Wärmepumpe

Inhalt

Funktionsweise
Wärmequellen
Kennzahlen
Gesamtbetrachtung
Betriebsarten
Gaswärmepumpen

Funktionsweise

Eine Wärmepumpe gleicht in der Arbeitsweise einem Kühlschrank:

• Dieser entzieht dem Innenraum Wärme um die Lebensmittel zu kühlen.
  
  
• Über die Kühlrippen wird die Wärme an den Wohnraum abgegeben.

Quelle: Wikipedia

Die Wärmepumpe kehrt das Prinzip um:

• Luft, Wasser oder Erde wird die Wärme entzogen.
  
  
• Die Kühlrippen sind das Heizsystem des Gebäudes an das die Wärme abgegeben wird.

Wärmepumpe

• In einem geschlossenen Kreislauf befindet sich das FCKW-freie Kältemittel, eine Flüssigkeit mit sehr niedrigem Siedepunkt.
  
  
• Diese wechselt im Verdampfer vom flüssigen in den gasförmigen Zustand und nimmt dabei die zugeführte Wärme auf.
  
  
• Im Verdichter wird durch Kompression das Temperaturniveau des Dampfes weiter erhöht.  Der Wärmetauscher des Verflüssigers überträgt die Wärme des Dampfes an das Heizmedium, der Dampf kondensiert. 
  
  
• Das Expansionsventilbaut den Druck weiter ab; das abgekühlte, vollständig verflüssigte Kältemittel wird dem Verdampfer zugeführt.
  
  
• Der Kreislauf beginnt von vorne.

Wärmequellen

Unterschiedliche Wärmequellen bedeuten unterschiedliche Jahresleistungszahlen.
Zudem treiben vor allem die Erschließung der Erdwärme und der Wärme im Grundwasser die Investitionskosten in die Höhe.

Erde

Erde-Wasser-Wärmepumpen nutzen das Erdreich als Wärmequelle.  

• Die Bodentemperatur ist das ganze Jahr über relativ konstant ist.
  
  
• Die Wärme wird dem Erdreich über Erdwärmesonden oder -kollektoren entzogen.

• Im Sommer kann man mit Erdwärme auch sehr effektiv passiv kühlen.
  
  
• Die Fläche darf nicht versiegelt oder überbaut werden, da der Boden die Wärme aus Sonneneinstrahlung und Regenwasser aufnehmen muss.

Wasser

• Über den Förderbrunnen wird das Wasser hochgepumpt, die Wärmepumpe entzieht ihm Wärme.
  
  
• Anschließend wird das Wasser über einen Schluckbrunnen wieder in das Grundwasser eingeleitet.

Grundwasser-Wärmepumpen können im Sommer sehr effektiv passiv kühlen.

• Die nutzbare Grundwasserschicht sollte nicht tiefer als 15 Meter liegen um die Pumpenlast der Förderpumpe noch wirtschaftlich darstellen zu können.
  
  
• Wasser-Wasser-Wärmepumpen sind genehmigungspflichtig.
  
  
• Einen Antrag hierfür können Sie bei der untersten Wasserbehörde stellen

Luft

Außenluft als Wärmequelle ist die häufigste Nutzung bei Wärmepumpen. 

• Da die Temperaturen im Winter - also zu Zeiten des größten Heizbedarfs - recht niedrig liegen, ist eine Luftwärmepumpe  weniger effizient als andere Systeme.

Kennzahlen

Leistungszahl (ε)

Diese Zahl ist das Verhältnis aus

Heizleistung (kW) 
-----------------------------------------------------------------------------------------
aufgenommene elektrische Leistung der Wärmepumpe (kW) 

als Momentaufnahme unter Laborbedingungen. 

• Die Leistungszahl ändert sich je nach Quellen- und Heizungsvorlauftemperatur ständig.
  
  
• Aktuelle Elektro-Wärmepumpen erzielen (je nach Wärmequelle) Leistungszahlen zwischen 3,5 und 5,5.
  
  
• Pro kWh Strom werden also 3,5 bis 5,5 kWh Heizwärme erzeugt.

Die Leistungszahl beinhaltet nicht die Leistung elektrischer Hilfsaggregate, die nicht unmittelbar zum Wärmepumpen-Prozess gehören (Heizungsumwälzungspumpen, Grundwasser-Förderpumpen,...).

COP

Um unterschiedliche Wärmepumpensysteme vergleichen zu können, hat sich der Begriff COP etabliert.

Der Coefficient of Performance = COP (Leistungszahl) ist das Verhältnis aus 

Heizleistung (Q_WP)
-----------------------------------------------------------------------------------------
effektiven Leistungsaufnahme der Wärmepumpe (P_el)

Die Leistungsaufnahme setzt sich aus den elektrischen Leistungsaufnahmen für den Betrieb des Verdichters, aller Steuer-, Regel- und Sicherheitseinrichtungen und der anteiligen Leistungsaufnahme der Sole- bzw. Heizungspumpe zum Transport der Sole bzw. des Heizungswassers innerhalb der Wärmepumpe (Faktor: 0,3 berücksichtigt Pumpen- / Motorwirkungsgrad) zusammen.

Leistungszahl und COP-Wert erlauben keine energetische Bewertung der Gesamtanlage.

Beispiel aus dem Datenblatt eines Herstellers 

A= Außentemperatur W= Vorlauftemperatur 

• Bei einer Außentemperatur von 7^oC und einer Vorlauftemperatur von 35^oC hat die BWL-1-08 einen COP von 4,5 und die BWL-1-10 einen von 4,4.
  
  
• Bei einer Außentemperatur von 7^oC und einer Vorlauftemperatur von 45^oC hat die BWL-1-08 einen COP von 3,7 und die BWL-1-10 einen von 3,6.

Eine niedrige Vorlauftemperatur der Wärmepumpe wirkt sich positiv auf die Wirtschaftlichkeit aus.
Wird die Vorlauftemperatur um 4K reduziert, sinkt der Energieverbrauch bis zu 10%.

Jahresarbeitszahl (ß)

Das Verhältnis zwischen

abgegebener Wärmemenge (Heizwärme)
--------------------------------------------------------------
zugeführter Energie (Antriebsenergie)

über das Jahr. Leistungsaufnahmen von Heizungsumwälzpumpen und Grundwasser- bzw. Sole-Förderpumpen sind enthalten.

Dieser Anlagennutzungsgrad eignet sich zur energetischen Bewertung der Gesamtanlage.

• Das Fraunhoferinstitut ermittelte für Luft/Wasser-Wärmepumpen im Feldtest den Wert 2,86.
  
  
• Unter Berücksichtigung einer typischen Heizperiode anhand von Gradtagszahlen ergibt sich daraus eine Jahresarbeitszahl von 2,67.

Nutzungsgrad

Die wichtigste Wärmepumpen-Kennzahl ist der Nutzungsgrad.

Er gibt an, welche Energiemenge des gesamten Potenzials des Energieträgers in einer Heizperiode genutzt wird.

Wirkungsgrad

Dieser wird nur in einem Betriebspunkt gemessen und ist in der Regel höher als der Nutzungsgrad, da er aufgrund des optimalen Betriebszustandes bestimmt wird.

Die Beurteilung einer Wärmepumpe sollte nicht alleine über den Wirkungsgrad, sondern über die Betrachtung des gesamten praxisrelevanten Betriebsbereiches und aller Wärmepumpen-Kennzahlen erfolgen.

Gesamtbetrachtung

Als Energieberater betrachte ich eine Wärmepumpe jedoch nicht isoliert, sondern beziehe die Stromerzeugung in díe Bewertung mit ein. 

Zahlen zum Faktencheck: http://www.energie-fakten.de/html/energieverluste.html

• der vorhandene Kraftwerkspark aus Kohle-, Öl- und Gaskraftwerken einen durchschnittlichen Wirkungsgrad der Energieumwandlung von 38 % auf.
  
  
• lt. Wikipedia liegt der Nettowirkungsgrad eines Atomreaktors bei ca. 35 %.
  
  
• alle Leitungsverluste zusammen addieren sich auf 4,3 %.

Die in der Grafik dargestellten Verluste sinken laufend mit der weiteren Erhöhung der Kraftwerks-Wirkungsgrade und mit dem wachsenden Anteil von Strom aus regenerativen Energien.
Der Wert wird auf einen Wert nahe der physikalisch-technischen Grenze (etwa 50 %) zurückgehen.

Hier die zu erwartende Jahresarbeitszahl aus dem Datenblatt eines Herstellers: 

Diese Angaben kommentiert der Hersteller so:
Die tatsächlich erreichte Jahresarbeitszahl hängt dabei ganz entscheidend von der Auslegung der Anlage, der Anlagenhydraulik und dem Nutzerverhalten ab!   

Umweltbundesamt "Elektrische Wärmepumpe - eine erneuerbare Energie?"

Heute werden meist elektrisch betriebene Wasser/Luft-Wärmepumpen eingesetzt.
Gesamthaft betrachtet heben diese oft nur die Erzeugungs-und Transportverluste wieder auf.

Der von Herstellern und Energieversorgern beworbene Ökologieaspekt tritt ein, wenn man möglichst zu 100% Strom aus erneuerbaren Energien nutzt.

Betriebsarten

Wärmepumpen werden nach den verschiedenen Möglichkeiten zur Betriebsweise unterschieden, die abhängig vom Anwendungsfall und den Wärmequellen sind.

monovalent

(nur Wärmepumpe)

Die Wärmepumpe deckt als einziger Wärmeerzeuger den Wärmebedarf des Gebäudes.
Der eingebaute Elektro-Heizstab ist deaktiviert.

Quelle: Wolf Heiztechnik

Diese Betriebsweise ist mit den Wärmequellen Erde und Wasser möglich, da deren Temperaturniveau quasi Außentemperatur unabhängig ist.

Monoenergetisch

(Wärmepumpe und Elektro-Heizstab)

Bei allen angebotenen Wärmepumpen ist ein Elektro-Heizstab eingebaut.
Ab dem Bivalenzpunkt wird dieser zusätzlich zur Wärmepumpe zur Unterstützung eingeschaltet.

Quelle: Wolf Heiztechnik

bivalent - alternativ

(Wärmepumpe u. zweiter Wärmeerzeuger)

Kann die Wärmepumpe die Heizlast nicht mehr alleine decken, übernimmt der zweite Wärmeerzeuger.
Dieser Betriebspunkt wird als Bivalenzpunkt und die zugehörige Außentemperatur als Bivalenztemperatur bezeichnet.

Quelle: Wolf Heiztechik

Diese Betriebsart kann bei Heizsystemen mit Vorlauftemperaturen > 60 °C eingesetzt werden.

bivalent - parallel

(Wärmepumpe u. zweiter Wärmeerzeuger)

Kann die Wärmepumpe die Heizlast nicht mehr alleine decken, geht der zweite Wärmeerzeuger zusätzlich (parallel) in Betrieb.

Quelle: Wolf Heiztechnik

Der Rücklauf der Heizung wird direkt zum Kondensator der Wärmepumpe geführt.

Modulierende Wärmepumpen

Im monovalenten und bivalenten Betrieb sind modulierende Wärmepumpen von Vorteil.

Im Ideallfall reduzuiert sich der Stromverbrauch um bis zu 20 % im Vergleich zu einer herkömmlichen Wärmepumpe.

Randbedingungen

Während ein Heizkessel eine konstante Heizleistung abgibt, ändert sich diese bei Wärmepumpen während einer Heizperiode.

• Je kälter die Wärmequellentemperatur wird, desto geringer wird die Leistung der Wärmepumpe.
  
  
• Wird die Temperatur der Wärmequelle um 1°C weniger, so reduziert sich die Leistung der Wärmepumpe um ca. 3-4%.
  
  
• Bei der Vorlauftemperatur des Heizsystems liegt dieser Einfluss bei 1..2% je Grad Temperaturänderung.
  
  
• Bei Anlagen mit Heizkörpern, die ein geringes Wärmespeichervermögen besitzen, kann dies in Kombination mit Wärmepumpen zu häufigerem Takten führen.
  
  
• Dies wird durch den Einsatz von Pufferspeichern und der Regelungstechnik weites gehend verhindert.

Deshalb

möglichst niedrige Vorlauftemperaturen (optimal Flächenheizsysteme)

• ein Pufferspeicher ist bei allen Heizungsanlagen mit Heizkörpern, Einzelraumregelung (Thermostatventile), mehreren Heizkreisen oder Luft-/Wasser-Wärmepumpen m.E. zwingend notwendig!
  
  
• Sperrzeiten des Netzbetreibers berücksichtigen

Gaswärmepumpen

Diese nutzen Gas als primäre Antriebsenergie.
Die Hersteller verfolgen zwei unterschiedliche Lösungsansätze. 

Gasabsorption

Absorptions-Wärmepumpen nutzen Gas als Antriebsenergie, arbeiten mit einer Ammoniak-Wasser-Mischung und erfahren Unterstützung vom Hilfsgas Helium.

• Ergebnis dieser Zusammenarbeit: Eine Wärmepumpe ohne bewegliche Teile, die noch effizienter arbeitet als moderne Gas-Brennwertheizungen.

Gasadsorption

Zur Adsorption werden die Eigenschaften von Zeolith, ein Mineral aus Aluminium- und Siliziumoxid genutzt.

• Zeolith kann in seine zahlreichen submikroskopischen Kanäle erhebliche Mengen Wasser „einlagern".
  
  
• Sind die Kapazitäten aufgebraucht, beginnt das Zeolith zu sieden, wodurch Energie freigesetzt wird.
  
  
• Wird das Mineral zusätzlich erhitzt, tritt das Wasser als Dampf wieder aus.

 
Quelle: Vaillant

Diese Grafik zeigt anschaulich die Unterschiede zwischen einer strom- und gasbetriebenen Wärmepumpe auf. 

Strom 

• hoher Primärenergieverbrauch
  
  
• hohe Jahresarbeitszahl

Gas 

• ca. 40% geringerer Primärenergiebedarf
  
  
• kleine Jahresarbeitszahl