Wärmepumpen sind Maschinen, die Umweltwärme, auch wenn sie bei niedrigen Temperaturen vorliegt, nutzbar machen, indem sie das Temperaturniveau anheben. Wärmepumpen gelten als Schlüsseltechnologie für die Wärmewende. In der neuen VDI 4645 finden Sie die technischen Regeln dazu.
Was ist eine Wärmepumpe?
Eine Wärmepumpe nutzt die in der Umwelt enthaltene thermische Energie, um ein Gebäude zu beheizen und warmes Wasser zu erzeugen. Mit ihrer Hilfe kann aber auch an warmen Tagen ein Gebäude gekühlt werden. Anstelle eines Verbrennungsprozesses, wie er bei Gas-, Öl- oder Holzheizungen stattfindet, tritt hier ein technischer Prozess auf. Im Grunde handelt es sich dabei um die umgekehrte Funktionsweise eines Kühlschranks. Während ein Kühlschrank seinem Innenraum die Wärme entzieht und sie nach außen ableitet, entzieht eine Wärmepumpe ihrer äußeren Umgebung Wärme und gibt sie als Heizenergie in den Innenraum ab. Wärmepumpen, die sowohl heizen als auch kühlen können, nutzen ihre Umgebung im Sommer als Kälte- und im Winter als Wärmequelle.
So funktionieren Wärmepumpen
Es gilt: Wärme kann nur von einem Körper auf einen anderen übertragen werden, wenn die Temperatur beim wärmeabgebenden Part höher ist. Eine Wärmepumpe ist eine Maschine, die Wärme zu diesem Zweck von einem niedrigen auf ein höheres Temperaturniveau anhebt.
Zum Einsatz kommt eine Wärmepumpe zum Beispiel:
- in einer Heizungsanlage, wo sie die Wärmeentnahme aus der Außenluft ermöglicht, um sie für Heizzwecke verfügbar zu machen, obwohl die Temperatur der Außenluft niedriger ist als die der Wohnung.
- in einer Klimaanlage, in der sie die Wärmeentnahme aus einem Büro ermöglicht, um diese zu Kühlzwecken im Sommer nach außen zu führen, obwohl draußen höhere Temperaturen herrschen als im Büro.
Der zugrundeliegende Wärmepumpenprozess ist ein Kreisprozess. Das heißt, ein Medium wird immer wieder im Kreis geführt und durchläuft dabei verschiedene Zustandsänderungen. Die folgende Grafik stellt einen Wärmepumpen-Kreisprozess dar.
Grafik 1: Funktionsweise einer Wärmepumpe.
Bild: © f:data GmbH
Zur Wärmeaufnahme (1) und Wärmeabgabe (3) sind jeweils Wärmeübertrager notwendig, die im Kreisprozess als Verdampfer und Kondensator genutzt werden. Weiterhin werden ein Verdichter (2) und ein Entspannungsventil (4) genutzt.
Das im Kreis geführte Medium ist ein Kältemittel. Die gebräuchlichsten sind:
- R410A (fluorierte Kohlenwasserstoffe, bei der Entweichung klimaschädlich)
- R32 (ebenfalls ein fluorierter Kohlenwasserstoff, aber weniger klimaschädlich)
- R1234yf (Hydrofluorolefine, noch weniger klimaschädlich)
- R290 (Propan, am klimafreundlichsten aber leicht brennbar und deshalb mit erhöhten Sicherheitsanforderungen)
Grafik 1 stellt das einmalige Durchlaufen des Kreisprozesses dar:
- Wärme wird aus einer Quelle aufgenommen und im Verdampfer-Wärmeübertrager an den Kreisprozess übertragen. Das im Kreisprozess verwendete Medium wird hierdurch verdampft. Die Wärmeaufnahme führt dazu, dass die äußere Quelle abgekühlt wird.
- Das nun gasförmige Medium wird im Verdichter komprimiert, wodurch die Temperatur und der Druck des Mediums angehoben werden.
- Das heiße, gasförmige Medium gibt im Kondensator-Wärmeübertrager Wärme an eine externe Senke ab und wird dadurch abgekühlt. Hierdurch kondensiert das Medium im Kreisprozess aus und ist dann wieder flüssig. Die externe Wärmesenke wird aufgeheizt. Der Druck des Mediums im Kreisprozess ist weiterhin hoch.
- Das abgekühlte und verflüssigte Medium wird im Entspannungsventil dekomprimiert, wodurch die Temperatur weiter sinkt und der hohe Druck ebenfalls absinkt. Das Medium hat nun seinen ursprünglichen Zustand wieder erreicht und kann im Verdampfer wieder Wärme aufnehmen.
Der Verdichter
Verdichter können technisch unterschiedlich ausgeführt werden. Es gibt unter anderem:
- Kompressionswärmepumpen
- Ab- und Adsorptionswärmepumpen
Die Wärmeübertrager
Dem Kreisprozess wird beim Verdampfer-Wärmeübertrager (1) von außen Wärme zugeführt. Je nach Wärmequelle muss der Wärmeübertrager und das enthaltene Fluid entsprechend ausgeführt und ausgelegt werden (siehe Grafik 2 unten). Das Fluid im Wärmeübertrager ist nicht mit dem Kältemittel aus dem Kreisprozess zu verwechseln. Es handelt sich um einen separaten Kreislauf. Die gebräuchlichsten Ausführungsarten sind Luftsysteme und geothermische Systeme.
Grafik 2: Unterschiedliche Wärmequellen für Wärmepumpen.
Bild: © f:data GmbH
Die Neufassung der VDI 4645
Mit Blick auf das Gebäudeenergiegesetz gelten Wärmepumpen als Schlüsseltechnologie für die Wärmewende. Die wichtigsten technischen Regeln für Planung, Errichtung und Betrieb von Heizungsanlagen mit Wärmepumpen in Ein- und Mehrfamilienhäusern sind in der Neufassung der VDI 4645 (2023-04) verankert. Die Richtlinie behandelt unter anderem:
- Hinweise von der Voruntersuchung bis zur Detailplanung
- Hinweise zu den Kosten
- Checklisten und Beispiele
Arten von Wärmepumpen
Geothermische Systeme
Wird die für den Kreisprozess notwendige Wärme dem Erdreich entzogen, spricht man von geothermischen Systemen. Dies können zum einen geschlossene Kreisläufe sein, die als Erdwärmesonden und Erdkollektoren ausgeführt werden. Die in diesen geschlossenen Kreisläufen enthaltenen Flüssigkeiten sind Gemische aus Wasser und Frostschutzmittel, die als Sole bezeichnet werden. Entsprechende Wärmepumpensysteme werden als Sole-Wasser-Wärmepumpe bezeichnet. Ein Maß für die Effizienz bei Wärmepumpen-Heizungsanlagen ist die sogenannte Jahresarbeitszahl (JAZ). Sole-Wasser-Wärmepumpen haben eine JAZ von bis zu 4,5.
Bei offenen Systemen, bei denen Brunnenwasser aus dem Erdreich gefördert, abgekühlt und wieder ins Erdreich versickert, spricht man von Wasser-Wasser-Wärmepumpen, die eine sehr gute JAZ von 5 aufweisen.
Die geothermischen Systeme profitieren davon, dass das Erdreich ab einer bestimmten Teufe (bergmännische Bezeichnung für Tiefe ab der Erdoberfläche) über das gesamte Jahr eine konstante Temperatur aufweist. Ab 10 m Teufe kann man ganzjährig von Temperaturen zwischen 8 und 12 °C ausgehen. Als weitere Faustregel kann man eine Temperatursteigerung von 1 °C / 100 m Teufe annehmen.
Erdwärmesonden
- Ab 100 m Teufe gilt Anzeige- oder Genehmigungspflicht
- Durch vertikale Bauweise sehr geringer Platzbedarf
- Für die Installation sind Bohrgeräte spezieller Firmen nötig → Kosten!
- Ggf. erhöhter Verwaltungsaufwand (u. a. Berichtspflichten, Versicherungen, Prüfung des Grundwassers durch "Untere Wasserbehörde") → Kosten!
Erdkollektoren
- Meist in 1 bis 1,5 m Tiefe vergraben, kein gesondertes Baugerät nötig
- Keine Anzeige- oder Genehmigungspflicht
- Erhöhter Platzbedarf aufgrund horizontaler Bauweise
- Installationskosten geringer als bei Erdwärmesonden
Brunnensysteme
Wasser-Wasser-Wärmepumpen nutzen das Grundwasser, das durchgehend eine Temperatur zwischen 7 und 12 °C hat. Mithilfe von mehreren Erdbohrungen werden ein Förder- und ein Sickerbrunnen erstellt. Das Grundwasser wird durch den Förderbrunnen nach oben gepumpt und über den Sickerbrunnen dem Grundwasserbestand wieder zugeführt. Die beiden Brunnen sollten eine Teufe von vier bis höchstens 15 Metern haben. Wenn tiefer gebohrt wird, steigt der Strombedarf für das Heraufpumpen zu stark an. Eine wasserrechtliche Genehmigung ist notwendig. Sie hängt u. a. ab, dass:
- das Grundwasserreservoir ausreichend groß ist
- das Grundwasser das ganze Jahr eine etwa gleichbleibende Temperatur hat
- sich das Gelände nicht in einem Heilquellen- oder Wasserschutzgebiet befindet
- das Grundwasser festgelegte chemische Grenzwerte einhält
Wasser-Wasser-Wärmepumpen sind begrenzt auch an Seen oder Flüssen möglich. Mit Temperaturschwankungen, Verschmutzungen durch Algen oder einer zu hohen Fließgeschwindigkeit muss gerechnet werden.
Luftsysteme
Luft-Wasser-Wärmepumpen
- Nicht genehmigungspflichtig
- Beziehen Wärme aus der Umgebungsluft
- Ein Ventilator leitet die Luft über einen Wärmeübertrager, der in den Wärmepumpen-Kreisprozess eingebunden ist
- Die Wärmeabgabe erfolgt an den Heizkreislauf
Luft-Luft-Wärmepumpen
- Nicht genehmigungspflichtig
- Benötigen wenig Platz, geringer Installationsaufwand
- Viele Modelle sind sehr laut
- Die Wärmeübertragung erfolgt nicht an einen Heizkreislauf, sondern dem Gerät entweicht direkt aufgeheizte Luft. Die Beheizung der Innenräume erfolgt also direkt am Installationsort.
Weitere Systeme
Wärmepumpensysteme können zahlreiche Wärmequellen nutzbar machen. Jegliche Abwärme, z. B. aus industriellen Produktionsprozessen, sollte dahingehend auf Eignung untersucht werden. Auch die Kombination mit Solarkollektoren und Eisspeichern wird herstellerseitig angeboten.
Effizienz beim Einsatz von Wärmepumpen
Je weniger das Temperaturniveau angehoben werden muss, umso weniger (Verdichter-) Energie ist hierfür notwendig. Die Effizienz steigt also, wenn die Temperaturdifferenz möglichst gering bzw. die Temperatur auf der wärmeabgebenden Seite möglichst hoch und die Temperatur auf der wärmeaufnehmenden Seite möglichst niedrig ist.
Geothermische Systeme haben demnach eine höhere Effizienz als Luftsysteme. Aus dem gleichen Grund sind großflächige Heizungen mit geringer Vorlauftemperatur (z. B. Fußbodenheizungen, Wandflächenheizungen) in Kombination mit Wärmepumpen vorteilhaft.
Die sogenannte Jahresarbeitszahl (JAZ) ist ein Maß für die Effizienz bei Wärmepumpen-Heizungsanlagen. Sie gibt das Verhältnis von bereitgestellter Heizenergie zu aufgewendeter Verdichtungsenergie innerhalb eines Jahres wieder und sollte bei modernen Systemen zwischen 2,5 und 5,0 liegen. Ein Heizungssystem, das 16.000 kWh Heizwärme bereitstellt und hierfür 4.000 kWh elektrische Verdichtungsenergie benötigt, hat demnach die JAZ 4.
Vor- und Nachteile von Wärmepumpen-Systemen
Inwiefern ein Heizungssystem mittels Wärmepumpe oder einer anderen Technologie realisiert wird, sollte immer Ergebnis einer technischen und betriebswirtschaftlichen Betrachtung sein. Vor- und Nachteile müssen für den speziellen Bedarfsfall abgewogen werden.
Vorteile
Wärmepumpen arbeiten effizienter als herkömmliche Heizsysteme, denn sie nutzen die Wärme aus der Umgebung. Energie ist ausschließlich für den Betrieb der Pumpe nötig. Das macht sie zu einer umweltschonenden Alternative für die Heizung von Gebäuden.
- Bei hohen JAZ und / oder regenerativ erzeugtem Strom sehr umweltfreundlich
- Bei guter Auslegung und richtiger Technologieauswahl langfristig günstig
- Unabhängig von fossilen Brennstoffen (bei betreffender Stromerzeugung)
Nachteile
- Ggf. hohe Investitionskosten (geothermale Systeme) und Installationsaufwand
- Teilweise genehmigungs- oder anzeigepflichtig
- Niedrigere Vorlauftemperaturen im Heizungssystem notwendig
- Dies erfordert wiederum großflächige Heizungssysteme wie Fußboden- oder Wandflächenheizungen. Deshalb ist die Nutzung in Bestandsgebäuden, insbesondere in denkmalgeschützten Gebäuden, nur eingeschränkt möglich.
Der Experten-Tipp
"Sowohl Luft-Wasser-, als auch Luft-Luft-Wärmepumpen sind nicht genehmigungspflichtig. Gegenüber den geothermischen Systemen sind die Installationskosten wesentlich geringer. Allerdings sind die JAZ dementsprechend auch niedriger, was erhöhte Energiekosten zur Folge hat. Die Auswahl des richtigen Heizungssystems muss also stets unter technischen und betriebswirtschaftlichen Aspekten erfolgen, wobei neben den Installationskosten auch die Betriebskosten über die Abschreibungszeit berücksichtigt werden müssen.“
Herzlichen Dank an Dipl.-Ing.(FH) M. Sc. Philipp Danz von b&d Energie- und Umwelttechnik GmbH in Weimar für die fachliche Unterstützung bei diesem Artikel auf bauprofessor.de.