Die Wärmepumpe

Inhalt

Schont Klima und Umwelt? Gibt es sinnvolle Einsätze? Die Jahresarbeitszahl (JAZ) selber bestimmen Feldtests betätigen: JAZ = 3 wird selten erreicht :-( Warum sind Wärmepumpen so sparsam? Die Praxis in einem realen Beispiel 100% Öko Infos für Leute, die tiefer einsteigen wollen

30 bis 100% Stromheizung sind möglich!

Schont Klima und Umwelt?

Aus gutem Grund werden elektrische Kompressionswärmepumpen (WP) nicht gefördert, wenn man sie in den Programmen zur Nutzung 'erneuerbarer' Energien suchen sollte.
Sie beziehen Ihre Energie aus der Steckdose und bei der Herstellung des Stroms in Wärmekraftwerken gehen naturgemäß etwa die Hälfte bis 2/3 der eingesetzten Brennstoffenergie verloren (Grund ist der Carnot-Prozess). Nur 12% in dem europäischen Strommix werden nicht durch Kohle- oder Kernkraftwerke erzeugt. Wegen der Kraftwerksverluste ist die Kilowattstunde Strom deshalb auch etwa 5 mal teuer als die Kilowattstunde Gas oder Öl. Eine Wärmepumpe müsste also a prori immer mit einer besseren Leistungszahl als 3 laufen, um schon dem Argument zu entgehen, sie sei eine subventionierte Stromheizung:
      Da jetzt endlich die Öffentlichkeit begriffen hat, dass der Strom-Wärmemarkt mit Nachtspeicherheizungen und Elektro-Bodendirektheizungen eine ökologisch Ressourcenverschwendung sind, kam den 4 deutschen Stromerzeugerriesen die Elektro-Wärmepumpe gerade recht, um die Absatzlücke der abgebauten Nachtspeicher zu füllen. Jetzt verkaufen Sie ihren Strom zur Wärmeerzeugung eben an die Wäremepumper, egal wie gut die wirklich arbeiten...
 

Das Umweltbundesamt meint, die 'Elektro-Wärmepumpe sei mit einem Rucksack an Umweltschäden beladen' Die Verbraucherzentrale Saarland spricht sogar von einem Klimakiller im Schafspelz. Die Stiftung Warentest schreibt in Heft 6/07: 'Auf dem eigenen Grundstück verursacht die Wärmepumpe zwar keinerlei Abgase, doch ein fairer Vergleich mit anderen Heizsystemen muss berücksichtigen, was bei der Stromerzeugung passiert.' Der BUND spricht von einer verkappten Kohleheizung und hat dazu detaillierte korrekte Informationen zusammengestellt. Marco Nani (Leiter Wärmepumpentestzentrum in CH-Buch) in einem Kommentar in der Energiedepesche 2/08: 'In Untersuchungen in der Schweiz hat man erkannt, dass die Jahresarbeitszahlen verschiedener WP-Anlagen sehr große Streuungen aufweisen, und dies nicht nur in Sanierungsprojekten, sondern auch im Neubaubereich. Die teilsweise schlechten Betriebsbedingungen für Wärmepumpen konnten oft auf Fehlplanungen und /oder auf installionstechnische Mängel zurückgeführt werden.'

Stimmt das? Diese kleine Einführung soll immer wieder gestellte Fragen klären. Gleichzeitig erklärt es die Entäuschung durch hohen Stromkosten vieler Verbraucher, die durch den WP-Einbau eine Kostenreduzierung erwartet haben.

Aus der Werbung:

Gibt es sinnvolle Einsätze?

Klar, für die Hersteller gibt es nur sinnvolle Einsätze ihrer Maschinen - die wollen verkaufen :-) Dazu werden sogenannte Leistungszahlen herausgegeben, die zeigen, wievielfach der Wärmegegewinn im Verhältnis zur reingesteckten elektrischen Energie ist. Da ist in Prospekten von Faktoren bis zu 5 die Rede (die auf dem Prüfstand erreicht werden), die aber im realen Betrieb stark nach unten abweichen. Das sind in der Praxis dann nur noch 75...60% davon.   Bei Heizkesseln ist genau das selbe der Fall: Auf dem Prüfstand nur 8% Verlust (Norm-Nutzungsgrad), im realen Betrieb dann aber doch 25...50% Verlust. Es kommt eben darauf an, wie genau man die Prüfstandsbedingungen einhält! Bei der Solarthermie (ST) nichts anderes: Je höher man die in eine Übertemperatur zu Umgebung kommen lässt, desto unwirtschaftlicher arbeiten sie (Besonders Flachkollektoren). Womit wir genau beim sinnvollen Einsatz der Wärmepumpe sind: kleine Temperaturdifferenzen!

Leistungszahl in Abhängigkeit der Temperaturdifferenz zwischen Verdampfer und Verflüssiger. [Quelle: BINE]

Im obenstehenden Diagramm können wir sofort die 'guten' Anwendungen sehen: Wenn wir die Temperaturerhöhung auf 25 K begrenzen, erreichen wir die Leistungszahl 6!
 
Sinnvoll: Ja
In diesen Fällen müssen Sie eine Jahresarbeitsszahl (JAZ) erreichen, die mindestens 3, besser aber 3,5 ist. Das geht mit:

• hochwarmegedämmtem Haus und:
• Boden- oder Wandheizung,
• kalten Rücklauftemperaturen
• außentemperaturgeführter Rücklaufregelung.
• Einer warmen Primärwärmequelle: grundwasserumströmter Wärmetauscher, Fluss oder See
• Heizungsunterstützung mit Solarthermie
• Trinkwasserwärmung mit Solarthermie

• alte Heizkörperheizungen (zu hohe Temperatur)
• Trinkwasserwärmung (zu hohe Temperatur)
  (Spar-Tipp: Es gibt ganz billige Elektroheizpatronen, die nur ein Hundertstel einer WW-Wärmepumpe kosten: Der Elektro-Heizeinsatz. :-)

• verboten: die Luft-Wärmepumpe (zu kaltes Primärmedium, wenn man damit heizen will, besonders in Verbindung mit Trinkwasserwärmung.) Die Luftwärmepumpe ist z.B wegen ihrer elektrisch beheizten Abtauung nur sinnvoll bei Außentemperaturen größer als etwa +5 °C - doch bei 12...15°C ist schon Ihre Heizgrenze...

Die Jahresarbeitszahl (JAZ) selber bestimmen

Wenn Sie die 2 wesentlichen Zähler besitzen, nämlich einen eigenen Stromzähler vor der Wärmepumpe, ihren Hilfspumpen und einen Wärmezähler pro Heizkreis, können Sie den Jahreswirkungsgrad (Leistungszahl, JAZ) ihrer Anlage einfach und genau bestimmen.
Mehr Infos finden Sie dazu unter Verluste und Optimierung.

• Dazu müssen Sie eventuell einen Wärmemengenzähler pro Heizkreis einbauen, aber das lohnt sich: Sie wissen, wo es lang geht.
• Führen Sie Buch über die Zählerstände der Wärmemengenzähler und über den Stromzähler der Wärmepumpe. Nachhalten kann man das gut mit eine Kalkulationsprogramm.
• Teilen Sie nach einem Jahr Output durch Input, also die Summe der abgenommenen Wärmeenergieen durch die gelieferte Energiemenge für die Wärmepumpe.
  (Sollten Sie nach einem Jahr unter dem Wert 3,3 liegen: ärgern Sie sich nicht, Sie sind in guter Gesellschaft. Auch andere sind schon auf nicht eingehaltene Versprechen reingefallen. Immerhin - erinnern Sie sich, dass Sie subventionierten Strom verbraucht haben. Das ist etwas billiger, aber ein reiner Elektroheizstab wäre noch billiger gewesen.) :-/

1. Besser angepasste Erzeugerleistung. Grund hier...
2. Pufferspeicher vermindert Takten.
3. Dauerhaft niedrigere Temperaturen in der Verteilung.
4. Bessere Regelung als die alte mit Visualisierung einbauen! (Das ist immer so, wenn die Regelung älter als 10 Jahre ist.)

Feldtests betätigen: JAZ = 3 wird selten erreicht :-(

Die Lokale Agenda 21 - Gruppe Energie Lahr im Schwarzwald untersucht mit der Ortenauer Energieagentur in Offenbach die Nutzungsgrade von 33 Wärmepumpenanlagen. Im Test sind 13 LuftWPs, 13 Erdreich-WPs und 7 Grundwasser-WPs. Die folgenden Zahlen sind bisher herausgekommen:
 
Von Seiten der Stromanbieter sind die Geräte bereits

• 'energeieffizient', wenn sie eine JAZ über 3 erreichen! und
• 'nennenswert energieffizient', wenn sie JAZ-Werte über 3,5 erreichen.
• Das Werbeziel ist JAZ = 4!

1. Beheizungsart
• Radiatoren verbrauchen wegen des höheren Temperaturniveaus 28% mehr WP-Strom in der Heizperiode.
• Radiatoren verbrauchen 23% mehr im Vergleich zu Flächenheizungen.
2. Außenluft-WP
• Radiatoren: JAZ-Mittel = 2,3 - Streuung zwischen 1,4 und 2,8.
• Flächenheizungen: JAZ-Mittel = 2,83 - Streuung zwischen 2,2 und 3,3.
3. Grundwasser-WP
• Radiatoren; JAZ-Mittel = 3,4 - Streuung ??.
• Flächenheizungen: JAZ-Mittel = 3,0 - Streuung zwischen 1,9 und 4,2.
4. Erdreich-WP
• Radiatoren; JAZ-Mittel = 3,3 - Streuung zwischen 2,9 und 3,7.
• Flächenheizungen: JAZ-Mittel = 3,4 - Streuung zwischen 1,9 und 4,2.

• 300W Abluft-WP (aus Küche, Bad, Heizraum) JAZ-Mittel = 2,3
• 300W Kellerluft-WP JAZ-Mittel = 1,4 - Streuung zwischen 1,2 und 2,5.

• Wenn die Luft-Pumpen von den Stromerzeugern nicht so gepusht würde, wäre es sogar Energieverschwendung, sich über deren JAZ zu unterhalten.
• Die Ölindustrie haut mit dem IWO munter in die selbe Kerbe: Unerwartet hohe Energiekosten.
• Hier ist die Website, die unabhängig und neutral über in der Praxis erzielte Wirkungsgrade informiert. Ebenso grafisch top - da sage selbst ich: Alle Achtung, Herr Wenzel!

Forschungsergebnisse

1. 'Die niedrigere JAZ im Sommer erklärt sich aus dem relativ höheren Anteil der TrinkWarmWasser-Bereitung'
   Also: Mit der richtigen Solarthermie wird die Wärmepumpe (im Verbrauch) billiger und besser! Die Verbesserung der JAZ wird folgerichtig noch viel billiger mit einem reinen Elektroheizstab erzielt.
2. 'Der Aufbau des hydraulischen Systems ist von größter Bedeutung für die JAZ!'
   Einfache Systeme sind besser als komplizierte Systeme.
   Verboten sind:
   • Einsatz von Mischern, die teuer erzeugte Temperaturen wieder vernichten.
   • Puffer, die ohne Thermosiphon angeschlossen werden und die für ihr Funktion nicht eindeutig hydraulisch bedient werden.
   • Die Verwendung ungeeigneter Puffer, wo der hohe Volumenstrom der WP die Schichtung zerstört.
   • Immer komplexer werdenden Regelstrategien bei einer wachsenden Anzahl Komponenten.

hier

Warum sind Wärmepumpen so sparsam?

1. Weil sie unterdimensioniert werden müssen...
2. Weil sie keine 'normale' Heizungsregelung haben...

Wärmepumpenregler sind also Rücklauf-außentemperaturgeführte Regler.

Rückblick: Ein Rücklauf-Regler wurde schon 1901 von Hermann Ritschel in seiner ersten Heizanlage in Berlin eingesetzt. Weil man allerdings bei den hohen Systemtemperaturen damals die Folgen fehlerhafter Hyraulik noch nicht erkennen konnte, setze sich die einfachste Form des Vorlauf-außentemperaturgeführte Reglers (in Form des Kessel-Temperaturreglers) durch, der eine (sägezahnartige) quasi-konstante Vorlauftemperatur anbot. Die Folge waren ein Jahrhundert lang eine gigantische Energieverschwendungen durch die permanente Kessel-Vorratswärme.

Die Praxis (der Unterdimensionierung) in einem realen Beispiel

Luft-Wasser Wärmepumpe ein einem sanierten Altbau
Der sanierte Altbau wurde nach CO2-Gebäudesanierungsprogramm umgebaut, wegen Denkmalschutz nur teilweise gut gedämmt und mit einer 11kW-Außenluft-Wärmepumpe versehen. Als Wärmeabnehmer wurde teilweise Fußbodenheizung eingebaut. Heizkörper dort, wo die Bausubstanz Bodenheizung nicht zuließ.
Die Bewohner klagten über hohe Stromrechnungen bei zu kalter Wohnung. Der berechnete Wärmebedarf des umgebauten Häuschens betrug 9,5kW - das passte also auf den 1. Blick. Beim zweiten Hinsehen stellt man fest: Ein Wärmepumpe liefert dann billige Wärme, wenn man sie nicht benötigt.
 

Heizleistung in kW über der Außentemperatur. [Quelle: Firmenunterlagen]

Schwarz ist die Leistungsabgabe der Luft-WP. Die beiden Linien sind 2 mögliche Rücklauftemperaturen aus den Verbrauchern.   Der Wärmebedarf des Hauses ist rot eingezeichnet: - Auf der Horizontalen schneidet die rote Linie die Außentemperatur bei 18°C: die Heizgrenze. - Wegen der Auslegungstemperatur -12°C schneidet die rote Linie die 10kW etwa bei der Außentemperatur -12°C.

Was passiert ...

...von +18° bis -4°?

Die WP erzeugt Wärme, bis sie nicht mehr kann. Das sieht man nämlich, wenn die rote Linie die schwarze WP-Leistungslinie schneidet...

...von -4° bis -12°?

Jetzt sinkt die Leistung der Wärmepumpe, der Wärmebedarf des Hauses steigt aber weiter. In diesem Fall werden am Punkt -12°C nur noch 6kW von der Wärmepumpe erbracht und die restlichen 4 kW über den Elektroheizstab im Pufferspeicher. Zwischendurch muss der Luftkollektor abgetaut werden, was wieder Zeit und etwas von der bisher erzeugte Wärme kostet. So sinkt der COP auf unter 1. Alles Öko, oder was? Das ganze Dreieck oberhalb der Doppellinie muss von einer Zusatzheizung erbracht werden. Ökologisch wäre 2010 nur ein Holzofen. Wenn in späteren Jahren die elektrische Heizleistung mehrheitlich vom Wind erzeugt wird, sieht deas anders aus. PV durch Sonne kommt in solchen Fällen (abends) nicht in Frage.

...unterhalb +10°C?

Unterhalb etwa dieser Temperatur ist schon der Öko-Kippunkt, auch Bivalenzpunkt genannt:

Leistungszahlenverlauf der Wärmepumpe. [Quelle: Firmenunterlagen]

Auf den dritten Blick offenbart sich der Schwindel...   Die beiden schwarzen Linien sind 2 mögliche Rücklauftemperaturen aus den Verbrauchern. Hier sieht man auch sofort, wie sich der hier nicht durchgeführte hydraulische Abgleich bemerkbar macht: Erhöhung der Rücklauftemperatur = Verschlechterung der Leistungszahl = mehr Stromkosten!       Die grüne Grenze liegt bei eta = 3,3. Hier drunter arbeitet die Luft-Pumpe als teuerer Elektroheizstab, weil zu wenig Umweltwärme aus der jetzt zu kalten Luft gewonnen werden kann.

• Über +10° Außentemperatur ist diese Wärmepumpe ein Gewinn für den Nutzer.
• Unter +10° kann die Wärmepumpe die Verluste der Strom-Erzeugung nicht mehr kompensieren.
• Unter -4°C Ta muss hier zusätzlich (elektrisch) nachgeheizt werden. (Natürlich mit subventioniertem Strom.)
• Das Verkaufsargument 'ökologisch' ist nur wahr bis zu einer Außentemperatur von >6°C. (Wahrheit hängt eben auch von der Temperatur ab :-)
• Nur Flächenheizungen sind für Wärmepumpen wirklich geeignet: die 'Lokale Agenda 21' hat festgestellt, dass Heizkörper an der Wärmepumpe 23% mehr Energie benötigen als Flächenheizungen. (Das zur Altbausanierung!)
• Nur in besseren Niedrigenergiehäusern ist der Wärmepumpenbetrieb bezahlbar.

• zur Regelung: Keine Nachtabsenkung! Schon garnicht bei trägen Bodenheizungen! Gleichmäßiges Durchheizen ist besonders bei Luftpumpen sparsamer, weil diese zum Aufheizen morgens einen erhöhten Energiebedarf haben. Morgens ist die Luft nachweislich immer am kältesten.
• zur Hydraulik: Meiden Sie die Einzelraumregelung wie die Pest, denn Sie werden sonst nie erkennen, ob ihre Einstellungen sparsam sind. weiter...
• zur Dimensionierung...

100% Öko

Man kann, wenn man's hat...
Man kann Wärmepumpen als echte ökologische Verstärker betreiben: Sie haben in Ihren Bachlauf ein Laufwasserkraftwerk und nehmen den Strom und die Wassertemperatur, um Ihre Wärmepumpe zu versorgen. Diese beheizt Ihre Boden- oder Wandheizung. Die wasserführenden Rohre der Heizung sind sehr eng gelegt, damit die Wärmepumpe nur eine geringe Übertemperatur erzeugen muss.
      Selbstverständlich haben Sie Ihr Haus auch so gut gedämmt, dass es zumindest nahe an den Passivhausstandard kommt. Ihr Warmwasser erzeugen Sie mit Solarkollektoren.... Vorzüglich! Der Wermutstropfen: Das Kleingeld und das eigene Landgut. :-(
 

In dem schönen Artikel 'Energiewende? Exergiewende!' von Norbert Rost und Kristof Neminis erschien in Telepolis am 28.03.2013 u.a. das:   'Erdöl in Hausheizungen zu verwenden, ist beim Stand der Dinge deshalb Verschwendung. Mit Erdöl ließen sich sehr hohe Temperaturen herstellen oder es könnte, eingesetzt in Verbrennungsmotoren, mechanische Energie bereitstellen, sogar um Flugzeuge anzutreiben.' ... 'Technische Entwicklungen für Niedrigenergiehäuser gibt es am Markt, als Beispiel für eine gelungene Integration sei die alte Spreemühle in Fürstenwalde genannt, die trotz Denkmalschutz ohne Dämmung geheizt wird, indem eine Wärmepumpe das auch im Winter mindestens 4°C warme Spreewasser nutzt und die Wärme im Haus über Kapillar-Flächenheizungen verteilt, die in den Raumdecken verbaut sind. Die Temperatur in diesen Flächenheizungen übersteigt selten 30 °C und der Heizeffekt kommt über die Strahlungswärme zustande. Für solch niedrige Temperaturen knappe und wertvolle fossile Brennstoffe einzusetzen wäre Verschwendung, trotzdem wird es weiterhin selbst in Neubauten getan.'

• Matthias Brake: Heizen mit Solarstrom? Rückkehr der Stromheizung - Sündenfall oder logische Folge des Preisverfalls?

Infos für Leute, die tiefer einsteigen wollen

1. Einzelraumregelung und Wärmepumpe
2. Wie Solarthermie den Wärmepumpen beim Sparen hilft
3. Lokale Agenda 21; Empfehlungen aus dem WP-Test
4. Wikipedia: Grundlagen zum Verständnis der Funktion von Wärmepumpen
5. Wikipedia: Wärmepumpenheizung
6. Energiedepesche - Wärmepumpen
7. Telepolis: Wärmepumpe - nicht immer gut zur Umwelt
8. BDH-Infoblatt #25: Planungshinweise für Wärmepumpen.
9. BINE Kurzinfo
10. Österreichische Energieagentur: Wärmepumpen und Öl-/Gasheizungen im Vergleich
11. Ökonomische und ökologische Bewertung vom Institut für Energiewirtschaft der Uni Stuttgart
12. Wissenschaftlich von der Uni Wolfenbüttel