Alternative: Die Wärmepumpe

Die Elektrische Wärmepumpe: Gern empfohlene Alternative zu Heizöl und Gas
Nach einem kurzen Boom in den siebziger Jahren erlebt die Wärmepumpe seit einiger Zeit wieder eine Renaissance und wird sowohl von Installateuren als auch von vielen Stromversorgern eifrig propagiert. Geworben wird dabei mit deutlich niedrigeren Heizkosten als bei den konventionellen mit Heizöl oder Erdgas betriebenen Heizungsanlagen. Allerdings sind die Investitionskosten für eine Wärmepumpe deutlich höher. Ob sich eine solche Investition wirklich lohnt, hängt von vielen Faktoren ab.

Funktionsweise
Eine Wärmepumpe funktioniert im Prinzip wie ein Kühlschrank – nur mit umgekehrter Zielrichtung: Beim Kühlschrank wird dem Kühlraum und den Lebensmitteln Wärme entzogen und auf die Geräterückseite transportiert. Da die Wärme nicht von selbst von der kalten zur warmen Seite wandert, muss zum Transport Strom oder Gas eingesetzt werden. Bei der Wärmepumpe wird die Außenluft, das Erdreich oder das Grundwasser abgekühlt und die dabei gewonnene Wärme an das Heizungswasser und das Warmwassersystem abgegeben. Dazu muss die Wärme auf ein höheres Temperaturniveau „gepumpt“ werden. Hier interessiert also nicht die Kälte-, sondern die Wärmeleistung.

Wärmequellen
Als Wärmequellen für Wärmepumpen kommen in Betracht: Grundwasser, Erdreich, Außenluft, Abwässer oder Abluft aus einer Lüftungsanlage.

Wärme aus dem Grundwasser
Grundwasser ist die günstigste Wärmequelle, da es ab einer Tiefe von 10 Meter ganzjährig eine Temperatur von etwa 10 °C hat. Doch Grundwasser ist nicht überall in ausreichender Qualität und Menge verfügbar. Wasserqualität und Ergiebigkeit der Brunnen müssen untersucht werden. Informationen kann möglicherweise die zuständige Wasserbehörde oder auch der Stromversorger liefern. Außerdem ist es erforderlich, vor Baubeginn bei der örtlichen Wasserbehörde eine Genehmigung einzuholen.

Für den Betrieb der Wärmepumpen werden zwei Brunnen gebraucht – ein Förderbrunnen und ein Schluckbrunnen. Das Wasser wird dem Förderbrunnen mit einer Förderpumpe (Tauchpumpe) entnommen, in der Wärmepumpe um etwa 3 bis 4 °C abgekühlt und dann dem Schluckbrunnen zugeführt. Die Wasserbehörden machen meist zur Bedingung, dass das Grundwasser in dieselbe Tiefe zurückgepumpt werden muss, aus der es geholt wurde, so dass beide Brunnen dieselbe Tiefe haben müssen. Der Abstand zwischen Förder- und Schluckbrunnen sollte mindestens 10 Meter betragen. Der Schluckbrunnen muss in Fließrichtung des Wassers gesehen immer hinter dem Förderbrunnen liegen, daher ist die Kenntnis der Fließrichtung wichtig. Der Abstand zum Grundwasserspiegel sollte nicht mehr als 15 Meter betragen, weil die Pumpe ansonsten eine hohe Förderleistung bringen muss, wodurch sich der Stromverbrauch deutlich erhöht.

Der Wärmetauscher (Verdampfer) der Wärmepumpe sollte aus Edelstahl bestehen. Vor allem bei eisenhaltigem Wasser ist es sehr wichtig, dass auf dem Weg vom Förderbrunnen zum Schluckbrunnen kein Sauerstoff ins Wasser gelangt. Andernfalls besteht die Gefahr, dass Eisen oxidiert und der entstehende Eisenschlamm Wärmetauscher und Schluckbrunnen verstopft.

Wärme aus dem Erdreich
Kann oder darf das Grundwasser nicht genutzt werden, bietet sich das Erdreich als zweitbeste Wärmequelle an. Zur Nutzung der Erdwärme werden Kunststoffrohre ins Erdreich verlegt, durch die ein Gemisch aus Frostschutzmittel und Wasser fließt. Diese Sole wird im Verdampfer der Wärmepumpen unter die Temperatur des umgebenden Erdreichs abgekühlt, so dass die Sole Wärme aus dem Erdreich aufnehmen kann. Vorteil dieses Verfahrens: Es ist fast überall ohne Risiko anwendbar. Allerdings ist das System weniger effizient, da es zwei Wärmeübergänge gibt – nämlich vom Erdreich auf die Sole, und von der Sole auf das Kältemittel.

Die Temperatur der Sole liegt im Winterhalbjahr etwa zwischen 10 und minus 8 °C, ist also deutlich kälter als das Grundwasser in 10 Meter Tiefe. Um trotzdem eine gute Effizienz zu erreichen, ist eine Flächenheizung praktisch unabdingbar, etwa in Form einer Fußboden- oder Wandheizung. Da die Sole zähflüssiger ist als Wasser, darf der Stromverbrauch der Soleumwälzpumpe bei der Berechnung der Leistungs- und Jahresarbeitszahl nicht vernachlässigt werden.

Bei horizontaler Verlegung der Kunststoffrohre in 120 bis 150 Zentimeter Tiefe muss die Fläche des Erdreiches etwa ein- bis zweimal so groß sein wie die Wohnfläche, um das Haus ausschließlich über die Wärmepumpe beheizen zu können. Die Fläche in der Erde kann umso kleiner sein, je besser das Haus gedämmt ist. Und: Je feuchter der Boden, desto besser die Wärmeübertragung. Der erforderliche Mindestabstand der Rohre beträgt 0,5 Meter. Die vertikale Verlegung, bei der senkrechte Erdsonden 30 bis 100 Meter tief in den Boden gebracht werden, benötigt erheblich weniger Fläche. Allerdings ist dazu eine wasserrechtliche Erlaubnis erforderlich.

Unter optimalen Bedingungen können aus der Erde je laufendem Meter Rohr etwa 80 bis 120 W gewonnen werden. In der Praxis lassen sich jedoch häufig lediglich 40 bis 60 W erreichen. Insbesondere bei trockenem Untergrund besteht die Gefahr, dass das Bohrloch dauerhaft auskühlt. Allerdings können mittels einer 100 Meter tiefen trockenen Bohrung der Erde etwa 5 kW Wärme dauerhaft entzogen werden. Falls das nicht ausreicht, müssen mehrere Bohrungen mit einigen Metern Abstand eingebracht werden. Erdkollektoren können bei wassergesättigtem Boden zwischen 35 und 40 Watt pro Quadratmeter entziehen, bei feuchtem und lehmigem Boden zwischen 25 und 30 W und bei trockenem und sandigem Boden zwischen 10 und 15 W pro Quadratmeter.

Wärme aus der Luft
Luft kann überall als Wärmequelle genutzt werden. Nachteil: Der Wärmegehalt der Luft ist etwa 3.500-mal kleiner als derjenige von Wasser, so dass große Mengen Luft umgewälzt werden müssen. Außerdem können die Lüftergeräusche stören (Achtung: Nachbarschaft!). Der größte Nachteil ist jedoch, dass die Lufttemperatur und damit auch die Heizleistung der Wärmepumpe ausgerechnet dann am niedrigsten ist, wenn besonders viel Wärme fürs Haus gebraucht wird – nämlich in der kalten Jahreszeit. Um das Wärmeangebot dem Wärmebedarf anzupassen, sind neuere Luft/Wasser-Wärmepumpen mit einer Drehzahlregelung ausgestattet. Diese Anlagen laufen bei geringem Wärmebedarf mit niedriger Drehzahl und bei hohem Bedarf mit hoher Drehzahl.
Bei Außentemperaturen um oder unter dem Gefrierpunkt bildet sich am Verdampfer-Wärmeaustauscher Eis, das regelmäßig durch Wärmezufuhr entfernt werden muss.

Luft/Wasser-Wärmepumpen werden oft nur bivalent zu einem bestehenden Heizkessel eingesetzt: Sie übernehmen die Heizung des Hauses, sobald draußen Temperaturen von 4 °C überschritten werden. Häufig wird anstelle eines Gas- oder Ölkessels lediglich ein Elektroheizstab in das Heizungssystem eingebaut (monoenergetische Betriebsweise), der sich bei sehr tiefen Außentemperaturen parallel oder alternativ zur Wärmepumpe einschaltet. In diesem Fall wird lediglich ein Drittel der im Kraftwerk eingesetzten Primärenergie in Nutzwärme umgewandelt! Der Heizstab sollte deshalb so wenig wie möglich, besser gar nicht, zum Einsatz kommen.

Wichtige Kenngrößen und Definitionen

  1. Leistungszahl ε
    Sie beschreibt das Verhältnis der an das Heiznetz abgegebenen Heizleistung in kW zur aufgenommenen elektrischen Leistung der Wärmepumpe in kW. Diese Zahl wird unter definierten Bedingungen (z.B. 10 Grad Eintrittstemperatur, 35 Grad Austrittstemperatur) auf dem Prüfstand gemessen. Damit lassen sich verschiedene Wärmepumpenaggregate vergleichen. Die Leistungszahl sollte deutlich über 4 liegen.

  1. Jahresarbeitszahl (JAZ) β
    Diese Zahl ist wichtiger als die Leistungszahl, weil sie Auskunft über den Strombedarf der Gesamtanlage gibt. Sie beschreibt das Verhältnis der über ein Jahr ins Heiznetz und ggf. ins Warmwassersystem abgegebenen Energie zu der im gleichen Zeitraum dafür verbrauchten Strommenge. Wichtig ist dabei, dass alle Stromverbraucher der Anlage also auch Solepumpen, sonstige Pumpen und der elektrische Heizstab erfasst werden. Wenn eine JAZ genannt wird, sollte man also immer fragen, welche Geräte dabei einbezogen sind. Die JAZ sollte möglichst deutlich größer als 3 sein. Je kleiner die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Vorlauftemperatur der Heizung ist, umso größer ist die JAZ.

Betriebsweisen

  • Monovalent: Die Wärmepumpenanlage ist der alleinige Wärmeerzeuger und muss den gesamten Bedarf für Heizung und ggf. Warmwasser decken.
  • Bivalent: Neben der Wärmepumpenanlage gibt es einen oder mehrere zusätzliche Wärmeerzeuger.
  • Monoenergetisch: Der zusätzliche Wärmeerzeuger ist ein elektrischer Heizstab, so dass Strom der einzige Energieträger ist.

Verträge, Vorschriften und Genehmigungen
Die Inbetriebnahme einer Wärmepumpenanlage ist beim Stromversorger zu beantragen. Es wird ein Wärmpumpensondervertrag abgeschlossen, in dem häufig ein Preis für die Schwachlastzeit nachts und ein Preis für den Tag vereinbart werden. Ein zweiter Stromzähler wird daher eingebaut. Außerdem behalten sich die Versorger in der Regel vor, die Stromversorgung der Wärmepumpe für maximal 3 mal 2 Stunden innerhalb von 24 Stunden zu unterbrechen. Dies muss bei der Dimensionierung berücksichtigt werden und kann durch den Einbau eines Pufferspeichers oder durch die Speicherfähigkeit einer Fußbodenheizung aufgefangen werden.

Bei Boden und Grundwasser als Wärmequellen sind das Wasserhaushaltsgesetz und die zugehörigen Vorschriften der Länder zu berücksichtigen. Für Erdbohrungen ist grundsätzlich eine wasserrechtliche Erlaubnis bei der unteren Wasserbehörde einzuholen. Dies übernimmt meist das Bohrunternehmen. Bei Flächenabsorbern ist nur bei Grundwassernähe eine Anzeigepflicht vorgesehen. Luftwärmepumpen sind genehmigungsfrei.

Finanzieller Aufwand
Investitionskosten inklusive Einbau und sonstiger Nebenkosten

Luft-Wasser-Wärmepumpe: ca. 12.000 bis 14.000 Euro.

Sole-Wasser-Wärmepumpen:

* Wärmepumpenaggregat: ca. 9.000 bis 11.000 Euro * Erdkollektor: ca. 800 bis 1.000 Euro pro kW * Erdsonde: ca. 900 bis 1.100 Euro pro kW

Wasser-Wasser-Wärmepumpen:

* Wärmepumpenaggregat: ca. 9.000 bis 11.000 Euro * Brunnen: ca. 20 bis 30 Euro pro Meter Bohrtiefe

Pufferspeicher: ca. 1.000 Euro

Zuschlag für die Flächenheizung: ca. 2.000 Euro

Betriebskosten
Der Wärmepumpenstrom kostet ca. 12 bis 15 Cent pro kWh. Bei Neubauten liegen die Betriebskosten in der Summe um den Faktor 2 bis 2,5 niedriger als bei konventionellen Heizungsanlagen, die mit Heizöl oder Erdgas betrieben werden. Ob eine Wärmepumpenanlage insgesamt wirtschaftlicher ist als eine Öl- oder Gasheizung, hängt von vielen Faktoren ab. Eine genaue Dimensionierung und die Effizienz der Anlage sind dabei die wichtigsten Faktoren. Außerdem spielt die künftige Preisentwicklung bei den Energieträgern eine Rolle.

Ökologie
Häufig wird die Wärmepumpe zu den Anlagen gezählt, die erneuerbare Energien nutzen. Begründet wird dies damit, dass mit 1 kWh Strom 3 kWh Umweltwärme gewonnen werden. Berücksichtigt man jedoch die hohen Verluste bei der Stromerzeugung, die auch noch hauptsächlich auf Kohle- und Atomkraftwerken beruht, sieht die Bilanz nicht mehr ganz so gut aus. Das Ergebnis im Einzelnen steht und fällt mit der realisierten Jahresarbeitszahl sowie dem jeweiligen Strommix des örtlichen Versorgers, den man den Angaben auf der Stromrechnung entnehmen kann.
Quelle: Verbraucherzentrale Niedersachsen

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