeutung. Da der Primärenergiefaktor von Strom deutlich abgesenkt wurde, seien Wärmepumpen rein rechnerisch noch besser als zuvor energetisch bewertet, so die Verbraucherschutzorganisation. Sie rückten damit bei Gebäuden „von der Stange“ stärker als bisher in den Blickpunkt, um die höheren Anforderungen zu erfüllen.
Der Verband weist aber auch darauf hin: „Nicht jede Wärmepumpe passt zum Grundstück und zum Haus. Auch die Leistungsdaten verschiedener Hersteller und Modelle können stark variieren. Jedes Vorhaben ist daher ganz individuell zu betrachten.“ Zu berücksichtigen sind die Grundstückssituation, die Lage des Gebäudes sowie die Wünsche und Bedürfnisse des Bauherrn, welche Architekten, Energieexperten und Handwerker in einer ganzheitlichen Planung zusammenführen. Denn qualifizierte Anbieter gäben dem Auftraggeber immer die Möglichkeit, seine Vorstellungen in das energetische Gesamtkonzept des Hauses einzubringen.
Wärmepumpen eignen sich aber nicht nur für den Neubau, sondern auch für Bestandsbauten, wenn bestimmte Kriterien erfüllt sind. „Ob Wärmepumpen für den Altbau geeignet sind, lässt sich nicht pauschal beantworten“, sagt Karl-Heinz Stawiarski vom BWP. Dies haben Heizungsinstallateure und Energieberater immer individuell zu prüfen. Ein wichtiger Aspekt bei dieser Analyse sei z.B. die Qualität der Gebäudehülle. Es stelle sich die Frage, wie viel Energie durch das Dach, durch Wände, Fenster und Türen verloren gehe. Entweicht sehr viel Heiz­energie nach draußen, lassen sich Wärmepumpen mitunter nicht mehr effizient genug betreiben. Es sei aber ein Vorurteil, dass Wärmepumpen in Bestandsbauten nur dann sinnvoll sind, wenn das Haus sehr gut gedämmt und mit einer Flächenheizung ausgestattet ist, sagt Wärmepumpenexperte Sven Kersten von der EnergieAgentur Nordrhein-Westfalen. In älteren Häusern könnten bivalente Systeme eine Überlegung wert sein, insbesondere, wenn der vorhandene Kessel noch nicht veraltet ist. „Durch geschickte Regelung der Anlage kann die Wärmepumpe dann stets im hocheffizienten Bereich arbeiten, während der Gas- oder Ölkessel nur dann anspringt, wenn die Wärmepumpe aufgrund niedriger Quellentemperaturen punktuell weniger wirtschaftlich arbeitet“, sagt auch Stawiarski. 
Fällt die Entscheidung pro Wärmepumpe aus, haben Sanierer von Altbauten meist die Wahl zwischen einer Luft/Wasser- oder einer Sole/Wasser-Wärmepumpe. Eine Sole/Wasser-Wärmepumpe verfügt wegen der konstanten Temperaturen im Erdbereich über eine hohe Effizienz. „Manchmal gibt es aber Erschließungsprobleme“, sagt Matthias Wagnitz vom Zentralverband Sanitär, Heizung, Klima in Potsdam. Bei sehr enger Bebauung beispielsweise fehle es an Flächen und Zugängen für den Einbau der notwendigen Kollektoren oder Erdsonden. Manche Hausbesitzer möchten auch den angelegten Garten für die notwendige Technik nicht wieder aufreißen. Eine Alternative mit geringerem Erschließungsaufwand sind Luft/Wasser-Wärmepumpen. „Deren Effizienz hat in den vergangenen Jahren gegenüber erdgekoppelten Anlagen deutlich aufgeholt“, sagt Marek Miara vom Fraunhofer ISE. Er rate Käufern zwar, auf eine hohe Leistungszahl (COP) zu achten, doch entscheide letztlich vor allem die Güte der Installation über die Effizienz der Gesamtanlage. „Seit 2005 beobachten wir im Rahmen unserer Langzeittests, dass eine korrekte Planung und Installation sowie der ordnungsgemäße Betrieb von Wärmepumpenanlagen ein enormes Optimierungspotenzial haben.“

Performance bei Wärmepumpen
Ganz gleich also, ob es sich um einen Neubau oder eine Modernisierung handelt: Die ökonomischen und ökologischen Vorteile einer Wärmeerzeugung mit Wärmepumpe gegenüber Anlagen mit fossilen Brennstoffen kommen nur dann zum Tragen, wenn die Anlagen sorgfältig geplant, installiert und anschließend auch richtig betrieben werden. So kamen etliche Studien immer wieder zu dem Schluss, dass bezüglich der Gesamteffizienz von Heizungsanlagen mit Wärmepumpen als Wärmeerzeuger noch reichlich Luft nach oben vorhanden sei.
Zunächst, die Effizienz der Wärmepumpe ist stärker von den Einsatzbedingungen abhängig, als dies bei anderen Heizsystemen der Fall ist. Die JAZ, als ein Maß der Energieeffizienz, kann daher von Objekt zu Objekt erheblich schwanken. Forschungsinstitute, Hersteller und Betreiber vermessen die Effizienz von Wärmepumpen im realen Betrieb. Obwohl die gleichen Kenngrößen verwendet werden, können die Ergebnisse jedoch nur bedingt miteinander verglichen werden, denn die Bilanzgrenzen und Auswertungsmethoden unterschieden sich oftmals sehr.
Zur Bewertung der Effizienz einer Wärmepumpe, also zur Angabe des Verhältnisses von Nutzen und Aufwand, sind Leis­tungszahl und Arbeitszahl entscheidende Kenngrößen. Die Leistungszahl, auch coefficient of performance (COP) genannt, wird im stationären Betrieb ermittelt, also unter konstanten Bedingungen. Sie gibt das Verhältnis der abgegebenen Wärmeleistung zur aufgenommen elektrischen Leistung wieder. Die Arbeitszahl beschreibt das Verhältnis der über einen längeren Zeitraum, z.B. von einem Jahr, abgegebenen thermischen Energie zur aufgenommenen elektrischen Energie. Die Leistungszahlen werden auf Prüfständen bei definierten Randbedingungen ermittelt. So wird als Nenn-Normbetriebspunkt für Sole/Wasser-Wärmepumpen der Betriebspunkt B0/W35 gemäß EN14511 verwendet. Dies bezeichnete den Betrieb bei einer Soletemperatur von 0°C/-3°C (Eintritt/Austritt) und einer Heizkreistemperatur von 35°C/30°C (Austritt/Eintritt). Bei Berechnung der Leistungszahl wird dabei neben der aufgenommenen elektrischen Leis­tung des Verdichters auch der anteilige Bezug der Quellenpumpe sowie der Heizkreispumpe berücksichtigt, die zur Überwindung des Druckverlustes erforderlich sind. Grundsätzlich kann die Leistungszahl einer Wärmepumpe bei beliebigen möglichen stationären Randbedingungen ermittelt werden. Da die Leis­tungszahl stark von den Betriebsbedingungen, insbesondere den Temperaturen abhängt, ist sie jedoch immer nur unter Nennung der Randbedingungen anzugeben und zu beachten.
Jüngste Ergebnisse von Feldtests belegen, dass bei Neubauten mit einer Sole/Wasser-Wärmepumpe eine durchschnittliche Jahresarbeitszahl von 4,3 und bei bestehenden Gebäuden von 3,9 erreicht werden. Luft/Wasser-Wärmepumpen werden dort eingesetzt, wo oberflächennahe Geothermie nicht erschlossen werden kann. In Feldtests erreichen sie Jahresarbeitszahlen von 3,2 im Neubau und 3,0 im Bestand. Im Gebäudebestand können sie meist auch flexibler im Vergleich zur erdgekoppelten Wärmepumpe genutzt werden. Hinzu kommt, dass die Investitionen im Vergleich geringer sind.
Zusätzlich kann die Effizienz der Luft/Wasser-Wärmepumpen durch optimierte Ventilatoren und Wärmeübertrager, drehzahlgeregelte Kompressoren und die Ausführung als Split-Gerät (getrennte Installation der Wärmepumpe und Wärmeübertrager) gesteigert werden. Dies hat dazu geführt, dass die Marktanteile der Luft/Wasser-Wärmepumpen zulasten der erdgekoppelten Wärmepumpen immer mehr zugenommen haben. Aber auch mangelhafte und ungenügende Qualität bei der Planung und Errichtung erdgekoppelter Wärmequellenanlagen haben die Technologie ungerechtfertigt in Misskredit gebracht.
Eine Wärmepumpe ist umso sparsamer und effizienter, je geringer die Differenz zwischen der Temperatur des genutzten Umweltmediums (Luft, Wasser oder Boden) und der erforderlichen Vorlauftemperatur des Heizkreislaufes ist. Das bedeutet in der Praxis: Je niedriger die Vorlauftemperatur ist, desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe. Miara rät deshalb bei Bestandsbauten nur dann zu einer Installation einer Wärmepumpe, wenn laut Berechnung eine Vorlauftemperatur von 50 bis 55°C nicht überschritten wird. Anzustreben seien Vorlauftemperaturen von 35 bis 45°C. Vorlauftemperaturen lassen sich durch eine nachträgliche Dämmung des Gebäudes oder eine Vergrößerung der Heizflächen senken.

Effizienz versus Effektivität
Bei der Bewertung von Wärmepumpen steht die Arbeitszahl meist im Mittelpunkt. Ob aber dieser Kennwert immer die richtige Größe zur Beurteilung von Wärmepumpenanlagen ist, kann kritisch hinterfragt werden. Denn die Effizienz der Wärmebereitstellung sagt nichts darüber aus, ob die Wärme zweckmäßig bereitgestellt wurde. Auch nicht, wie viel elektrische Energie dazu bezogen wurde. Die Effektivität dagegen erfasst die Einsparung der Heiz- und Primärenergie. So kann z.B. eine effiziente Wärmepumpe in einem unter energetischen Gesichtspunkten weniger effektiven Gesamtsystem arbeiten, während ein effektives Gesamtsystem auch mit einer Wärmepumpe mit einer geringeren Effizienz bestehen kann.
Relevant ist diese Betrachtung auch bei der Bewertung von Wärmepumpensystemen in zunehmend immer energieeffizienteren Neubauten, die über Flächenheizungssysteme wie Fußboden- oder Wandheizungen verfügen. Der große Unterschied der Wärmesenkentemperaturen im Heizungs- und Warmwasserbetrieb der Wärmepumpe führt dazu, dass sich das Verhältnis zwischen dem Heizenergie- und Warmwasserbedarf zunehmend in der Effizienz der Wärmepumpe niederschlägt. Eine Wärmepumpe im Passivhaus arbeitet fast die Hälfte ihrer Betriebszeit im Warmwasserbetrieb, also einem Betriebspunkt, der nur eine geringe Effizienz zulässt. Dies wirkt sich negativ auf die JAZ aus. Der Bedarf an elektrischer Energie des Wärmepumpensystems ist aber geringer als bei einem vergleichbaren Gebäude mit demselben System aber geringer Dämmung.

Effizienz steigern, richtig planen und installieren
Wie schon zuvor festgestellt, ist die Effizienz der Wärmepumpe umso höher, je kleiner der Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle und Wärmesenke ist. Dies konnte das Fraunhofer ISE in breit angelegten Monitoringprojekten zur Untersuchung der Effizienz von elektrischen Wärmepumpensystemen zur Raumheizung und Warmwasserbereitung im Alt- und Neubau zeigen.
Dabei ermittelten die Fachleute nicht nur die im realen Betrieb erreichte Effizienz, sondern analysierten auch die Betriebsbedingungen und das Systemverhalten.
Es zeigte sich, dass eine Vielzahl von Faktoren existiert, die Einfluss auf die Betriebstemperaturen haben. Sowohl der Einsatzbereich der Wärmepumpe als auch Planung, Ausführung und Betrieb der Anlagen sind dabei von Bedeutung. So bringt der Einsatzbereich der Wärmepumpe gewisse Grenzen hinsichtlich der Wahl der Wärmepumpentechnologie mit sich. Zudem sind Randbedingungen und Grenzen hinsichtlich der Senktemperaturen gegeben. Es bestehen z.B. relevante Unterschiede zwischen der Anwendung im unsanierten Altbau und der im Neubau. Im Neubau mit Fußbodenheizung differiert der Heizungsbetrieb wiederum wesentlich vom Betrieb zur Brauchwassererwärmung. Ein Planer bestimmt mit der Auswahl und Dimensionierung des Heizungssystems – in dem Rahmen, den der Heizwärmebedarf und die räumlichen Gegebenheiten bieten – die erforderlichen Heizkreistemperaturen. Eine sorgfältige Installation, die fachmännische Inbetriebnahme und ein kontrollierter Betrieb tragen also dazu bei, die geplanten Betriebstemperaturen einzuhalten, bzw. den ggf. abweichenden realen Anforderungen anzupassen.
Verschiedene Fehler können z.B. auftreten. Eine nicht angepasste Heizkurve kann dazu führen, dass die Anlage mit höheren Heizkreistemperaturen betrieben wird als erforderlich. Oder  ungünstig positionierte Speicher-Temperatursensoren können eine fehlerhafte Speicherbeladung zur Folge haben. Die Wärmepumpe erzeugt dann mehr Energie auf dem hohen Trinkwassertemperaturniveau als notwendig. Nicht vollständig schließende 3-Wege-Ventile und fehlende Rückschlagklappen verursachen u.a. eine unerwünschte Entladung des Trinkwasserspeichers.
Der Handlungsbedarf hinsichtlich der korrekten Planung von Wärmepumpenanlagen wurde aufgegriffen. Unter der Führung der VDI-Gesellschaft Energie und Umwelt arbeitete eine Gruppe von Fachleuten aus Industrie und Lehre unter Leitung von Dr.-Ing. Peter Göricke an einer VDI-Richtlinie, die alle relevanten Schritte bei der Planung und Installation einer Heizungsanlage mit einer Wärmepumpe als Wärmeerzeuger betrachtet (VDI 4645). Die Richtlinie behandelt den gesamten Planungsprozess, angefangen bei den notwendigen Voruntersuchungen und erforderlichen Genehmigungen, über alle Schritte einer Grundlagenermittlung und Detailplanung bis hin zur Inbetriebnahme und Unterweisung des Nutzers. Besonderen Raum nehmen die Hinweise zum Zusammenspiel aller Komponenten der Gesamtanlage mit einer Wärmepumpe als Wärmeerzeuger ein. Im Anhang finden sich außerdem zahlreiche Checklisten, Auslegungshinweise mit Beispielen und Vorschläge zur Anlagenoptimierung, Ablaufdiagramme zu den Planungsschritten, hydraulischen Schaltungen und Beispielrechnungen. 

Ein Plus mit Sonnenenergie
In vielen Fällen können Wärmepumpensysteme gut mit thermischen Solaranlagen kombiniert werden. Die zusätzliche Nutzung der Sonnenenergie erlaubt eine weitere Steigerung der Effizienz von Wärmepumpen von bis zu 15%. Eine Wärmepumpe lässt sich zum einen konventionell einbinden. Dabei belädt die Solaranlage einen Trinkwasserspeicher, der, wann immer erforderlich, zusätzlich auch von der Wärmepumpe erwärmt wird. Die Raumheizung übernimmt ausschließlich die Wärmepumpe. Wichtig ist bei dieser Anlagenkonfiguration, dass die Wärmepumpenregelung der solaren Wärmeerzeugung Vorrang gibt. Die Effizienzverbesserung hängt aber von vielen Parametern ab, z.B. der solaren Einstrahlung und der Dimensionierung.
Ein anderer Ansatz ist die Einbindung der solarthermischen Anlage auf der Quellenseite der Wärmepumpe. Hier dient die solare Wärme als alleinige oder zusätzliche Wärmequelle für die Wärmepumpe. Dabei gibt es Anlagenkonzepte, die sich nur geringfügig, aber mitunter auch grundlegend unterscheiden. Zentrale Unterschiede bestehen dabei hinsichtlich der folgenden Aspekte: Wärmequelle (Art und Dimensionierung der Wärmequellen), Wärmespeicher (Einbindung eines Speichers auf Wärmequellenseite), Speichertyp, Kollektortyp (Temperaturniveau der Solaranlage) und Einbindung (Einbindung in Quellenseite oder zusätzlich auch in Senkseite).

Fazit und Ausblick
Um eine hohe energetische Effizienz zur erreichen, sind JAZ von mindestens über 3 anzustreben. Dies sollte mit modernen Systemen und einer Anlagenauslegung nach guter fachlicher Praxis im Allgemeinen gut zu erreichen sein. Das schont zu einem hohen Grad die Ressourcen und mindert somit die Treibhausgase. Insbesondere für die Nutzung der oberflächennahen Geothermie sind in den letzten Jahren Normen und Richtlinien erarbeitet worden (VDI 4640, VDI 4645, VDI 4650 usw.), die dazu beitragen sollen, dass diese Varianten der Nutzung der Umweltwärme sicherer, effizienter und umweltfreundlicher umgesetzt werden können. Diese positive Entwicklung muss auch im Hinblick auf eine weitere Effizienzsteigerung derartiger Systeme fortgeführt werden, konstatiert der Statusreport Regenerative Energien in Deutschland 2015.
Wesentlich für die weitere Entwicklung der Nutzung der oberflächennahen Geothermie sei auch die Sicherstellung der notwendigen Qualitätsstandards, insbesondere bei der bohrtechnischen Erschließung. Die Verfasser des Reports fordern dazu außerdem, dass Bauherren und Planern bundesweit die notwendigen ortsspezifischen Informationen über den Untergrund verfügbar gemacht werden müssen, um die Einsatzrisiken zu verringern sowie die Akzeptanz zu erhöhen. Damit würde der Bau von Heizungs- und Klimatisierungssystemen auf der Basis von Wärmepumpen gestärkt. F&E-Anstrengungen zur weiteren Steigerung der Arbeitszahlen sollten zudem insbesondere im Hinblick auf das große Potenzial bei der  Altbausanierung verstärkt werden.

Autorin: Angela Kanders

Dateien:
Wärmepumpen_01.pdf0.9 M
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