Wärmepumpe


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Zuletzt aktualisiert von Rolf Gloor am 10.11.2014

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Wärmepumpen sind Anlagen, die Wärme unter Aufwendung von Energie aus einem Reservoir mit tiefem Temperaturniveau (Erdboden, Grundwasser, Abwasser, Luft...) aufnehmen und sie einem Reservoir mit höherer Temperatur (Fussbodenheizung, Warmwasserspeicher ...) zuführen. Mit 1 kWh elektrischer Energie transportiert eine Wärmepumpe zwischen 2 und 5 kWh Wärme auf ein höheres Temperaturniveau.

Unter Wärmepumpen-Liste sind geprüfte Wärmepumpen aufgeführt.

Wärmepumpen sind im Prinzip das Gleiche wie Kälteanlagen. Bei der Wärmepumpe ist das gewünschte Produkt aber die Wärme, bei der Kälteanlage ist die Wärme der Abfall. Eine Wärmepumpe transformiert eine Wärmemenge aus tiefer Temperatur (zum Beispiel 5 °C) auf eine hohe Temperatur (zum Beispiel 45 °C). Zur transportierten Wärmemenge kommt die Abwärme des Kompressors hinzu, welche natürlich genutzt wird. Dadurch ist das Verhältniss von Heizleistung zur elektrischer Leistung (COP) um den Wert 1 grösser als bei Kälteanlagen, wo das Verhältniss Kälteleistung zu elektrischer Leistung (e) zählt. Die Nennleistung einer Wärmepumpe ist die Heizleistung, die elektrische Leistung ist um den COP tiefer.

  • Vergleich von 130 geprüften Wärmepumpen nach EN 255

    Wasser-Wasser mit 0 °C Soletemperatur und 35 °C Vorlauftemperatur, Luft-Wasser mit 2 °C Lufttemperatur und 35 °C Vorlauftemperatur.
    Quelle: Wärmepumpentestzentrum NTB vom Juni 2012.

Man unterscheidet 3 verschiedene Kategorien von Wärmepumpen

Luft-Wasser-Wärmepumpen:

Die Umgebungsluft wird abgekühlt und damit Wasser aufgeheizt. Dieses System ist relativ günstig in der Anschaffung, hat aber bei tiefen Aussentemperaturen einen schlechten COP und verursacht etwas Lärm durch den Aussenventilator.

Sole-Wasser- und Wasser-Wasser-Wärmepumpen:

Bei der Sole handelt es sich um Erdwärme, welche über in Erdbohrungen verlegte Wasserleitungen (Erdsonden) in den Wärmetauscher geholt wird. In 5 m Tiefe ist es etwa 10 °C warm, in 120 m Tiefe etwa 13 °C. Je nach Dimensionierung kann sich dabei die Temperatur in diesem Solekreis bis auf -5 °C abkühlen. Die Gefahr, dass das Wasser des Solekreises gefriert, wird durch Zugabe von Frostschutzmittel reduziert.

Bei der Wasser-Wasser-Wärmepumpe wird zum Beispiel Grundwasser, welches nicht kälter als 10 °C ist, als Wärmequelle verwendet. Je nach Standort kann das Grundwasser mehr oder weniger verunreinigt sein, was eine aufwendige Wartung des Filters und Wärmetauschers erfordern kann.

Wassererwärmer-Wärmepumpen:

Das sind Warmwasserboiler, welche mit einer eingebauten Luft-Wasser-Wärmepumpe geheizt werden. Beim Betrieb wird der Umgebung Wärme entzogen, so dass sie kälter und trockner wird.

In der Schweiz gibt es ein Wärmepumpentestzentrum, welche Wärmepumpen nach europäischer Norm prüft und auch noch den Lärm misst. Der COP einer Wärmepumpe hängt von folgenden Faktoren ab:

  • Temperatur der Umgebungswärme, je höher desto besser.
  • Temperatur des Vorlaufes, je tiefer desto besser (eine Vorlauftemperatur von 60 °C reduziert den COP massiv, mehr als 70 °C ist kaum erreichbar).
  • Grösse der Wärmetauscher, je grösser desto besser aber auch teurer.
  • Laufzeit. Ein Kompressor der oft nur kurz läuft (Minute) hat zuviel Anfahr- und Auslaufverluste. Da muss die Regelung besser eingestellt werden.
  • Kompressortechnik.
Beispiel des Energieflusses in einer 8 kW Wärmepumpe mit einer elektrischen Leistungsaufnahme von 2 kW. (Quelle: Schätzung Gloor)
100% Elektrische Leistungsaufnahme und 300% Umgebungswärme
5% Verluste durch Nebenaggregate (Pumpen)
20% Verluste im Antriebsmotor des Kompressors
25% Umwandlungsverluste im Kompressor
50% Wirksame Verdichterleistung des Kompressors
400% Wärmeleistung

Wahl einer Luft- oder Solewärmepumpe

An Standorten mit Umgebungstemperaturen, welche selten unter - 5 °C liegen, kann eine Luftwärmepumpe besser als eine Solewärmepumpe mit durchschnittlich 0 °C Soletemperatur sein, denn an solchen Standorten liegt während der Heizperiode die durchschnittliche Aussentemperatur im Plusbereich. An kalten Standorten (im Allgemeinen in Höhenlagen über 800 m ü.M.) gibt es häufiger Aussentemperaturen von unter - 5 °C. In dieser Zeit benötigt das Gebäude auch noch eine höhere Vorlauftemperatur, so dass sich der COP der Luftwärmepumpe dem Wert 1 (einer Elektroheizung) nähert. Zusätzlich kann bei feuchter und kalter Aussenluft der Luftwärmetauscher vereisen, so dass es zusätzliche Energie zum Auftauen braucht.

  • Vergleich der aktuell besten Wärmepumpen (Januar 2012, nach EN 14511) über eine Luft, Sole- oder Grundwassertemperatur von -15 °C bis + 15 °C bei den 3 Vorlauftemperaturen von 35 °C, 45 °C und 55 °C. Der theoretische maximale COP errechnet sich aus dem Carnotwirkungsgrad (Vorlauftemperatur + 273 K durch Temperaturdifferenz), der COP von 1 entspricht einer Elektroheizung. Der COP einer Wasserwärmepumpe liegt etwa 15% über dem einer Luftwärmepumpe, da ein Wasser-Wasser-Wärmetauscher besser als ein Luft-Wasser-Wärmetauscher ist. Die Leistungsaufnahme des Kompressormotors nimmt mit zunehmender Vorlauftemperatur zu, pro 10 °C sind es etwa 20%.

Kennzahlen

COP einer Sole-Wasser-Wärmepumpe mit 0 °C Sole (B0) und 35 °C Wasser (W35).
(Quelle: Schätzung Gloor aufgrund der Resultate vom Testzentrum 2007)
Vergleichsgrösse Mittelwert Ziel
Wärmeleistung zu elektrischer Aufnahmeleistung COP B0/W35 4 5

Kosten

Es gibt viele Anbieter von Wärmepumpen. Die drei wesentlichen Bauteile einer Wärmepumpe sind der Kompressor und die beiden Wärmetauscher, einer auf der kalten und einer auf der warmen Seite. Diese Komponenten werden mit zunehmender Heizleistung grösser, das heisst, der Preis einer Wärmepumpenheizung ist etwa proportional zur Leistung. Eine Erdsonde bringt etwa 30 bis 50 Watt Wärme pro Meter Tiefe, das heisst, eine Bohrung von 100 m gibt 3 bis 5 kW Wärme, zusammen mit der Verlusten des Wärmepumpenkompressors sind das 4 bis 6 kW Heizwärme. Die Warmwasseraufbereitung sollte aus energetischen Gründen auch mit der Wärmepumpenanlage erfolgen, denn man benötigt 2 bis 4 mal weniger Elektrizität als mit einem Elektroboiler. Dazu kommen Installationskosten wie Anschluss der Erdsonden, Anschluss an die Wärmeverteilung, Elektoanschluss.

  1. Die Kosten einer Wärmepumpe liegen im Bereich von 800 bis 1200 Franken pro kW Heizleistung.
  2. Eine Erdsondenbohrung kostet etwa 100 Franken pro Meter, das ergibt nochmals etwa 1600 bis 2500 Franken pro kW Heizleistung.
  3. Eine Luft-Wasser-Wärmetauscher kostet etwa 300 bis 500 Franken pro kW Heizleistung. Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe hat aber einen schlechteren COP, das heisst, sie verursacht dann im Betrieb höhere Stromkosten.
  4. Ein Warmwasserspeicher kostet je nach Grösse etwa 2000 bis 5000 Franken.
  5. Die Installationskosten liegen zwischen 3000 und 20'000 Franken, sie hängen von den örtlichen Verhältnissen und den Handwerkern ab.

Zusammenfassung: Ein Wärmepumpenanlage kostet etwa 1500 (Luft-Wasser) bis 6000 Franken pro kW Heizleistung.

Energiesparmassnahmen und Tipps

Prozess Massnahme Bemerkungen

Gebäudetechnik

Je weniger Wärme ein Gebäude braucht, desto weniger muss geheizt werden.

Im Gegensatz zu einer Feuerungsanlage sind bei einer Wärmepumpenheizung die Anlagenkosten viel stärker von der Heizleistung abhängig.

Warmwasser

Wenn man eine Wärmepumpenheizung installiert, dann sollte auch die Warmwasseraufbereitung damit erfolgen.

Als Ergänzung kann der Warmwasserspeicher auch noch für den Einsatz einer solaren Warmwasseraufbereitung ausgerüstet werden.

Gegenüber einem Elektrobolier wird 3 bis 4-mal weniger Elektrizität benötigt. Eine Solltemperatur von 50 °C genügt.

Umwälzpumpen

Bei einem Heizsystem mit Fussbodenheizung und ohne Wasserspeicher müssen die Umwälzpumpen nur laufen, wenn auch die Wärmepumpe läuft.

Je schneller die Umwälzpumpen laufen, desto geringer ist der Temperaturunterschied über dem Wärmetauscher und somit erhöht sich der Wirkungsgrad des Systems.

Abwärmequellen

Mit einer Wärmepumpe kann nicht nur Umgebungswärme, sondern auch Prozessabwärme (Maschinenkühlung, Kälteanlagen ...) von einem tiefen auf ein hohes Temperaturniveau transformiert werden.

Je höher das Temperaturniveau der Wärmequelle ist, desto besser ist der Wirkungsgrad der Wärmepumpe.

Temperatur

Die Vorlauftemperatur sollte so tief wie möglich gewählt werden. Wenn nur einige wenige Heizkörper bei tiefen Aussentemperaturen eine hohe Vorlauftemperatur erfordern, ist deren Vergrösserung zu prüfen.

Je tiefer das Temperaturniveau der Heizung ist, desto besser ist der Wirkungsgrad der Wärmepumpe.

Nachtstrom

Wenn das Heizsystem genügend Speichermasse hat oder noch zusätzlich Wasserspeicher installiert werden, sollte die Wärmepumpe mit günstigem Nachtstrom betrieben werden.

In vielen Stromversorgungsgebieten gibt es einen speziellen Stromtarif für Wärmepumpen.

Kontrolle

Die Betriebsstunden und Boilerladungen sollten in regelmässigen Abständen erfasst werden. Mit einem Wärme- und Stromzähler kann die Leistung der Anlage überprüft werden.

Der Systemdruck im Solekreis sollte auch regelmässig überprüft werden (Vereisungsgefahr).