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Mit Umweltenergien HEIZEN


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bauen - epaper ⋅ Ausgabe 5/2022 vom 12.03.2022

WISSEN • Wärmepumpen

Artikelbild für den Artikel "Mit Umweltenergien HEIZEN" aus der Ausgabe 5/2022 von bauen. Dieses epaper sofort kaufen oder online lesen mit der Zeitschriften-Flatrate United Kiosk NEWS.

Bildquelle: bauen, Ausgabe 5/2022

Der geschulte Fachhandwerker erläutert, worauf es ankommt, damit die Wärmepumpe im Betrieb zuverlässig, effizient und komfortabel arbeitet. > www.daikin.de

Nach dem Willen der neuen Bundesregierung soll Deutschland bis spätestens 2045 klimaneutral werden. Um die notwendige Senkung der Treibhausgas (CO2)-Emissionen im Gebäudesektor zu erreichen, soll zum einen der Wärmeenergieverbrauch fürs Wohnen reduziert werden. Zum anderen sollen fossile Heiztechnologien im Neu-und Altbaubereich künftig vor allem von Elektro-Wärmepumpensystemen abgelöst werden.

Die Technologie wird als „erneuerbar“ eingestuft, weil sie Umweltenergie, wie Außenluft, Erdwärme und Grundwasser, nutzt. Um ein Ge-bäude mit Heizwärme und Warmwasser zu versorgen, „pumpt“ ein ausgeklügelter Kältemittelkreislauf im Aggregat die gesammelte Umweltenergie auf ein höheres Temperaturniveau. Für diesen Prozess wird jedoch Antriebsstrom benötigt, der meist aus dem öffentlichen Netz stammt. Mit Blick auf die CO 2-Bilanz ist ein zentrales Ziel der Klimapolitik, den Anteil der ...

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... erneuerbaren Energien am deutschen Netzstrommix rasch auf 100 Prozent zu erhöhen. Im Jahr 2021 lag der Nettoanteil erst bei etwa 46 Prozent.

KLIMANEUTRAL HEIZEN

Während vor ein paar Jahren noch vor allem mit Gas geheizt wurde, setzen Baufamilien nun überwiegend auf die Elektro-Wärmepumpen-Technik. Die wichtigsten Gründe dafür sind, dass sich die energetischen Anforderungen des Gebäudeenergiegesetzes sowie die Effizienzstufen der neuen „Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) – Wohngebäude“ vergleichsweise einfach und kostengünstig erfüllen lassen. Zudem benötigt eine Wärmepumpenheizung weder Brennstofflager, Gasanschluss noch Schornstein. Auch die Kosten der fossilen Energieträger erhöhen sich aufgrund der jährlich steigenden CO 2-Abgabe. Umgekehrt soll der aktuell hohe Strompreis entlastet werden, zum Beispiel durch die Abschaffung der EEG-Umlage. Die Photovoltaikanlage auf dem eigenen

Effizienz auf dem Prüfstand

Um verschiedene Wärmepumpen-Modelle hinsichtlich ihrer Effizienz unter festgelegten Prüfstandbedingungen zu vergleichen, sind vor allem der COP-und SCOP-Wert von Bedeutung:

Der sogenannte Coefficient of Performance (COP) drückt das Verhältnis zwischen erzeugter Wärmeleistung und eingesetzter elektrischer Energie bei einer Wärmepumpe aus. Er eignet sich zum Vergleich zwischen Systemen, sofern die gleichen Betriebspunkte angegeben sind. Zum COP-Wert gehören: Art und Temperaturniveau der Wärmequelle sowie die Heizungs-Vorlauftemperatur.

Aussagekräftiger ist der Seasonal Coefficient of Performance (SCOP). Er geht von vier Messpunkten aus. Darüber hinaus wird für die Bewertung von Wärmepumpen Europa in drei Klimazonen unterteilt: Nord-, Mittel-und Südeuropa. Deutschland gehört zur mittleren Zone.

Die Ergebnisse werden gewichtet, miteinander verrechnet und geben damit die Energieeffizienz einer Wärmepumpe über einen möglichst realistischen Jahreszyklus wieder.

Effizienz im Praxisbetrieb

Der wichtigste Wärmepumpen-Effizienzkennwert ist die Jahresarbeitszahl (JAZ): Sie betrachtet das Verhältnis von abgegebener Wärme zu aufgenommener elektrischer Energie im Zeitraum eines Jahres.

Eine JAZ von vier bedeutet zum Beispiel, dass unter Einsatz von einem Teil Strom und drei Teilen Umweltwärme vier Teile Heizwärme entstehen. Es gilt: Je höher die JAZ, desto niedriger die Stromkosten.

Anders als bei COP und SCOP werden hier auch Rahmenbedingungen berücksichtigt, wie Heizgrenz-, Vorlauf-und Rücklauf-Temperatur sowie die Warmwasserbereitung.

Somit bezieht sich der Wert nicht nur auf die Wärmepumpe, sondern das gesamte Heizsystem. Der rein theoretische, nach VDI 4650 ermittelte JAZ-Wert, weicht für gewöhnlich vom tatsächlich ermittelten Wert eines eingebauten Systems ab. Denn es gibt Faktoren, die bei der Berechnung nicht berücksichtigt werden, aber die Anlageneffizienz im Betrieb beeinflussen, wie das Heizverhalten der Bewohner und die Qualität der Anlageninstallation. Die folgende Grafik gibt einen Überblick.

Dach hilft dabei, das Eigenheim unabhängiger von der Netzstromversorgung und den Stromkosten zu machen. Baufamilien, die zusätzlich oder alternativ einen „echten“ Ökostromtarif abschließen, heizen dann komplett klimaneutral mit ihrer Wärmepumpe.

Welche Arten von Heizwärmepumpen kommen am häufigsten zum Einsatz? Aufschluss geben die vom Bundesverband Wärmepumpen regelmäßig veröffentlichten Absatzzahlen: Von 154 000 verkauften Heizungswärmepumpen im Jahr 2021 waren 82 Prozent Modelle, die die Umgebungsluft als Wärmequelle nutzen. Die restlichen 18 Prozent entfielen auf erdgekoppelte Wärmepumpensysteme. Vernachlässigbar klein ist die Zahl der Grundwasser-Wärmepumpen, da sich diese im Eigenheimbereich aufgrund der speziellen Anforderungen, nur selten realisieren lassen. Von der Statistik übrigens nicht erfasst werden Wärmepumpen, die Bestandteil von Luftheizsystemen in Niedrigstenergiehäusern sind. Typische Heizwärmepumpen werden mit einem wasserführenden Flächenheizsystem kombiniert.

Doch warum präferieren Baufamilien vor allem Luft-Wasser-Wärmepumpen? Hauptgrund ist sicherlich die deutlich niedrigere Investition: Mit Gesamtkosten von etwa 12 000 bis 18 000 Euro sind Luft-Wasser-Wärmepumpen günstiger in der Anschaffung als die erdgekoppelten Systeme, die bei etwa 15 000 bis 28 000 Euro liegen.

FLEXIBLERE WÄRMEPUMPEN

Außerdem lassen sich Luft-Wasser-Wärmepumpen flexibel platzieren. Bei der Innenaufstellung steht das komplette Aggregat im Gebäude: im Keller, Hauswirtschaftsraum oder Dachbodenbereich. Vorteilhaft sind hier vor allem die Frostfreiheit, die kurzen Leitungswege und kein Geräuschbelästigungsrisiko der Nachbarn. Allerdings sind größere Wanddurchbrüche für die Außen-und Abluftführung notwendig und eine gute Körperschalldämmung ist wichtig.

Dort, wo umbauter Raum knapp ist, kann man Luft-Wasser-Wärmepumpen platzsparend im Freien aufstellen: als Monoblock-oder Split-Variante, die aus einer Innen-und Außenein-heit besteht. In beiden Fällen sind nur kleine Wanddurchführungen nötig. Bei der Außenaufstellung gilt es, bei Produkt-und Standortwahl penibel darauf zu achten, dass die Nachbarn nicht durch die (technologisch bedingten) Luftschallemissionen gestört werden – sonst ist der Rechtsstreit, vor allem bei engen Bebauungen, programmiert. Mindestens einzuhalten sind die zulässigen Schallemissionsgrenzwerte der „Technischen Anleitung zum Schutz gegen Lärm“ (TA-Lärm).

ERDWÄRME EINSETZEN

Hauptgrund für die höheren Investitionskosten bei erdgekoppelten Systemen ist die aufwendigere und teurere Technik zur Erschließung der Wärmequelle. Um die Erdwärme für sogenannte Sole-Wasser-Wärmepumpen nutzbar zu machen, sind zwei verschiedene Wärmequellen-Technologien einsetzbar: vertikale Erdwärmesonden oder horizontale Erdwärmekollektoren. In beiden Fällen wird die übertragene Erdwärme mittels eines Sole-Wasser-Gemisches, das in Kunststoffrohren zirkuliert, an die im Inneren des Gebäudes aufgestellte Wärmepumpe übertragen.

Am oberen Ende der Preisskala liegen Sole-Wasser-Wärmepumpen mit Erdwärmesonden, die wenig Grundstücksplatz benötigen, weil sie in ein senkrechtes, bis zu 100 Meter tiefes Bohrloch eingebracht werden. Bohrtiefe und Erdsondenanzahl hängen im Wesentlichen vom Gebäudewärmebedarf und von der Art des Untergrunds ab. Aus Sicherheitsgründen, zum Beispiel wegen möglicher Rissbildungen im Boden, ist diese Art der sogenannten oberflächennahen Geothermienutzung nicht überall in Deutschland erlaubt. Auch darum müssen Erdsondenbohrungen von der regionalen, unteren Wasserbehörde genehmigt werden. Bauherren sollten nur ein erfahrenes, ausreichend versichertes Bohrunternehmen beauftragen. Es ist ratsam, den Fachhandwerker oder Wärmepumpenhersteller nach Empfehlungen zu fragen.

Als genehmigungsfreie und preislich günstigere Alternative bieten sich Erdwärmekollektoren an: Hier wird ein waagerechtes Rohrsystem unterhalb der Frostgrenze in einer Tiefe von rund 1,5 Metern verlegt. Allerdings setzt diese Art der Wärmequellen-Erschließung ein geeignetes und ausreichend großes Grundstück voraus. Weniger Platz beanspruchen Systeme mit speziellen Erdwärmekörben oder Grabenwärmekollektoren, weil diese leistungsstärker konstruiert sind.

SPARSAME BETRIEBSWEISE

Der Blick auf die Effizienz und mögliche Stromkosten relativiert allerdings den Unterschied bei der Investition. Denn der größte Nachteil von Luft-Wasser-Wärmepumpen ist, dass die Außentemperaturen im Tages-und Jahresverlauf stark schwanken und gerade während der leistungshungrigen Heizperiode relativ niedrig sind. Günstigere, ganzjährig relativ konstante Temperaturen herrschen im Erdreich. Deshalb weisen erdgekoppelte Sole-Wasser-Modelle eine höhere Energieeffizienz auf und halten im Normalfall die Energiekosten geringer.

Abkühlung bei Hitze

An heißen Tagen lassen sich mit bestimmten Wärmepumpen die Raumtemperaturen um einige Grad senken. Möglich wird das aktive Kühlen mit einer reversibel arbeitenden Luft-Wasser-Wärmepumpe, bei der sich der Kältekreislauf in die Gegenrichtung umschalten lässt. Dann strömt nicht warmes, sondern kühles Wasser durch die Rohrschlangen der Flächenheizung.

Eine Erdreich-Wärmepumpe ermöglicht alternativ noch die passive Betriebsweise („natural cooling“).

Die ist stromsparender, weil nur die Solepumpe aktiv sein muss, um das Erdreich zum Abkühlen zu nutzen. Kosten-und umweltneutral wird das sommerliche Kühlen, wenn Solarstrom vom eigenen Dach eingesetzt wird. Wichtig: Eine „echte“, gradgenaue Klimatisierung der Wohnräume ist mit einem Wärmepumpen-Flächenheiz-System nicht möglich.

Denn die verfügbare Kühlleistung ist technisch und bauphysikalisch begrenzt, damit es nicht zur Kondensatbildung im Bodenaufbau kommt.

1 Wärmepumpe

2 Pufferspeicher

3 Trinkwarmwasserspeicher

4 Verteil-/Sammelstation

5 Radiator

6 Flächenheizung

7 Warmwasserleitung

8 Erdwärmekollektoren

9 Photovoltaikanlage mit Wechselrichter

> Umwälzpumpe

Übrigens: Frieren muss man auch an sehr kalten Tagen nicht. Wärmepumpen verfügen in der Regel über einen integrierten Elektroheizstab, der die Wärmebereitstellung ab einer bestimmten Außentemperatur übernimmt bzw. unterstützt – abhängig von der benötigten Heizleistung und vom Wärmepumpenmodell.

Sehr wichtig sind eine professionelle Planung, eine hohe Produktqualität und die fachgerechte Montage. So dürfen weder die Heizleistung noch die Wärmequelle der Wärmepumpe mit Blick auf Effizienz, Kosten und Wärmekomfort weder zu groß noch zu klein sein. Von Vorteil sind leistungsgeregelte Modelle („Invertertechnik“), weil sie die Heizleistung dem jeweiligen Bedarf anpassen können. Zudem kann der Einbau eines Heizwasserpufferspeichers notwendig sein, zum Beispiel bei einem Sonderstromtarif mit Betriebsunterbrechung.

Mitentscheidend für eine hohe Wärmepumpeneffizienz ist, dass der Fachhandwerker die Regelung auf die individuellen Gegebenheiten einstellt und die Heizflächen hydraulisch abgleicht. Zusätzlich hilft beim Stromsparen eine angepasste Betriebsweise der Nutzer. Und auch die Wärme eines Holzofens oder der Einsatz von selbst produziertem Photovoltaikstrom verringern die Stromkosten – vorausgesetzt, dass das Wärmepumpenmodell und das Regelgerät für die Einspeisung des Solarstroms geeignet und optimiert sind („Smart Grid Ready“). Darauf gilt es schon bei der Planung und Produktauswahl zu achten.

jw