Viele Hausbesitzer suchen (nicht nur) in Zeiten explodierender Energiepreise nach Alternativen zu Öl und Gas. Politische Krisen, Umweltkatastrophen, der stark steigende Energiebedarf heranwachsender Industrieländer, Spekulanten etc. werden die Preise bald wieder bzw. weiter steigen lassen. Hinzu kommen Verunsicherungen bei der Gasversorgung mit Blick auf Preiserhöhungen und Lieferprobleme. Berücksichtigt man zudem die knapper werdenden Erdölreserven – Prognosen sprechen von nur noch 40 Jahren – erkennt man sofort den Handlungsbedarf. Eine sinnvolle Alternative ist dabei zweifellos die Wärmepumpe.
Lange Lebensdauer
Wärmepumpen sind hinsichtlich der Lebensdauer mit jedem anderen Heizsystem vergleichbar. Viele Anlagen laufen schon seit über 25 Jahren im störungsfreien Dauerbetrieb – und das extrem zuverlässig und nahezu wartungsfrei. Der Einsatz von Niedertemperatur- oder Fußbodenheizung ist in Verbindung mit Wärmepumpen empfehlenswert. Aber selbst beim Einsatz von konventionellen Heizflächen sind Wärmepumpen ein überzeugendes System in Bezug auf Heizkosten und Umweltbelastungen.
Bei der Sanierung stehen Luft/Wasser-Wärmepumpen in der Gunst der Hausbesitzer ganz oben an. Hier findet der Austausch oft aus ökologischen Gründen, immer häufiger auch aus Kostengründen von einem herkömmlichen Energieträger zu einer Wärmepumpe statt. Meist ist die „Einwechslung“ einer Wärmepumpe problemlos möglich. In vielen Fällen kann sogar das vorhandene Wärmeverteilsystem unverändert weiter genutzt werden, insbesondere dann, wenn der Wärmebedarf des Gebäudes im Laufe der Jahre durch nachträglich durchgeführte Dämmmaßnahmen reduziert wurde.
Aber nicht nur zum Heizen und zur Warmwasserbereitung sind Wärmepumpen gut, auch das kostengünstige Kühlen macht die Geräte für Bauherren und Modernisierer immer interessanter.
Umweltrelevanz im Vergleich
Der Primärenergievergleich zwischen Wärmepumpen und öl- oder gasbefeuerten Heizungen ergibt sich aus dem Wirkungsgrad der Stromerzeugung und der Arbeitszahl der Wärmepumpe im Vergleich zum Energieinhalt des Brennstoffs und dem Wirkungsgrad des Wärmeerzeugers. Bild 1 stellt diesen Vergleich für deutsche Verhältnisse dar.
Der für den Antrieb der Wärmepumpe erforderliche Strom wird bereits bei Jahresarbeitszahlen von ca. 2,8 hinsichtlich Primärenergieaufwand optimal eingesetzt. Aktuelle Verbesserungen in der Stromerzeugung durch Wirkungsgradsteigerungen der Kraftwerke und der verstärkte Einsatz von regenerativen Stromerzeugungsanlagen wirken sich direkt positiv auf die Primärenergiebilanz einer Wärmepumpe und damit auf die Umweltbilanz aus. Die Verbesserungen wirken sich auch nachhaltig bei bestehenden Wärmepumpen aus.
Bedingungen am Einsatzort
Die Effizienz von Wärmepumpen ist maßgeblich von der im Heizsystem erforderlichen Heizsystemtemperatur abhängig und die wiederum vom Heizbedarf und den installierten Heizflächen. Idealerweise arbeiten Wärmepumpen mit niedrigen Systemtemperaturen von 35 °C, wie sie z.B. bei Fußbodenheizungen verwendet werden. Aber auch mit höheren Temperaturen von bis zu 55 °C können Wärmepumpen sinnvoll eingesetzt werden. Daneben beeinflussen der Standort und die Qualität des Heizungssystems die Jahresarbeitszahl.
Die in Bild 2 dargestellten Jahresarbeitszahlen von Wärmepumpen, die Luft oder Erdreich als Wärmequelle nutzen, zeigen dies deutlich. Berechnungsverfahren zur Bestimmung der Jahresarbeitszahlen für deutsche Verhältnisse sind in der DIN 4701 Teil 10 [2] oder in der VDI 4650 Teil 1 [3] beschrieben.
Einfluss von Wärmedämmung
Die Systemtemperatur des Heizsystems wird bei der Installation der Heizungsanlage festgelegt und danach werden die Heizkörper ausgelegt. Ändert sich der Wärmebedarf, ändert sich auch die Systemtemperatur. Nachträgliche Wärmeschutzmaßnahmen wie Isolierverglasung, Wärmedämmung der Fassade, der Kellerdecke und des Dachs sowie der Einsatz von kontrollierten Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung reduzieren den Wärmebedarf des Gebäudes deutlich. Dies führt gleichzeitig dazu, dass dann bei gleichen Heizkörpern eine niedrigere Systemtemperatur erforderlich ist.
Die Tabelle zeigt den Einfluss von Wärmedämmmaßnahmen ausgehend von einem Gebäude mit einem Wärmebedarf von 150 W/m² und einer Standarddimensionierung 70/55 (70 °C Vorlauftemperatur, 55 °C Rücklauftemperatur) auf die erforderliche Systemtemperatur. In den 70er- und 80er-Jahren wurden standardmäßig Heizsysteme mit 70 °C im Vorlauf und 55 °C im Rücklauf eingesetzt, die häufig bereits überdimensioniert eingesetzt wurden, weil die Heizkörper an die Fensterbreite angepasst wurden. Durch moderne Heizkörper kann bei gleichem Platzbedarf rund 50 % mehr Übertragungsfläche erzielt werden. Ausgehend von 70 °C im Vorlauf ist dabei z.B. eine Reduzierung um rund 10 °C auf eine maximale Vorlauftemperatur von 60 °C möglich (Bild 3).
Heizflächen vergrößern
Bei Gebäuden der 90er-Jahre bis heute wurden ebenfalls häufig 70/55-Grad-Systeme verbaut. Diese Gebäude haben in der Regel einen vergleichsweise guten Wärmestandard, sodass keine Sanierung der Wärmedämmung geplant ist. Hier ist in der Regel beim Einsatz einer Wärmepumpe eine Heizflächenvergrößerung erforderlich. Alternativ kann der Einsatz einer zentralen Wohnungslüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung eine deutliche Reduzierung der Heizlast und maximalen Vorlauftemperatur bewirken, da in gut gedämmten Häusern die Lüftungswärmeverluste mehr als die Hälfte der Heizlast ausmachen. Bei eingebauter Niedertemperatur-Brennwertheizung mit 55/45-System ist der Betrieb einer Wärmepumpe ebenfalls möglich.
Flächenheizungen sind uneingeschränkt nutzbar, wenn das gesamte Gebäude über dieses System beheizt wird. Bei Mischinstallationen ist die höchste maximale Vorlauftemperatur für das gesamte System maßgeblich.
Eignen sich die Heizflächen?
Um den Einsatz der bestehenden Heizflächen für den Wärmepumpenbetrieb zu prüfen, bietet sich das Formblatt „Grundlagen Raumliste: Heizflächenprüfung; Heizflächenauslegung“ des Bundesverbandes Wärmepumpe (BWP) [4] an. Für jeden Raum ist anhand der Fläche, des Typs und der entsprechenden Umrechnungstabellen die Heizleistung des Heizkörpers zu bestimmen. Umgerechnet auf die gewünschte Systemtemperatur und verglichen mit der Raumheizlast, muss jeder Raum geprüft werden. Oftmals kann durch den Austausch einiger weniger Heizkörper bereits eine für die Wärmepumpe gut nutzbare Systemtemperatur erreicht werden.
Umrechnungstabellen der Wärmeleistung und maximalen Vorlauftemperaturen werden für Heizkörper von deren Herstellern zur Verfügung gestellt.
Max. Systemtemperatur ermitteln
Zentraler Aspekt für den Einsatz von Wärmepumpen ist die maximale Systemtemperatur des Heizsystems. Von ihr hängen die Effizienz und damit die Energiekosten ab. Die Absenkung der Systemtemperatur je Kelvin erhöht die Effizienz um 1,5 bis 2,5 %. Die maximale Vorlauftemperatur von Wärmepumpen ist je nach Kältekreislauf auf 55 bis 65 °C begrenzt.
Die maximale Systemtemperatur von Heizungen ist in der Regel nicht bekannt, da entweder detaillierte Unterlagen fehlen oder Sanierungsmaßnahmen an der Gebäudehülle durchgeführt wurden. Die maximale Vorlauftemperatur lässt sich praktisch oder theoretisch ermitteln.
In der Praxis kann der Wert bei korrekter Einstellung aus der Regelung entnommen werden. Häufig sind die Heizkurven jedoch zu hoch eingestellt und die gewünschte Raumtemperatur wird über ein Thermostatventil geregelt. Um im praktischen Betrieb die maximale Vorlauftemperatur zu ermitteln, stellt man zum einen eine niedrige maximale Vorlauftemperatur der Heizkurve in der Regelung ein. Gleichzeitig erhöht man die Heizkurve über die Heizperiode so lange, bis die gewünschte Raumtemperatur erreicht wird. Der Thermostat im Führungsraum, häufig das Wohnzimmer, ist dabei auf den höchsten Wert einzustellen. Diese Vorgehensweise erfordert jedoch einen hohen Zeitaufwand und eine gute Kenntnis der Heizkurve. Zudem kann damit eine Optimierung der Heizflächen einzelner Räume nicht erfolgen. Maximale Vorlauftemperaturen oberhalb von 55 °C sind in jedem Fall schädlich (Bild 4).
Bei der theoretischen Bestimmung liegt Idealerweise eine Heizlastberechnung nach DIN 4701 oder DIN EN 12831 vor, in der die Heizlast je Raum aufgeführt ist. Für jeden Raum sind die Wärmeleistungen der Heizkörper zu ermitteln.
Wärmequelle und Aufstellort
Bei der Auswahl der Wärmequelle für die Wärmepumpe sind häufig die Bedingungen vor Ort entscheidend. Bei einem Neubauvorhaben ist der Garten normalerweise noch nicht angelegt und eine bauliche Maßnahme deshalb meist problemlos möglich. Anders ist es bei bestehenden Gebäuden. Hier wurde oft jahrelange Arbeit in die Gartenanlage investiert, sodass ein Erdwärmekollektor, eine Erdwärmesonde oder eine Brunnenanlage nicht zumutbar sind. Bei günstigen Bedingungen ist die Bohrung einer Erdsonde in der Garagenauffahrt mit vertretbarem Aufwand möglich. Voraussetzungen dafür: Die Soleleitungen vom Aufstellort der Wärmepumpe zur Garagenauffahrt lassen sich problemlos verlegen. Außerdem darf die Gebäudeheizlast nur so hoch sein, dass sich die dafür erforderlichen Sonden in der Garagenauffahrt unterbringen lassen (Faustformel: Die Gebäudeheizlast dividiert durch 7 kW entspricht der erforderlichen Anzahl Sonden).
Luft/Wasser-Wärmepumpen hingegen können mit wenig Aufwand sowohl im Hausinneren oder auch im Freien aufgestellt werden. Bei innen aufgestellten Luft/Wasser-Wärmepumpen wird über zwei Luftkanäle oder -schläuche die Außenluft zu- und abgeführt. Bei außen aufgestellten Wärmepumpen sind der Heizungsvor- und -rücklauf, ein Kondensatablauf sowie die elektrischen Verbindungsleitungen über einen schmalen Graben ins Haus zu führen.
Wärmepumpenleistung festlegen
Die Dimensionierung der Wärmepumpenleistung wird kalkuliert auf Basis der Heizlast für das Gebäude nach DIN EN 12831 sowie dem Zuschlag zur Warmwasserbereitung mit 0,2 kW pro Person und dem Sperrzeitfaktor f = 1,2 für die unterbrechbare Stromversorgung (Hinweis: Detaillierte Ausführungen zur Auslegung von Luft/Wasser-Wärmepumpen können den Planungsunterlagen der Wärmepumpen-Hersteller entnommen werden).
Überschlägig kann die Heizlast ΦHL für das Gebäude und die Warmwasserbereitung anhand des bisherigen Ölverbrauchs bzw. Gasverbrauchs wie folgt berechnet werden:
Alte Ölheizung behalten?
Bei der Sanierung von Ölheizungen wird oft noch die alte Ölheizung als zweiter Wärmeerzeuger genutzt, da der alte Ölkessel danach keiner Abgasuntersuchungspflicht unterliegt oder der Öltank noch gut gefüllt ist. Die bivalente Betriebsweise ist jedoch nur in wenigen Fällen eine wirtschaftlich sinnvolle Lösung, wenn z.B. eine nachträgliche Sanierung geplant ist. In diesem Fall sollte die Wärmepumpe an die korrekte Leistung der zukünftigen Heizlast des Gebäudes angepasst werden. Nach der Sanierung sollte die Ölheizung deinstalliert und durch eine Elektro-Zusatzheizung ersetzt werden. In anderen Fällen spricht neben dem unnötigen Platzbedarf die Wirtschaftlichkeit gegen den Verbleib des Ölbrenners in der Anlage. Auch wenn die Kosten zur Emissionsmessung entfallen, bleiben die Kosten für das Fegen des Schornsteins mit rund 60 € und Kosten für Wartung sowie den Austausch bei Defekt des Brenners. Allein die laufenden Kosten für Wartung und Fegen des Schornsteins überschreiten schon deutlich die Energiekosten, die der Heizstab an Stromkosten verursacht.
Monoenergetische Betriebsweise
Luft/Wasser-Wärmepumpen werden üblicherweise in der monoenergetischen Betriebsweise angewendet. Dabei wird das Heizsystem durch zwei Wärmeerzeuger versorgt, die beide die gleiche Energieart verwenden (z.B. Strom). Ab einer bestimmten Außentemperatur (z.B. –5 °C), bis zu der die Wärmepumpe die Heizlast gerade noch allein decken kann, schaltet sich im Bedarfsfall bei tieferen Außentemperaturen die Zusatzheizung ein. Beide Wärmeerzeuger arbeiten dann parallel. Diese Betriebsart ist geeignet für alle NT-Heizungen bis zur maximalen Vorlauftemperatur der Wärmepumpe.
Auslegungstipps
Bei der Auslegung wird die Gebäudeheizlast nach EN 12831 in das Leistungsdiagramm der Luft/Wasser-Wärmepumpe eingezeichnet und mit einer Linie auf den Nullpunkt bei einer Außentemperatur von 15 °C (Heizgrenztemperatur) verbunden. Dies stellt die vereinfachte Gebäude-Heizlastkurve dar, die die Heizleistungskurven der Wärmepumpen schneidet. Der Schnittpunkt (Bivalenzpunkt) sollte zwischen –3 °C und –7 °C liegen, damit die elektrische Zusatzheizung maximal 5 % des Gesamt-Wärmebedarfs decken muss. Bild 5 zeigt ein Beispiel, bei dem die Gebäude-Heizlastkurve die Leistungskurven der WP 3 bei 5° C, der WP 2 bei –2 °C und der WP 1 bei +2 °C schneidet.
Energie- und Betriebskosten
Die Energie- und Betriebskosten von Wärmepumpen sind bei richtiger Auslegung besonders niedrig. Energieversorgungsunternehmen (EVU) bieten spezielle Wärmepumpentarife an, weil sie sich in Spitzenlastzeiten der Stromerzeugung eine Abschaltung von maximal drei mal zwei Stunden pro Tag vorbehalten. Insbesondere die relativ stabilen Strompreise, die seit ca. 30 Jahren annähernd mit der Inflation angestiegen sind, ermöglichen eine zuverlässige Energiekostenprognose. Auch die sonstigen Betriebskosten reduzieren sich auf einen festen Messpreis für den Stromzähler von ca. 60 € pro Jahr.
Die Wartung beschränkt sich bei Luft/Wasser-Wärmepumpen auf die Reinigung der Luftzu- und -abfuhr der Kanäle sowie auf die Reinigung des Kondensatablaufs.
Die gesamten Energie- und Betriebskosten von Luft/Wasser-Wärmepumpen liegen durchschnittlich bei 70 bis 80 Euro je kW Gebäudeheizlast.
Durch überdimensionierte Heizkörper und durchgeführte Wärmeschutzmaßnahmen ist der Einsatz mit Heizsystemtemperaturen von max. 55 °C in der Regel möglich oder durch einfache Maßnahmen leicht zu erreichen. Für die Sanierung der Heizung bietet sich insbesondere die Luft/Wasser-Wärmepumpe an, da die nachträgliche Installation einfach möglich ist. Der niedrige Strombedarf von Wärmepumpen führt zu niedrigen Energiekosten und zur nachhaltigen Einsparung von Primärenergie und CO2-Emissionen.
Literatur
[1] Informationsblatt Nr. 19: BDH, BGW, DVGW, Figawa, IWO, ZVSHK und ZVEI; März 2004
[2] DIN 4701 Teil 10; 2004
[3] VDI 4650 Teil 1; Berechnung von Wärmepumpen; Kurzverfahren zur Berechnung der Jahresaufwandszahlen von Wärmepumpenanlagen; Elektro-Wärmepumpen zur Raumheizung, Januar 2003
[4] IWP Information Wärmepumpentechnik: Wärmepumpen für die Modernisierung älterer Heizsysteme
[5] Brugmann, J.: Luft/Wasser-Wärmepumpen für Altbauten, VDI-Tage der Gebäudetechnik, 31.1.–1.2.2006, Leonberg
Weitere Informationen
Unser Autor Dr. Johannes Brugmann ist Leiter des Bereichs „Erneuerbare Energien“ sowie u.a. zuständig für Entwicklung und Fertigung von Wärmepumpen bei Stiebel Eltron, 37603 Holzminden, Tel. (01803) 702003, https://www.stiebel-eltron.de/de/home.html
