Wärmepumpenheizung

Eine Wärmepumpenheizung entzieht der Umwelt (umgebende Luft, Grundwasser oder Erdreich) Wärmeenergie und hebt diese mittels einer Wärmepumpe auf ein verwertbares höheres Temperaturniveau an, um damit Gebäude oder andere Einrichtungen beheizen zu können.

Allgemeines

Wärmepumpenheizung 2021
Foto: Rainer Schwarz

Entgegen landläufiger Meinung enthält auch ein 3 °C kalter Gegenstand noch viel Wärmeenergie, weil seine Temperatur deutlich über dem absoluten Nullpunkt von -273 °C liegt. Einen Teil dieser Energie kann man entziehen, wenn man ihn weiter abkühlt. Die dazu erforderliche Anlage ist technisch fast wie ein Kühlschrank aufgebaut, hat jedoch deutlich mehr Antriebsleistung und heißt Wärmepumpe. Der Einsatz ist um so sinnvoller, je geringer die gewünschte Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmereservoir (z.B. Grundwasser von 7 °C) und dem Heizungs-Vorlauf ist. Die meisten Wärmepumpen können keine Vorlauftemperatur höher als 60 °C erzeugen. Eine Leistungszahl größer als 4 bringt zufriedenstellende Ergebnisse.

Technische Einzelheiten

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. Da Wärmepumpen zum Teil erhebliche Anlaufströme haben, die zu Netzrückwirkungen (Spannungseinbrüchen) führen können, muss der Anschluss vom Energieversorgungsunternehmen genehmigt werden. Die Genehmigung wird im Regelfall mit bestimmten Auflagen (Anlaufstrombegrenzung, Anläufe/Stunde beschränkt) erteilt.

Das verdichtete Kältemittel kondensiert im Verflüssiger. Dies ist ein Wärmeübertrager, der auf der Gegenseite mit einem Wärmeträger, in der Regel Wasser oder einem Wasser-Sole-Gemisch (Frostschutz), beaufschlagt wird. Die bei der Verflüssigung des Kältemittels frei werdende Wärme wird vom Wärmeträger aufgenommen und auf die Heizkörper oder Heizflächen übertragen. Die Wärmeleistung, die, bezogen auf die eingesetzte elektrische Leistung des Verdichtermotors, am Verflüssiger genutzt werden kann, steigt mit abnehmender Differenz zwischen der Verdampfungs- und der Verflüssigungstemperatur im Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe. Das Verhältnis der Wärmeleistung zur elektrischen Leistung wird als Leistungszahl einer Wärmepumpe (engl. Coefficient of Performance, abgekürzt COP) bezeichnet.

Eine niedrige Wärmeträgertemperatur (Vorlauftemperatur) kann insbesondere mit Fußbodenheizungen erreicht werden, da die Wärmeübertragungsfläche sehr groß ist. Ferner muss eine sehr gute Wärmedämmung für das zu beheizende Gebäude angestrebt werden, um bei geringem Wärmebedarf eine geringe Vorlauftemperatur des Wärmeträgers fahren zu können.

Das Verhältnis von Heizfläche zu der mittleren Übertemperatur von Heizkörper oder einer Fußbodenheizung verändert sich exponentiell. Dies ist mit der veränderten Leistungsabgabe von Boilern bei steigenden Primärtemperaturen zu vergleichen. Diese Problematik verursacht zudem, dass mittels Wärmepumpe die Speichertemperatur nur auf eine bestimmte Temperatur angehoben werden kann. Die zu erzeugende Warmwassertemperatur ist von dem maximalen Verdichter-Hochdruck abhängig.
Bei der Beheizung von Boilern mittels Erdsonden muss darauf geachtet werden, dass die Erdsonde nicht mit mehr als 100 W(therm.)/m Sonde belastet wird, um eine zu starke Vereisung der Sonde zu vermeiden. Da Eis ein schlechter Wärmeleiter ist, sinkt die Sondentemperatur zu weit ab und die Leistungszahl fällt in den unwirtschaftlichen Bereich unter 2,5.

Sperrzeiten

Wärmepumpenheizungen können zu Spitzenlastzeiten bis zu 3x2 Stunden pro Tag abgeschaltet werden (TAB). Allerdings können viele Energieversorgungsunternehmen (EVU) von dieser Möglichkeit nach unten abweichen, da sie die Sperrzeiten mittels der Rundsteuertechnik|Rundsteuerempfänger bezogen auf die tatsächliche Last steuern. Die Sperrzeiten sind dann relativ kurz, so dass ein erhöhter technischer Aufwand für eine Sperrzeitüberbrückung nicht notwendig wird. Pufferspeicher sind für die Überbrückung von Sperrzeiten sowieso nur bedingt einsetzbar, da für die Abschaltzeit der Wärmepumpe vom EVU kein Vorsignal gegeben wird. Daher könnte der Temperaturfühler im Pufferspeicher bei Eintritt der Sperrzeit gerade das „Ein“-Signal zum Anlauf der WP geben. Tritt dieser Fall ein, befindet sich im Pufferspeicher kein oder nur ein geringes nutzbares Temperaturgefälle. Jedoch ist die Gefahr, dass ein Gebäude durch eine Sperrzeit abkühlt, relativ gering, aber in begrenztem Umfang möglich (Abkühlung 1-2 K), etwa bei einem Gebäude ohne oder mit nur wenig Speichermassen.

Kennzahlen - Wirkungsgrad / Leistungszahl COP

Bei Wärmepumpen wird der Wirkungsgrad in Form der Leistungszahl Epsilon, neudeutsch auch Coefficient of Performance (COP) genannt, angegeben.

Elektro-Kompressions-Wärmepumpen für die Gebäudeheizung erreichen im Dauerbetrieb unter festgelegten Norm-Betriebsbedingungen Leistungszahlen von rund 50 % der vom zweiten Hauptsatz der Thermodynamik vorgegebenen Wirkungsgradgrenze, bezogen auf den eingesetzten Strom. Dieser Wert dient hauptsächlich zur Beurteilung der Qualität der Wärmepumpe selbst. Er berücksichtigt nicht den Rest des Heizungssystems.

$\epsilon \approx 0,5\cdot {\frac {T_{warm}}{T_{warm}-T_{kalt}}}$

(Alle Temperaturen in Kelvin.)

Für eine Wärmepumpe mit Erdwärmesonde (Verdampfungstemperatur $T_{kalt}=273\ \mathrm {K}$, etwa 0 °C) und Fußbodenheizung ($T_{warm}=308\ \mathrm {K}$, etwa 35 °C Vorlauftemperatur) errechnet man beispielsweise:

- in Bearbeitung

Wenn an dem gleichen Wärmepumpenkreislauf eine Heizkörper|Radiatorenheizung mit 55 °C ($T_{warm}=328\ \mathrm {K}$) Vorlauftemperatur (Verdampfungstemperatur -0 °C) angeschlossen wird, ergibt sich eine deutlich niedrigere Leistungszahl:

$\epsilon \approx 0,5\cdot {\frac {328\ \mathrm {K} }{328\ \mathrm {K} }}-273\ \mathrm {K} =3,0$

Beim Einsatz einer Erdwärmesonde als Wärmequelle ist die Verdampfungstemperatur unabhängig von der Umgebungstemperatur.

Eine Wärmepumpe, die als Wärmequelle die Umgebungsluft nutzt, hat eine deutlich niedrigere Verdampfungstemperatur als die Anlage mit einer Erdwärmesonde. Mit steigendem Wärmebedarf sinkt die Umgebungstemperatur und damit auch die Leistungszahl. Zudem ist die Wärmeübergangszahl von Luft zu den Verdampferflächen niedrig. Es finden daher möglichst großflächige, verrippte Rohre im Verdampfer Anwendung. Es ist ein Lüfter oder Ventilator notwendig, der die Luft durch die Verdampferflächen drückt.

Zudem wird im Verdampfer häufig der Taupunkt unterschritten, das sich bildende Kondensat (Wasser) muss abgeführt werden. Wird zudem im Verdampfer der Gefrierpunkt des Kondensats unterschritten, sinkt der Ertragsfaktor wegen der isolierenden Wirkung des Eismantels auf null. Enteisungseinrichtungen sind energetisch unsinnig, es wird die gleiche Menge an Energie zugeführt, die zuvor dem gefrorenen Kondensat entzogen wurde.

In der folgenden Berechnung der Leistungszahl wird eine Außentemperatur von ca. 7 °C unterstellt bei einer Temperaturdifferenz von 12 °C zwischen Lufteintrittstemperatur und Verdampfungstemperatur des Kältemittels, so dass für kalte Seite ($T_{kalt}=268\ \mathrm {K}$, etwa -5 °C) angesetzt wird:

- wird bearbeitet

Es wird deutlich, dass die Leistungszahl einer Wärmepumpe durch die Bauart der Wärmeübertrager, Verflüssiger und Verdampfer stark beeinflusst wird.
Unbetrachtet bleibt die stattfindende Vereisung des Verdampfers.
Die Anlage der Beispielrechnung ist nur sinnvoll bei Außentemperaturen größer als +12 °C einsetzbar.

Mit der Erdwärmesonde steht unabhängig von der herrschenden Außentemperatur eine Wärmequelle mit relativ hoher Temperatur zur Verfügung, während die Außenluft eine ungünstige Wärmequelle darstellt. Auf der Seite der Wärmesenke sollte mit einer möglichst großen Fläche eine kleine Temperaturdifferenz zwischen Raumtemperatur und Wärmeträgervorlauftemperatur angestrebt werden. In den dargestellten Beispielen variiert die Leistungszahl um den Faktor 1,8 zwischen der Erdwärmesonde/Fußbodenheizungswärmepumpe und der Außenluft/Radiatorwärmepumpe.

Jahresarbeitszahl (JAZ)

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 maximal 4,5. Wärmepumpenhersteller geben in der Regel eine unter optimalen Bedingungen ermittelte Jahresarbeitszahl an.

Die Jahrenarbeitszahl berechnet sich nach folgender Formel:

$JAZ={\frac {\int \limits _{t1}^{t2}{\dot {Q}}_{Heiz}\,dt}{\int \limits _{t1}^{t2}P_{el}\,dt}}$

Ökologische Bilanz

Die Umweltverträglichkeit einer Elektro-Kompressions-Wärmepumpe wird durch folgende Faktoren beeinflusst:

• Art der Stromerzeugung (CO₂-Bilanz, Schadstoffemission, Kraftwerkswirkungsgrad),
• Die Indirekte_Investitionen|indirekten Investitionen für das Gesamtsystem Wärmepumpe,
• Verluste bei der Leitung des elektrischen [[Stromkks,
• Leistungszahl der Wärmepumpe (Bauart des Verflüssigers, Temperaturniveau).

Eine Wärmepumpe mit einer Jahresarbeitszahl von 3 erzeugt - bezogen auf die Aufnahme elektrischer Energie - die dreifache Wärmeenergie.

Bei der Stromerzeugung und -leitung beträgt der Gesamtwirkungsgrad etwa 30 %. Das liegt im Wesentlichen an überalterten Kraftwerken aber auch an den Leitungsverlusten auf dem Weg zum Endverbraucher. Bei einem Wirkungsgrad von 30 % benötigt man 3,3 Teile Primärenergie um einen Teil Strom zu erzeugen. Wärmepumpen mit JAZ kleiner 3,3 verbrauchen mehr Energie als eine direkte Beheizung über eine Feuerstätte. Unter Berücksichtigung des oben genannten Wirkungsgrades der Stromerzeugung steht 90 % der in dem Kraftwerk eingesetzten Primärenergie für die Beheizung zur Verfügung. Dies entspricht etwa dem feuerungstechnischen Wirkungsgrad eines Heizöl- oder Gasheizungskessels, dabei ist die Primärenergiebilanz der Wärmepumpe im Vergleich zur direkten Verbrennung ausgeglichen. Ein ökologischer Vorteil besteht hier, dass im Kraftwerk emissionsreiche Brennstoffe verbrannt werden können, die für die Verbrennung in häuslichen Feuerstätten nicht zulässig sind.

Allerdings ist in Ländern mit hohem Wasserkraft|hydroelektrischen Anteil an der Stromerzeugung (z. B. Schweiz, Österreich, Norwegen) oder Ländern mit hohem Anteil an anderen erneuerbare Energie (z. B. Dänemark) der Einsatz einer Wärmepumpe ökologisch vorteilhafter, da die Emissionen bei der Stromerzeugung im Mittelwert geringer ausfallen.

Da neuerdings die EVU per Gesetz verpflichtet sind, die Herkunft ihres Stromes anzugeben, muss jeder für sich selbst entscheiden, ob die Umweltverträglichkeit für den Betrieb einer Wärmepumpe ausreicht. Allerdings kann heute jeder selbst Einfluss darauf nehmen, wie umweltverträglich sein Strom ist. Derzeit sind die Preise z. B. für Strom ausschließlich aus Wasserkraft tendenziell teurer als die durchschnittlichen Strompreise, was sich jedoch bei weiter steigenden Primärenergiepreisen relativieren wird. Trotzdem wird gerade dieser Punkt in Deutschland dauernd und z. T. kontrovers diskutiert.

Wärmepumpen können in der Gesamtbetrachtung Brennstoff bzw. Primärenergie einsparen, da sie den Großteil der 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. Zur Umweltverträglichkeit eines Systems gehört neben dem Wirkungsgrad und der CO₂-Bilanz auch die Möglichkeit in großtechnischen Kraftwerksanlagen die Rauchgasreinigung zentral und optimal zu kontrollieren.

Bei der CO₂-Einsparung gehen die Meinungen auseinander. Hier schneiden insbesondere die Luft-Wärmepumpen schlecht ab und Heizsysteme, die mit einer hohen Vorlauftemperatur arbeiten (Heizkörper). Zusammenfassung

Aus Umweltgesichtspunkten muss auch das Kältemittel berücksichtigt werden, das in der Wärmepumpe verwendet wird. Wegen der potentiellen Grundwassergefährdung im Falle eines Kältemittelaustritts ist bei Grundwasser-Erdsonden teilweise eine Genehmigung erforderlich.

Systemtypen - Aufbau der Kreisläufe

Die Systemtypen können an der Anzahl der Fluidkreise unterschieden werden. Die Entkopplung der Kreise durch indirekte Zuführung der Verdampfungswärme aus der Umgebung und die Abfuhr der Verflüssigungsenergie über ein Warmwasserheizungsnetz sind regelungstechnisch vorteilhaft, die Kältemittelmenge und die Wahrscheinlichkeiten von Leckagen sind gering. Dies ist insbesondere unter dem Aspekt der Umweltgefährdung des Kältemittels (Treibhauseffekt - FKW) und den Gefährlichkeitsmerkmalen (Entzündbarkeit - Propan) zu bewerten.

Der Nachteil ist der Einbau von Wärmeübertragern im Sole- und Heizungskreislauf zum Kältemittelkreislauf, wodurch ein Temperaturabfall von 3 - 5 K in Kauf genommen werden muss. Dies hat zur Folge, dass die Verdampfungstemperatur um den Temperaturabfall am Wärmeübertrager höher ist als die Vorlauftemperatur der Sole. Ebenso muss die Verflüssigungstemperatur des Kältemittels um die Temperaturdifferenz höher sein als die Vorlauftemperatur im Heizungskreis.

• 3-Kreis-System

Lange nutzten die Wärmepumpenheizungen diese Systemform. Sole wird als Übertragungsmedium genutzten, in Form einer Tiefenbohrung oder eines Flächenkollektors. Hierbei zirkuliert Sole in einem geschlossenen Kreislauf und nimmt die Wärme des Erdreichs auf, um sie in der Wärmepumpe an den Kältemittelkreislauf abzugeben. Im dritten Kreis, der Raumheizung, zirkuliert Wasser, welches über einen Wärmetauscher durch die Wärmepumpe erwärmt wird.

• 2-Kreis-System

Sie werden auch Direktsysteme genannt, weil sie auf den Solekreis verzichten. Es entfällt der Wärmeübergang vom Kollektorkreis (Sole) auf den Arbeitskreis der Wärmepumpe. Das Kältemittel nimmt die Wärme direkt auf (Direktverdampfung). Dies bringt alleine einen energetischen Vorteil von wenigstens 5K. Zugleich kann auch die Solezirkulationspumpe entfallen, was sich in einem niedrigeren Stromverbrauch auswirkt. Beim Einsatz von Erdspießen als Wärmequelle ist die direkte Verdampfung nicht möglich; es muss ein Solekreis verwendet werden.

• 1-Kreis-System

Hierbei zirkuliert das Kältemittel in den Rohren der Raumheizung, in der Wärmepumpe und im Kollektor im Garten in einem gemeinsamen geschlossenen Kreis. Der Wärmeübergang auf Wasser als Heizmedium im Haus entfällt somit. Dieses System hat energetische Vorteile, da die Umwälzpumpe und der Temperaturabfall an dem Wärmeübertrager zum Heizkreis entfallen. Das Kältemittel wird in der Regel als Heißgas zu den Kollektoren der Fußbodenheizung geführt und kondensiert in dem Verflüssigersystem. Problematisch an dieser Anordnung sind:

• deutlich höhere Kältemittelfüllmengen,
• die aufwändige Verrohrung bedingt höhere Wahrscheinlichkeiten von Leckagen,
• problematische Ölrückführung aus dem Fußbodenkollektor,
• lastabhängige Kältemittelverteilung in dem Gesamtsystem,
• schwierige Regelung und gegenseitige Beeinflussung der Fußbodenkollektorflächen.

An die Realisierung dieses Systemtyps trauen sich bisher wenige (2007 ca. 2-3) Hersteller heran, weil er systemtechnisch (Druck und Temperatur des Kältemittels und Laufzeit der Wärmepumpe) schwierig in den Griff zu bekommen ist.

Wärmequellen

Als Wärmequelle im Kollektorkreis dienen:

• Erdwärmekollektoren sind in geringer Tiefe (ca. 1 bis 1,5 m, Abstand ca. 1 m) im Erdboden verlegte „Heizschlangen“.
• Erdwärmesonden sind Bohrungen in den Boden bis zu mehreren 100 Metern. Eine teurere Alternative, wenn die Grundstücksfläche für den Wärmegewinn via Erdwärmekollektor nicht ausreicht. Die meisten Bohrungen werden bis 50 Meter ausgeführt. Reicht die Leistung einer Erdwärmesonde nicht aus, werden mehrere Bohrungen auf Basis der gewünschten Entzugsleistung durchgeführt.
• das Trinkwasserversorgungssystem. Ein zweiter Anschluss an die Versorgungsleitung und ein Wärmetauscher sind dafür erforderlich. Wesentlicher Vorteil sind die geringen Investitionskosten von rd. 2.000 Euro. Das System wird zur Zeit noch entwickelt.
• Grundwasser wird in einem Brunnen entnommen und durch einen so genannten Schluckbrunnen zurückgeführt.

Hier ist die Qualität des Wassers von entscheidender Bedeutung für die Zuverlässigkeit des Systems. Vor der Installation einer derartigen Anlage sollte also eine Wasserprobe gemacht werden.

• Luft direkt aus der Umgebung bzw. in Verbindung mit einem Erdwärmeübertrager.

In Deutschland liegt den Berechnungen üblicherweise eine Temperatur von 0 °C für Erdwärmekollektoren bzw. Erdwärmesonden und von 8 °C für Grundwasser zugrunde.

Luftwärmepumpe

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

• Luft-Wasser-Wärmepumpe: entzieht der Umgebungsluft über einen 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 Direktverdampfung 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 bei solchen mit kleinen Verdampferflächen. Die Luftwärmepumpe hat bei sehr tiefen Temperaturen geringere Effizienz, dagegen an 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 in bivalenter Nutzung gut anwenden. Ihre Jahresarbeitszahl ist geringer als bei den anderen Systemen. Bei der Anlagendimensionierung ist unbedingt zu beachten, dass ab ca. -10 °C die Arbeitszahl nur noch ca. 1,5 ist.

Als Entscheidungshilfe sollte man sich über die Arbeitszahlkennlinien der Favoriten informieren, diese bestimmen maßgeblich die Betriebskosten.

Dimensionierungswerte: Fußbodenheizung Vorlauftemperatur (25 ... 30) °C, Heizkörperheizung Vorlauftemperatur 55 °C

Heizwasserverteilung/Zwischenlagerung

Da viele Wärmepumpen, vor allem Luft-Wasser-Systeme, nicht genug Leistung abgeben können, um den Heizwasserkreislauf direkt zu erwärmen, muss das Heizwasser zwischengelagert werden; dies geschieht in einem großen, wärmeisolierten Tank, welcher wie ein Boiler aussieht. Dieser Tank fasst mehrere hundert Liter Wasser. Zur Erwärmung zirkuliert nun der Wasserstrom zwischen dem Tank und den Radiatoren bzw. der Fußbodenheizung. Die Wärmepumpe erwärmt das Wasser im Tank. Dieser Tank wird auch gebraucht, um Heizwasser während den Sperrzeiten des Energieversorgungsunternehmens bereitzustellen.

Verbreitung - Deutschland

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 von den Stromtarifen ab, die je nach Bundesland erheblich variieren.

Österreich

Insgesamt wurden in Österreich von 1975 bis 2005 190.200 Wärmepumpenanlagen errichtet. Die meisten Wärmepumpen jährlich wurden in den Jahren 1986 und 1987 (mit über 13.000 Wärmepumpen pro Jahr) installiert.

Schweiz

In der Schweiz beträgt der Marktanteil bei Neubauten rund 75 %. Die spef. Kosten für die Heizwärme betragen mit einer Erdwärme nutzenden Wärmepumpe 3,9 Rp/kWh. (ca. € 0,024 /kWh), während eine konventionelle Ölheizung mit spez. Kosten von 7,9 Rp./kWh (ca. € 0,048 /kWh) zu veranschlagen ist. Eine staatliche Förderung ist somit überflüssig.

Verbreitung

Jährlich neu installierte Wärmepumpenheizungen in Deutschland (DE) und Österreich (AT)

Jahr	DE	AT
1995	1.200	5.124
1996	2.300	5.312
1997	3.600	4.957
1998	4.400	4.819
1999	4.800	4.612
2000	5.700	4.795
2001	8.200	5.590
2002	8.300	5.780
2003	9.890	6.935
2004	12.900	7.968
2005	18.900	9.795
2006	44.000	13.180
2007	44.600	15.148
2008	62.500	18.705
2009	54.800	18.138
2010	51.000	16.962
2011	57.000	16.398
2012	59.500	18.861
2013	60.000	19.175
2014	58.000	21.439
2015	57.000	23.014
2016	66.500	22.994
2017	78.000	?
2018	84.000	?
2019	86.000	?
2020	120.000	?

Kosten - Direkte Investitionen

Gute Wärmepumpenheizungen auf Erdkollektor- bzw. Erdsonden-Basis kosten im Neubau kaum 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 Leistung (Elektrisch)|Anschlussleistung einer installierten Elektro-Wärmepumpe muss zusätzlich zum allgemeinen Bedarf im Stromnetz bereitgestellt werden. Die Investitionen für diese neue Kraftwerksleistung ist zu den Investitionen der Wärmepumpe hinzuzurechnen, da sie ohne diese nicht notwendig wäre. Für eine Wärmepumpe mit 5 kW ergeben sich dabei, je nach verwendeter Technik und Primärenergieträger, Investitionen 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 (Physik) 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. Wegen der Halbierung der erforderlichen Primärenergien spart der Staat Devisen und schafft deshalb Anreize für eine Umstellung. Das Tempo der Umstellung auf klimafreundliche Heizsysteme wird uns die Entwicklung des Weltklimas diktieren, bzw. die CO₂-Steuer und der Öl/Gas- Preis die heutigen Kostenüberlegungen bald zugunsten eines Wärmepumpenheizsystemes verändern lässt.

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 Transportaufwand als Produkt aus Wegstrecke x Volumen der jeweiligen Energieträger vom Abbauort zum Verbrennungsort verursacht bei der Wärmepumpenheizung nur die Hälfte an Transportkosten und Transportrisiken, als dies bei der privaten konventionellen Heizung der Fall ist, es addieren sich allerdings die Leitungsverluste im Stromnetz. Dafür ist der technische Standard hinsichtlich Luftschadstoffbehandlung im Kraftwerk weitaus besser, als bei der Verfeuerung im privaten Bereich.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass eine Elektro-Wärmepumpe, im Gegensatz zur konventionellen Heizung, außerhalb ihres Einsatzortes im Kraftwerk indirekte Kosten in mehrfacher Höhe verursacht, welche durch den allgemeinen Stromtarif gestützt werden müssen. Den indirekten Kosten muss der langjährig eingesparte Primärenergieaufwand (Devisen) gegengerechnet und klimatechnisch (CO₂-Emissionsrechte) bewertet 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 im besten Fall 4,0 kostet die Erzeugung der Niedertemperatur-Nutzwärme aus Erdwärme 5 Cent/kWh (brutto). Außerdem können die Kosten für den Schornsteinfeger entfallen, wenn kein zusätzlicher Kachelofen o.ä. vorhanden ist.

Der Liter Heizöl kostet derzeit (Stand 01/2008) ca. 0,80 € und beinhaltet etwa 10 kWh thermisch nutzbare Energie. Somit ergibt sich ein Preis von etwa 8 Cent/kWh für Öl.

Sehr moderne Öl-Brennwertthermen weisen im realen Betrieb Wirkungsgrade von mehr als 90 % auf. Damit ergibt sich ungünstigstenfalls für die Erzeugung der Nutzwärme ein Preis von 8,8 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. 8,8 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 mehr als 3 Viertel der gesamten Heizenergie 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 (2005) von 10,4 Cent/kWh brutto zzgl. einem Grundpreis von 4,15 €/Monat brutto an.

Verschiedene Stromkonzerne und Wärmepumpenbetriebe veröffentlichen Werbestatistiken, die sich auf z.Z. (2005) sehr günstige Wärmepumpentarife beziehen. Die EnBW veröffentlicht beispielsweise eine Übersicht der Jahresbetriebskosten für 3 Heizsysteme. Demnach verursacht die

Erdwärme-Wärmepumpe: 375 € für Energie, 72 € für Nebenkosten; in Summe 447 €.

Öl-Zentralheizung: 767 € für Energie, 355 € für Nebenkosten; in Summe 1.122 €

Erdgas-Zentralheizung: 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.

Da ein Gebäude jedoch auch Wärme für die Trinkwasserbereitung benötigt und diese häufig bei Wärmepumpenheizung mittels elektr. Durchlauferhitzer erfolgt, sind die Gesamtkostendifferenzen oft erheblich ungünstiger für die Wärmepumpe, als zuvor dargestellt.
Aus hygienischer Sicht (Legionellenschutz) ist es bei größeren Trinkwasserspeichern (>400l) sinnvoll bzw. Pflicht, diese auf 60 °C einzustellen, bei einer so hohen Temperatur ist die Arbeitszahl einer Wärmepumpe meist weit unter 3 und somit nicht sehr wirtschaftlich.

Volkswirtschaftliche Bedeutung

Volkswirtschaftlich betrachtet haben Wärmepumpenheizungen nur dann das Potenzial Brennstoffe zu reduzieren, wenn der benötigte Strom regenerativ erzeugt wurde. Nur dann kann durch die Nutzung der Erd- oder Umgebungswärme der Verbrauch von Kohle, Erdgas und Heizöl verringert werden. Gas- und Ölheizungen bringen aus volkswirtschaftlicher Sicht größere Abhängigkeit vom Ausland.

siehe auch:

Geothermie, Wärmepumpe, Kältemaschine

Literatur

• Recknagel-Sprenger-Schramek: Taschenbuch für Heizung Klimatechnik, ISBN 3-486-26214-9
• Stiftung Warentest: test Nr. 6 vom 6. Juni 2007, ISSN|0040-3946

Weblinks

• Bundesverband WärmePumpe (BWP) e.V.
• Stiftung Warentest: Test von Wärmepumpenheizungen

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