Wärmepumpen - der Effizienzbringer im Haus

Stolze 70 Kilowattstunden weniger machen den Unterschied zwischen einem konventionell-fossilem Brennwertgerät und einer elektrischen Wärmepumpe im Beispiel aus. Wie dem Tausendsassa das gelingt? Lesen Sie weiter!

Diese Karriere ist beispiellos: Vom hässlichen Entlein der Branche und Schmuddelkind der Erneuerbaren etablierte sich die Wärmepumpentechnik über Nacht als stolzer Schwan unter den Erneuerbaren und Hoffnungsträger der Politik. So sollen ab dem 1. Januar 2024 beim Neueinbau oder Heizungstausch mindestens 65% Erneuerbare Energien eingekoppelt werden, um die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu vermindern. Flankiert wird diese Maßnahme durch die Ankündigung eines Aufbauprogramms für Wärmepumpen mit dem Ziel bis 2030 insgesamt 6 Millionen auf den Markt zu bringen.

Diese Erwartung an die Technik kommt nicht von ungefähr: Denn die Wärmepumpe gibt doch als einziger Wärmeerzeuger deutlich mehr als sie nimmt. Aus 20 -30% Strom mit 70 und 80 Prozent Umweltwärme gewinnt sie 100 % Heizwärme. Dazu ein Beispiel: Gelingt es, die Wärmepumpe mit einer Jahresarbeitszahl von 3,0 zu betreiben, ergeben sich je 100 Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr für Heizung und Warmwasser einen Stromeinsatz von sage und schreibe 33 Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr. Ein modernes Gasbrennwertgerät mit einem Nutzungsgrad von 97 Prozent, bringt es im Vergleich auf stolze 103 Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr beziehungsweise rund 10 Kubikmeter Gas.

Doch diese Einsparung an Endenergie längst noch nicht das Ende der Entwicklung - hier geht noch deutlich mehr. Ihr ganzes Potential würde die Wärmepumpentechnik ausspielen, wenn es gelänge, den Antriebsstrom stärker als bisher aus Erneuerbaren, also grüner zu gestalten. Zum Einsatz kämen beispielsweise Überschussstrom aus Windkraft, Photovoltaik oder aus Kraft-Wärme-Kopplung. Die Vorbereitungen dafür laufen. Als Energiegemeinschaft berichten wir darüber regelmäßig.

So funktionieren Wärmepumpen

Die Funktion von Wärmepumpen lässt sich einfach und verständlich anhand eines vierstufigen Kreislaufmodells und einem zirkulierenden Kältemittels einfach darstellen:

Stufe 1 „Verdampfung“ – Im Vergleich zu Wasser wechseln Kältemittel ihren Zustand von flüssig auf dampfförmig bei sehr niedrigen Temperaturen. Dies macht sich die Wärmepumpentechnik zu nutze. Die jeweilige Umweltwärmequelle verdampft in einem ersten Wärmetauscher ein Kältemittel. Dabei geht die Wärme der Wärmequelle auf das Kältemittel über und liegt nun als Dampf vor.

Schritt 2 „Verdichtung“ – ein elektrisch angetriebener Kompressor drückt den Kältemitteldampf nun zusammen. Dabei nehmen Druck und Temperatur weiter zu. Das ist vergleichbar mit der Arbeit einer Luftpumpe am Fahrrad. Nach wenigen Hüben ist die Pumpe am Übergang auf das Ventil und das Ventil am Rad selbst warm.

Schritt 3 „Verflüssigung“ oder Kondensation – In einem zweiten Wärmetauscher wird die Umwelt- und Antriebsenergie als Temperatur des Kältemitteldampfs an das Heizungswasser abgegeben - die Temperatur des Kältemittels sinkt, die im Heizungswasser steigt. Das Kältemittel wechselt dabei seinen Zustand und liegt nun nicht mehr dampfförmig, sondern flüssig vor.

Schritt 4. „Entspannung“ – ein spezielles Ventil baut nun noch den Restdruck im Kreislauf ab und bereitet Kältemittel auf eine erneute Wärmeaufnahme vor.

Außenluft gegen Erdreich – jeder hat seine Vorteile

Unkompliziert und weit verbreitet ist die Nutzung von der Außenluft. Dabei wird in Kauf genommen, dass mit sinkender Außentemperatur der nutzbare Wärmeinhalt zurückgeht, gleichzeitig aber die Wärmeforderung des Gebäudes ansteigt. Dieses Verhältnis kippt je nach Auslegung bei Außentemperaturen zwischen 7 und 2° Celsius (Bivalenzpunkt). Beim Erreichen ist die Außenluft nun nicht mehr in der Lage, den Wärmebedarf des Gebäudes allein zu decken. Ein zweiter Wärmeerzeuger, entweder ein konventioneller, fossiler Heizkessel oder ein Elektroheizstab springt ein und unterstützt die Wärmepumpe. Selbstverständlich passiert das vollautomatisch – Nutzer bekommen davon nichts mit.

Wärme aus dem Erdreich

Im Vergleich zur Wärmequelle Außenluft hält das Erdreich konstante Temperaturen vor. Das heißt, die Wärmequelle steht auch im Winter vollumfänglich zur Verfügung. Das kann dann schon auch einmal mit Jahresarbeitszahlen über 4 belohnt werden - im Vergleich zu Luft-Wasser-WP mit etwa 3,5.

Die Grundwassernutzung ist dabei am wenigsten verbreitet. Gründe dafür sind, dass Wasser in ausreichender Menge und Qualität zur Verfügung steht. Außerdem sollte bedacht werden, dass Brunnentiefen von mehr als 4 Meter sich nicht mehr wirtschaftlich betreiben lassen. Hintergrund ist, dass diese Systeme offen betrieben werden – das heißt, die Pumpe hebt in diesem Fall das Wasser gegen die Schwerkraft aus dem Saugbrunnen, leitet es durch die Maschine und führt es anschließend zurück in die Schluckbrunnenöffnung. Es leuchtet ein, dass dieser Pumpenbetrieb sehr schnell die Einsparung der ganzen Wärmepumpe kompensiert.

Sole-Wasser-Wärmepumpen hingegen, arbeiten in einem geschlossenen System oder einer Ringleitung. Dabei wird ein Wasser-Frostschutzgemisch entweder durch

• Kollektoren – horizontal, im frostfreien Bereich, tiefer als 1,5 m unter Erdgleiche verlegte Rohrsysteme aus Kunststoff

oder

• Erdsonden - senkrecht eingebrachte Rohrdoppelbündel, fest in Betonit vergossen

geschickt. Der Unterschied zu Brunnenanlagen ist, dass die Pumpe im geschlossenen System arbeitet und daher lediglich den Rohrreibungswiderstand überwinden muss. Darum können über Sondenanlagen auch große Tiefen erschlossen und betrieben werden.

Bei Kollektoranlagen fällt der hohe Platzbedarf auf. Um ein Kollektorfeld schon einmal ausreichend zu dimensionieren, wird schon einmal die 1,5 fache, beheizte Wohnfläche veranschlagt werden. Ist diese Fläche vorhanden, muss zudem beim Eigentümer auch noch die Bereitschaft vorhanden sein, nach Abschluss der Arbeiten den Garten neu anzulegen.

An die einstige große Nachfrage konnten Sondenanlagen bis jetzt nicht mehr anknüpfen. Zwar sind Sondenbohrungen nach etlichen, schweren Unfällen in Baden-Württemberg wieder erlaubt. Allerdings verteuern zahlreiche Auflagen als Reaktion auf die Unfälle die Erstellungskosten. Aber auch die Ämter auf den Kommunen, sind bei der Vergabe von Bohrgenehmigungen sehr vorsichtig geworden.