Wärmepumpenheizung

Wärmepumpenheizungen nutzen die Umweltwärme der umgebenden Luft oder des
Erdreiches (Geothermie), um sie mittels Wärmepumpe auf ein verwertbares
höheres Temperaturniveau anzuheben, um damit Gebäude oder andere
Einrichtungen beheizen zu können.

Allgemeines

Zur Beheizung von Gebäuden werden meist Elektro-Kompressions-Wärmepumpen
verwendet. Es finden jedoch auch Absorptions- bzw. Adsorptions-Wärmepumpen
Verwendung. Das Funktionsprinzip lässt sich gut mit einem Kühlschrank
vergleichen, der innen kühlt und außen heizt. Viele dieser Systeme können im
Umkehrbetrieb auch zur Kühlung eingesetzt werden.

Als Wärmesenke (für den Kältemittelkreislauf) werden Wärmetauscher
(Kältemittel/Heizwasser) den Heizkörpern bei 50 °C Wassertemperatur oder
Fußbodenheizungen/Wandheizungen mit 35 °C vorgeschaltet. Je niedriger die
Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle (Kompressortemp.) und Wärmesenke
(Fußbodenestrich) ist, umso effizienter kann eine Wärmepumpe arbeiten, da
die Kompressortemperatur niedriger gehalten werden kann. Eine niedere
Temperaturdifferenz setzt eine gute Außenwand- und Boden-/Deckendämmung
voraus. Ist die damit geforderte Heizleistung eines Raumes gering, kann mit
niedrigen Heizkörper-/Fußbodentemperaturen bei hohem Wirkungsgrad (ε)
geheizt werden.

Jahresarbeitszahl

Über das Jahr verteilt ändern sich die Temperaturen, unter denen die
Wärmepumpe arbeiten muss. Auch die gesamte Auslegung eines
Wärmepumpen-Heizungssystems hat Einfluss auf seine Effizienz. Außerdem
schwankt die von der Wärmepumpe abzugebende Wärmeleistung sehr stark durch
Änderung der Luft- Außentemperatur zwischen Nennleistung und Null.

Daher wird für das gesamte Wärmepumpenheizungssystem die sogenannte
Jahresarbeitszahl (JAZ) verwendet. Sie gibt das Verhältnis der über das Jahr
abgegebenen Heizenergie zur aufgenommenen elektrischen Energie an und liegt
in der Größenordnung von 3 bis 4,5.

Beispielrechnung

Heizdauer: Eine Stunde mit einer Erdwärmepumpe mit 10 kW thermischer
Heizleistung.

Bei einer Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe (Verhältnis von abgegebener
thermischer zu aufgenommener elektrischen Energie) von 4, beträgt die
Stromaufnahme für 10 kWh(therm) /4 = 2,5 kWh aus dem E-Werk.

Je nach Qualität des Brennstoffes entsprechen die oben erzeugten 10 kWh
thermischer Energie dem Heizwert von etwa einem Liter Heizöl EL (42.600
kJ/kg bzw. 10,08 kWh/Liter) oder einem Kubikmeter Erdgas, die direkt im Haus
zur Wärmegewinnung eingesetzt werden, jedoch noch unter Außerachtlassung des
Wirkungsgrades eines alten Heizkessels mit rd. 70 %, womit 30 % Konvektions-
und Abgasverluste darstellen. Selbst aktuelle Brennwertkessel, die mit
feuerungstechnischen Wirkungsgraden über 100 % werben, erreichen in der
Praxis (mit Stillstandsverlusten bei ca. 20000 Brennerstarts) meist keine 80
%.

Umweltverträglichkeit

Die Umweltverträglichkeit einer Wärmepumpenheizung hängt im Falle der
Elektro-Kompressions-Wärmepumpe von der umweltverträglichen Bereitstellung
des Stromes ab. Dieser Punkt wird deshalb in Deutschland mancherorts
diskutiert, da vielfach davon ausgegangen wird, dass zusätzlicher Strom,
durch zusätzliche Kohle- oder Atomkraftwerke erzeugt werden müsste.
Wärmepumpen sparen in der Gesamtbetrachtung jedoch Brennstoff bzw.
Primärenergie ein, da sie den Großteil Wärmeenergie vor Ort der Umgebung
(siehe Absatz Wärmequellen) entnehmen. Brennstoffe für Heizzwecke machen den
Großteil des deutschen Primärenergiebedarfs aus. Wärmepumpen bieten an
dieser Stelle Potential zur CO2-Einsparung.

Wird der Strom für die Wärmepumpe aus dem Beispiel oben in einem Kraftwerk
mit angenommenen Gesamtwirkungsgrad von 45 % produziert, so müssen im
Kraftwerk für eine Stunde privaten Wärmepumpenbetrieb 10 kWh/4 / 45 % = 5,56
kWh thermischer Energie aufgewendet werden, also nur grob die Hälfte des
Primärenergieverbrauches einer hausinternen Gas- oder Öl-Heizung aufgewendet
werden (10 kWh). Betrachtet man die Energiebilanz mit einer Ölheizung eines
Einzelgebäudes, dann muss, um „reine 10 kW“ Heizleistung zu erbringen,
100/70 % = 14,2 kWhtherm bzw. 14,2 kWh/10,08 kWh/Liter Heizöl EL ergibt
damit 1,40 Liter Öl je Heiz-Stunde.

Der Strom kann jedoch auch durch moderne Erdgas GuD-Kraftwerke mit
Wirkungsgraden bis zu 57 % erzeugt werden. In diesem Falle erhält man das
ca. 2,5-fache der Nutzwärme aus der gleichen Primärenergiemenge, wie mit der
direkten Verbrennung. Ebenso erhält man im Falle der Strom-Erzeugung in
einen Biomasse-Kraftwerk mit 35 % Wirkungsgrad immerhin das 1,5fache der
Nutzwärme aus der gleichen Menge Holz, als mit der direkten Verbrennung. Aus
Umweltgesichtspunkten ebenfalls interessant ist das Wärmeträgermedium
(Kühlmittel).

Wärmequellen

Als Wärmequelle dienen:

* Erdwärmekollektoren sind in geringer Tiefe im Erdboden verlegte
„Heizschlangen“.

* Erdwärmesonden sind Bohrungen in den Boden bis zu mehreren 100 Metern. In
der Regel werden die Bohrungen bis max. 100 Meter ausgeführt, da bei
größeren Tiefen die Genehmigung der Bergbaubehörden erforderlich ist.
Gegebenenfalls werden mehrere Bohrungen niedergebracht.

* Grundwasser wird in einem Brunnen entnommen und durch einen so genannten
Schluckbrunnen zurückgeführt.

* Luft direkt aus der Umgebung bzw. in Verbindung mit Erdwärmeübertrager.

In Deutschland rechnet man mit Temperaturen von 0 °C für Erdwärmekollektoren
bzw. Erdwärmesonden und 8 °C für Grundwasser.

Luftwärmepumpe

Der Begriff Luftwärmepumpe wird für verschiedene Systeme verwendet. Daher
wird meist noch differenzierter eingeteilt:

* Luft-Wasser-Wärmepumpe: entzieht der Umgebungsluft über einem
Wärmeübertrager Wärme und erwärmt damit Heizungswasser.

* Luft-Luft-Wärmepumpe entzieht der Luft Wärme und stellt sie einem
Luft-Heizungssystem (Lüftung) zur Verfügung. Dazu muss das Gebäude jedoch
über eine entsprechende Heizungs-/Lüftungsanlage verfügen.

Luftwärmepumpen sind preislich günstiger, weil die Komponente zur Aufnahme
der Bodenwärme (teure Erdsondenbohrung bzw. Erdwärmekollektor), in der die
Direkt- Verdampfung des umweltneutralen Kältemittels erfolgt, entfällt.
Jedoch ist bei der Anschaffung ein wichtiges Entscheidungskriterium die
aktive Fläche in m² des Verdampfers, weil damit auch die technischen Daten
(Leistungs- und Arbeitsziffer) höher liegen als solche mit kleinen
Verdampferflächen. Die Luftwärmepumpe hat bei sehr tiefen Temperaturen
geringere Effizienz, dagegen bei etwas wärmeren Tagen (etwa +5 bis 0 ° C ,
die ja die Mehrheit der Wintertage aufweist) bereits sehr brauchbare Werte.
Sie lässt sich auch bei Altbauten und Sanierungen gut anwenden. Ihre
Jahresarbeitszahl ist geringer als bei den anderen Systemen.

Verbreitung

Der Marktanteil von Wärmepumpenheizungen im Neubau ist sehr landesspezifisch
und betrug 2005 bundesweit durchschnittlich 10 %, wobei die erdgekoppelte
Wärmepumpe mit einem Anteil von ca. 40 % am erfolgreichsten war. Der
Marktanteil hängt stark vom Preis und der umweltfreundlichen Bereitstellung
des Stromes ab. Außerdem differieren in verschiedenen Ländern die politische
Unterstützung stark. In Deutschland werden beispielsweise immer noch keine
bundesweiten Wärmepumpentarife angeboten.

Kosten

Direkte Investitionen

Gute Wärmepumpenheizungen auf Erdkollektor- bzw. Erdsonden-Basis kosten im
Neubau kaum viel mehr als eine Ölheizung. Gasheizungen sind jedoch
kostengünstiger in der Anschaffung, nicht so sehr im Betrieb.

Eine Wärmepumpenheizung mit Erdsonde und Fußbodenheizung, evtl. auch
teilweise Wandheizung, erspart Tankraum, Kamin, Ölbehälter, Jahresservice,
Rauchfangkehrer, Stromkosten für Brenner etc.

Indirekte Investitionen

Die Anschlussleistung einer installierten Elektro-Wärmepumpe muss zusätzlich
zum allgemeinen Bedarf im Stromnetz bereitgestellt werden. Die
Investitionskosten für diese neue Kraftwerksleistung ist zu den
Investitionskosten der Wärmepumpe hinzu zu rechnen, da sie ohne diese nicht
notwendig wäre. Für eine Wärmepumpe mit 5 kW ergeben sich dabei, je nach
verwendeter Technik und Primärenergieträger, Investitionskosten von ca.
2.500 € bis 15.000 €, welche auf alle Stromkunden umgelegt werden. Würden
alle Heizungen in Deutschland (ca. 20 Millionen) mit dieser Wärmepumpe
ersetzt, wäre dafür der Neubau von 100 Großkraftwerken (je 1 GW) nötig.
Dieses Vorhaben ist mit 50 bis 300 Mrd. € Kosten weder finanziell noch
logistisch zu bewerkstelligen.

Auch wenn diese zusätzliche Leistung nur an wenigen, sehr kalten Tagen im
Jahr, selbst nur für einige Stunden vollständig abgerufen wird, muss sie
trotzdem vorgehalten werden. Im Sommerhalbjahr hingegen ist diese Leistung
nicht nutzbar, da kein Heizbedarf besteht und der Strombedarf insgesamt
niedriger ist. Daraus ergibt sich eine aus betriebswirtschaftlicher Sicht
sehr ungünstige Situation: Der Investitionskostenanteil am Strompreis steigt
durch die niedrige Auslastung um ein mehrfaches und muss wieder auf den
allgemeinen Strompreis umgelegt werden. Der Strom für Wärmepumpen wird
trotzdem deutlich unter dem Normaltarif abgegeben, dies stellt die dritte
Subvention der allgemeinen Stromkunden für die Betreiber einer
Elektro-Wärmepumpe dar.

Wärmepumpen sind zwar in der Regel mit Abschaltmöglichkeiten (Schaltuhr bzw.
Rundsteuerung) versehen, um im Falle der Netzhöchstlast keinen Beitrag zu
liefern. Diese Abschaltmöglichkeit ändert aber nichts am beschriebenen
Problem der Lasterhöhung im Netz. Moderne, normal ausgelegte Heizgeräte sind
an den kältesten Tagen annähernd rund um die Uhr in Betrieb, gelegentliche
Abschaltung zu Spitzenlastzeiten sind dabei zwar möglich, eine nötige
Vollverschiebung vom Tag in die nächtliche Schwachlastzeit aber nicht. Zum
einen würde dies einen großen Wärmespeicher erfordern, zweitens müsste dabei
die Leistung der Wärmepumpe verdoppelt werden, was zum beschriebenen Problem
wiederum kontraproduktiv ist.

Der Weg der jeweiligen Energieträger vom Abbauort zum Verbrennungsort
verursacht in beiden Varianten (private konventionelle Heizung, wie
Wärmepumpe) ähnliche Transportkosten, wie bei der Verfeuerung im Kraftwerk.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass eine Elektro-Wärmepumpe außerhalb
ihres Einsatzortes indirekte Kosten in mehrfacher Höhe eines konventionellen
Heizgerätes verursacht, welche durch den allgemeinen Stromtarif gestützt
werden müssen. Den indirekten Kosten muss auch der eingesparte
Primärenergieaufwand gegenübergestellt werden.

Betriebskosten

Bei einem derzeitigen Brutto-Strompreis von 20 Cent/kWh (Haushalts-Tarif,
Stand 06/2006, inkl. aller Steuern und Abgaben) und einer Jahresarbeitszahl
JAZ der Wärmepumpenheizung von 4,0 kostet die Erzeugung der
Niedertemperatur-Nutzwärme aus Erdwärme 5 Cent/kWh (brutto). Außerdem
entfallen die Kosten für den Schornsteinfeger.

Der Liter Heizöl kostet derzeit (Stand 06/2006) ca. 0,62 € und beinhaltet
etwa 10 kWh thermisch nutzbare Energie. Somit ergibt sich ein Preis von etwa
6,2 EuroCent/kWh für Öl.

Sehr moderne Öl-Brennwerttermen weisen im realen Betrieb Wirkungsgrade von
mehr als 90 % auf. Damit ergibt sich ungünstigstenfalls für die Erzeugung
der Nutzwärme ein Preis von 6,8 Cent/kWh Wärme.

Gas-Brennwertheizungen mit auf den Heizwert bezogenen Wirkungsgraden von
über 100 % benötigen laut der Öko-Institut-Studie „Gas-Brennwertheizkessel
als EcoTopTen-Produkt“ dennoch 1,114 kWh Primärenergie pro kWh Nutzenergie.
Inbegriffen ist dann ebenfalls der Strom, der für die Umwälzpumpe etc.
benötigt wird. Sie verursachen daher ebenfalls Kosten in Höhe von ca. 6,8
Cent pro kWh Nutzwärme.

Ein eventuell vom lokalen Stromversorger angebotener Wärmepumpentarif ist
bzw. kann erheblich billiger sein als der verwendete Haushaltstarif. Der
reine kWh-Preis liegt jedoch immer höher als der von fossilen
Energieträgern. Daher ist der nur sinnvoll in Verbindung mit einer
Wärmepumpe einsetzbar, die bis zum vierfachen der Energie der Umwelt
entzieht. Bundesweite Wärmepumpen-Tarife werden in Deutschland momentan
nicht angeboten, da dies in der Verbände-Vereinbarung zum Stromhandel nicht
vorgesehen ist. Die Stadtwerke Schwerin bieten beispielsweise einen extrem
günstigen Tarif von 10,4 Cent/kWh brutto zzgl. einem Grundpreis von 4,15
€/Monat brutto an.

Verschiedene Stromkonzerne und Wärmepumpenbetriebe veröffentlichen momentan
Statistiken, die sich auf sehr günstige Wärmepumpentarife beziehen. Die EnBW
veröffentlicht beispielsweise eine Übersicht der Jahresbetriebskosten für 3
Heizsysteme. Demnach verursacht die

Erdwärme-Wärmepumpe: 447,- €/Jahr das sind 375 € für Energie, 72 € für
Nebenkosten, in Summe 447 €.

Öl-Zentralheizung: 1.122,- €/Jahr das sind 767 € für Energie, 355 € für
Nebenkosten, in Summe 1.122 €

Erdgas-Zentralheizung: 973,- €/Jahr das sind 609 € für Energie, 364 € für
Nebenkosten, in Summe 973 €

Diese Kosten beinhalten die Mehrwertsteuer für Nebenkosten, beinhaltend
Grundpreise, Schornsteinfeger, Wartung, benötigte Versicherungen, TÜV und
Strom für Pumpen und Brenner. Als Referenz-Objekt wurde eine Sole/Wasser-
Wärmepumpe mit Erdsonde als Wärmequelle für die Beheizung eines 150 m²
Einfamilienwohnhaus mit 90 kWh/m² pro Jahr; die Ölheizung mit
Niedertemperatur- Kessel und die Erdgas- Zentralheizung mit einem
Brennwertkessel ausgerüstet. Aktuelle Strompreise zum 1. Quartal 2005 für
den Wärmepumpenbetrieb (EnBW Wärmepumpentarif) beträgt 9,5 ct/kWh, 40,9 ct/Liter
Heizöl und 4,06 ct/kWh (EnBW Gas GmbH) für Erdgas, welches, wie der
Jahresbeginn 2006 zeigte, auch unsichere Importware darstellt.

Da ein Gebäude jedoch auch Wärme für die Trinkwasserbereitung benötigt und
diese häufig bei Wärmpumpenheizung mittels elektr. Durchlauferhitzer erfolgt
sind die Gesamtkostendifferenzen oft erheblich ungünstiger für die
Wärmepumpe als zuvor dargestellt. Aus hygienischer Sicht ist es sinnvoll
Trinkwarmwasserspeicher auf 60 °C einzustellen, bei einer so hohen
Temperatur ist die Arbeitszahl einer Wärmepumpe meist weit unter 3 und somit
nicht sehr wirtschaftlich.

Volkswirtschaftlich betrachtet, haben Wärmepumpenheizungen das Potenzial,
Brennstoffimporte zu reduzieren. Durch die Nutzung der Erd- oder
Umgebungswärme kann der Verbrauch von Erdgas und Heizöl verringert werden.
Der Blick zum obigen Preisvergleich gibt zugleich auch einen
Abhängigkeitsgrad der Gas- Ölheizungen vom Ausland bekannt.

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