IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 10/2000, Seite 118 ff.

Heizungstechnik

Einsatzmöglichkeiten von Wärmepumpen im SHK-Bereich

Dipl.-Ing. Bernhard Frehn*

Die Energieeinsparverordnung 2000 (EnEV) ist ein Indiz dafür, dass der Energieverbrauch für die Gebäudeheizung in neu errichteten Gebäuden deutlich zurückgehen wird. Im Gebäudebestand werden zur Zeit ca. 75% des gesamten Energieverbrauchs im Haushalt für die Raumheizung benötigt. Der Neubau nach Wärmeschutzverordnung 95 zeigt schon deutlich geringere Werte, auch wenn die Raumheizung mit rund 64% immer noch dominant ist. Wird das Ziel der Energieeinsparverordnung erreicht, wird in Zukunft bei neu errichteten Gebäuden ein Anteil von ca. 55% erwartet. Dieser Wert zeigt jedoch, dass nach wie vor die Raumbeheizung der größte Energieverbraucher bleibt.

Einführung

Bild 1: Schema einer Wärmepumpenanlage mit Erdwärmekollektor.

Um weitere Reduzierungen zu erreichen ist es notwendig, Technik zur Nutzung regenerativer Energie verstärkt einzusetzen - auch im Bereich der Raumwärmebereitstellung. Ein Weg regenerative Energie zur Wärmeerzeugung zu nutzen, ist die Solarthermie, die ja bereits im Bereich der Warmwasserbereitung beachtliche Marktanteile erzielt.

Wegen der zeitlichen Differenzen zwischen Angebot und Nachfrage - der Bedarf an Heizwärme fällt zu einem Zeitpunkt an, wo sehr geringe Sonneneinstrahlung herrscht - kann die Solarthermie einen nennenswerten Anteil an der Raumwärmebereitstellung ohne kostspielige technische Hilfsmittel nicht leisten. Nach den Vorstellungen von Solarthermiebefürwortern sollten große Speicher gebaut werden, die im Sommer überschüssige Wärme von Solaranlagen aufnehmen, die dann im Winter für die Raumheizung genutzt werden könnte. Bisher sind derartige Projekte jedoch nur mit Hilfe größerer Förderbeträge realisiert worden und sind in der Regel weit von einer Gesamtwirtschaftlichkeit entfernt.

Eine technisch weniger aufwendige Möglichkeit bietet die Wärmepumpe, die ohne größere bauliche Maßnahmen den Speicher der Natur nutzbar macht, indem sie in der Umgebung gespeicherte Sonnenwärme auf ein höheres Temperaturniveau pumpt und so für Heizzwecke nutzbar macht. Dabei werden in Gebäuden mit einer Niedertemperaturfußbodenheizung und der Nutzung von Erdwärme ca. 75% des gesamten Heizenergiebedarfs mit regenerativer Erdwärme bereitgestellt. Nur ca. 25% des Heizwärmeverbrauchs werden zum Antrieb der Wärmepumpe benötigt.

Bild 2: Schema einer Wärmepumpenanlage mit Erdwärmesonde.

Wärmequellen

Mit entsprechenden Maßnahmen zur Wärmequellenerschließung können die Wärmequellen Erdwärme, Wasser oder Luft nutzbar gemacht werden. Wegen des gestiegenen Energiebewusstseins in der Bevölkerung und verschiedener Förderprogramme der Energieversorger und der öffentlichen Hand hat sich der Markt für Wärmepumpen in Deutschland sehr positiv entwickelt.

Erdreich

Vor allem die Wärmequelle Erdreich hat in den vergangenen zehn Jahren wegen der bekannten hohen Zuverlässigkeit eine sehr positive Marktentwicklung erfahren. So werden heute in Deutschland mehr als 70% aller neu errichteten Wärmepumpenanlagen mit Erdwärme betrieben. Im Jahre 1980 waren es gerade rund 6%. Die Erschließung der Wärmequelle Erdwärme wird nach zwei unterschiedlichen Verfahren vorgenommen.

Bild 3: Schema einer Wärmepumpenanlage mit Grundwasser als Wärmequelle.

Der horizontale (waagerechte) Erdwärmekollektor wird in eine Tiefe von ca. 1,2 bis 1,5 m in einem nicht bebauten und möglichst nicht versiegelten Grundstücksbereich eingebracht. Das Rohrsystem, ähnlich einer Fußbodenheizung, dient zur Wärmeübertragung zwischen dem Erdreich und dem Wärmeträger, einem Wasser-Glykolgemisch, welches mit einer Soleumwälzpumpe durch das Rohrsystem gepumpt wird. Im Verdampfer der Wärmepumpe wird dann die Wärme auf das Kältemittel übertragen (Bild 1).

Die vertikalen (senkrechten) Erdwärmesonden werden mit für die jeweilige Geologie geeigneten Bohrverfahren ca. 30 bis 100 m (aus praktischen Erwägungen sollten 60 m nicht überschritten werden) in den Boden eingebaut. Der Wärmetauscher besteht in der Regel aus vier parallel verlaufenden Polyethylenrohren in denen die Wärmeübertragung von Erdreich oder Grundwasser auf den Wärmeträger erfolgt (Bild 2). Der Anteil der mit Erdwärmesonden betriebenen Wärmepumpenanlagen (Neuanlagen in Deutschland) beläuft sich auf ca. 60% mit immer noch steigender Tendenz.

Erdwärmesonden können je nach Beschaffenheit des Untergrundes und den Grundwasserverhältnissen zwischen 50 und 100 W/m belastet werden. Eine Unterdimensionierung muss vermieden werden, um ein fortschreiten des Auskühlungsprozesses zu verhindern. Als Orientierungshilfe kann die VDI Richtlinie 4640 Blatt 2 herangezogen werden, deren Weißdruck in Kürze erscheinen wird.

Bild 4: Schema einer Wärmepumpenanlage mit Luft als Wärmequelle.

Grundwasser

Vor allem in größeren Anlagen sollte man die direkte Nutzung von Grundwasser als Möglichkeit ernsthaft prüfen, auch wenn es in der Vergangenheit wegen unzureichender Wasserqualität und ungeeigneter Wärmetauscherwerkstoffen zu Ausfällen kam. Bei diesem Verfahren werden zwei Brunnen benötigt. Aus einem Brunnen wird Wasser entnommen, welches über eine Rohrleitung zum Verdampfer transportiert wird. Im Verdampfer erfolgt die Wärmeübertragung vom Grundwasser auf das Kältemittel. Das abgekühlte Wasser wird in einem Schluckbrunnen, der mindestens 15 m vom Förderbrunnen entfernt sein muss, wieder im Erdboden versickert (Bild 3).

Eine gründliche Voruntersuchung der Wasserqualität, Ergiebigkeit eines Brunnens und die Auswahl von korrosionsbeständigen Verdampfermaterialien (hochwertiger Edelstahl, edelstahlgeschweißt) bieten größtmöglichen Schutz vor Betriebsproblemen. Die wasserrechtlichen Aspekte und die Möglichkeit der Wasserrückführung müssen jedoch ausreichend geprüft werden.

Bild 5: Schema einer Monoeinheit.

Luft

Die bekannteste und in der Vergangenheit auch meist genutzte Wärmequelle Außenluft kann in punkto Leistungszahl und Zuverlässigkeit der Gerätetechnik nicht mit der Wärmequelle Erdwärme verglichen werden (Bild 4). Die Erschließung dieser Wärmequelle ist zwar sehr einfach und in der Regel unproblematisch, die Ergiebigkeit ist dagegen wegen der niedrigen Wärmequellentemperatur an den kälteren Tagen unbefriedigend, was sich ja bekanntlich in relativ geringen Leistungszahlen niederschlägt. Vor allem bei dichter Bebauung sollten Geräuschprobleme nicht vernachlässigt werden.

Mit kleiner werdendem Wärmebedarf der Gebäude, das heißt immer bessere Wärmedämmung und größere Luftdichtigkeit, ist eine zufriedenstellende Lüftung über das Fenster zunehmend problematisch. Mit einem einzigen, in Kippstellung offen stehendem Fenster sind alle Bemühungen um eine wärmedämmende und luftdichte Außenhaut vergeblich. Es ist daher davon auszugehen, dass in neuen Gebäuden, die entsprechend der Energieeinsparverordnung errichtet werden, zunehmend mechanische Lüftungssysteme Einzug halten.

Bild 6: Schema einer Warmwasserwärmepumpe mit Heizungsrücklauf als Wärmequelle.

Wegen hoher Kosten und schwieriger Leitungsführung bei mechanischen Be- und Entlüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung ist anzunehmen, dass sich zentrale Abluftsysteme, die nur eine Abluftleitung aus den geruchs- und feuchtigkeitsbeaufschlagten Räumen benötigen, am ehesten durchsetzen werden. Eine Monoeinheit ist eine Antwort auf diese neue Herausforderung an die Wärmepumpentechnik (Bild 5). Die darin integrierte Abluftwärmepumpe mit einer Heizleistung von ca. 2 KW nutzt die in der Abluft enthaltene Wärme vorrangig für die Warmwasserbereitung und speist die außerdem verfügbare Wärme in das Heizsystem ein. Zur Deckung des Restwärmebedarfs ist die Monoeinheit mit einer Kleinst-Sole-Wasser-Wärmepumpe ausgerüstet, die je nach Gebäude eine Heizleistung von 4 oder 6 KW bereithält. Als Wärmequelle dient hier ein kleiner Erdwärmekollektor, ca. 60 - 80 m², ein Baugrubenkollektor oder ein Grabenkollektor. Damit sind die Erschließungskosten im Vergleich zu einer herkömmlichen Sole-Wasser-Wärmepumpe vergleichsweise niedrig.

Bild 7: Betriebs- und Energiekosten für verschiedene Heizungsanlagen in DM pro Jahr.

Eine weitere technische Besonderheit ist die Warmwasser-Wärmepumpe, die den Rücklauf des Heizsystems als Wärmequelle nutzt und sie für die Warmwasserbereitung einsetzt (Bild 6). Diese Vorgehensweise führt zu einem Betrieb mit hohen Leistungszahlen, geringer Materialbeanspruchung und einem hohen Temperaturniveau von bis zu 60°C im Speicher.

Wirtschaftlichkeit

Allen Wärmepumpenanwendungen und Wärmequellenarten gemeinsam sind die äußerst niedrigen Betriebskosten. Wegen des geringen Endenergiebedarfs (nur etwa 1/4 des Heizenergiebedarfs) und den günstigen Strompreisangeboten der Energieversorger (Sondertarife für Wärmepumpen) liegen die Betriebskosten bei etwa 40 - 50% einer konventionellen Brennstoffheizung. Der untenstehende Kostenvergleich zeigt, wie die Wärmepumpe im Vergleich zu Brennstoffsystemen abschneidet (Bild 7).

Auch wenn die Wärmepumpe noch ca. 5.000 - 10.000 DM teurer ist als ein konventionelles Heizsystem, ist die Wärmepumpe in vielen Anwendungsfällen bereits wirtschaftlicher auch ohne Förderung (Bild 8).

Bild 8: Gesamtkosten für verschiedene Heizungsanlagen in DM pro Jahr.

Dieser Effekt wird mit besser werdenden Gebäuden (geringer Heizwärmebedarf) immer deutlicher, denn im Gegensatz zu einem Brennstoffsystem können bei der Wärmepumpe mit kleiner werdenden Heizleistungen noch Kosten eingespart werden, vor allem bei der Wärmequellenerschließung, da die Kosten fast linear mit der Leistung verlaufen.

Mit einer Wärmepumpe kann ein großer Anteil regenerativer Sonnenwärme für die Heizung und Warmwasserbereitung bereitgestellt werden. Mit in Zukunft besser werdenden Kraftwerkswerbungsgründen (58% GuD 45% bei modernen Kohlekraftwerken) wird der Anteil der regenerativ bereitgestellten Energie auch bei den bestehenden Wärmepumpenanlagen nochmals erhöht.

Man kann noch einen Schritt weitergehen. Bereits heute ist es möglich, für den Betrieb der Wärmepumpen regenerativ erzeugten Strom ("Ökostrom") einzusetzen, was jede Wärmepumpe zu einer 100%-ig regenerativ betriebenen Heizungsanlage macht.

Energieeinsparverordnung EnEV

Bild 9: Die Hauptanforderung der EnEV liegt in der Begrenzung des jährlichen Endenergiebedarfes in Abhängigkeit vom A/V-Verhältnis.

Die Energieeinsparverordnung betrachtet nicht nur die Gebäudehülle, sondern auch die Anlagentechnik. So wird in der Energieeinsparverordnung die Wärmeschutzverordnung und die Heizungsanlagenverordnung zusammengefasst. Ziel ist, die Herabsetzung des Heizenergieverbrauchs (Endenergie) um ca. 30% gegenüber den geltenden Verordnungen (Bild 9). Zu dieser Hauptforderung werden zwei Nebenforderungen aufgestellt:

Nebenforderung 1: Der Primärenergiebedarf darf das 1,15fache des Endenergiebedarfs nicht übersteigen (Bild 10).

Nebenforderung 2: Der Heizwärmebedarf darf das 0,92fache des Endenergiebedarfs nicht übersteigen.

Dies hat zur Folge, dass an einem Gebäude, welches z.B. mit einer Direktheizung ausgerüstet werden soll, erheblich höhere Aufwendungen für den Wärmeschutz notwendig werden, um die Nebenforderung 1 zu erfüllen.

Dies hat nicht zur Folge, dass an einem Gebäude, welches mit einer Wärmepumpe beheizt werden soll, einen erheblich geringeren Aufwand für den Wärmeschutz erfordert, da hier die Nebenforderung 2 greift.

Die Wärmepumpe hat aber den Vorteil, dass alle Anforderungen der EnEV erfüllt werden, wenn die Mindestanforderungen an den Wärmeschutz der Außenhaut eingehalten werden, dies trifft auf konventionelle Heizsysteme nur eingeschränkt zu.

Bild 10: Maximal zulässiger Jahres-Primärenergiebedarf.

Dazu ein Beispiel: Bei einem Einfamilienhaus mit einer Nutzfläche von 141m² beträgt das A/V Verhältnis 0,83 m - 1. In dem Gebäude werden die Mindestanforderungen an die Wärmedämmung der Außenhülle knapp eingehalten. Der Jahreswärmebedarf beträgt 9840 kWh/a. Tabelle 1 zeigt, wie nun mit Aufwandszahlen für einzelne Anlagenkomponenten die energetischen Eigenschaften der Anlagen mit berücksichtigt werden.

Das Ergebnis zeigt, dass eine Gasbrennwertheizungsanlage die Anforderungen der Energieeinsparverordnung gerade eben einhält. Mit der Wärmepumpenheizung werden die Anforderungen weit übertroffen. Für eine Heizungsanlage mit einem konventionellen Niedertemperaturheizkessel werden die Anforderungen jedoch nicht erfüllt, sodass eine höherwertige Wärmedämmung der Außenhaut notwendig wäre. Bild 11 zeigt einen Vergleich der Heizenergieverbräuche und die CO₂ Emission der betrachteten Systeme.

Bild 11: Vergleich Endenergiebedarf und CO₂-Emission als Musterrechnung. (Quelle: Gemis)

Schlussfolgerung

Die Wärmepumpe bietet eine sehr gute Möglichkeit, regenerative Energien für die Heizwärmebereitstellung nutzbar zu machen. Ein zunehmender Anteil von Ökostrom und verbesserte Kraftwerkstechnologien verbessern die ohnehin schon sehr gute Energiebilanz der Wärmepumpe nochmals deutlich.

Die Energieeinsparverordnung fördert den Einbau von Wärmepumpen, weil der Heizwärmebedarf gegenüber geltenden Regelungen deutlich reduziert und damit die Investitionskosten weiter gesenkt werden können. In Gebäuden, an denen - aus welchen Gründen auch immer - nur der Mindestwärmeschutz realisiert werden kann, werden mit der Wärmepumpe die Anforderungen der Energieeinsparverordnung trotzdem weit übertroffen.

Bei einem zunehmenden Anteil von Lüftungsanlagen wird die Wärmepumpe zur Wärmerückgewinnung aus der Abluft weitere Verbreitung finden.

Tabelle 1: Musterrechnung Jahres-Heizwärmebedarf nach EnEV 2000

Jahres-Heizwärmebedarf = 9840 kWh/a
	Wärme-Aufwands- zahl * Energie = Wärmeenergie	Elektroaufwands- zahl * Energie = Elektroenergie
Übergabe Heizkörper mit Thermostatventil	1,08 · 9840 = 10627 kWh/a	0,00 · 9840 = 0 kWh/a
Verteilung (abh. vom Temperatur- niveau und der Verlegeart)	1,05 · 10626 = 11159 kWh/a	0,03 · 10627 = 319 kWh/a
Gas-Brennwertkessel
Wärmeerzeugung	1,0 · 11159 = 11159 kWh/a	0,01 · 11159 = 112 kWh/a		bezogen auf 141 m²
Heizenergie- bedarf	11159 kWh/a	431 kWh/a	11589 kWh/a	82,19 kWh/(m² · a)
			Nebenanforderung 2: max. 84,47 kWh/(m² · a)
Primärenergie- bedarf	1,1 · 11159 = 12274 kWh/a	3,0 · 431 = 1293 kWh/a	13566 kWh/a	96,21 kWh/(m² · a)
			Nebenanforderung 3: max. 97,14 kWh/(m² · a) = 100%
Wärmepumpenanlage (Arbeitszahl 4)
Wärmeerzeugung	0,25 · 11159 = 2790 kWh/a			bezogen auf 141 m²
Heizenergie- bedarf	2790 kWh/a	319 kWh/a	3108 kWh/a	22,04 kWh/(m² · a)
			Nebenanforderung 2: max. 84,47 kWh/(m² · a)
Primärenergie- bedarf	3,0 · 2790 = 8370 kWh/a	3,0 · 319 = 957 kWh/a	9325 kWh/a	66,13 kWh/(m² · a)
			Nebenanforderung 3: max. 97,14 kWh/(m² · a) = 68,75 %

* B i l d e r : Hautec AG, Bedburg-Hau

* Dipl.-Ing. Bernhard Frehn, Vorstand Hautec AG, Bedburg-Hau

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