Die Wärmepumpen-Technologie – insbesondere die Luft/Wasser-Wärmepumpen – profitieren von den Anforderungen der EnEV und etlichen technischen Fortschritten, die im Folgenden dargestellt werden.

Wärmepumpen gelten als effiziente und regenerative Heizlösungen, denn sie nutzen für die Beheizung der Räume und für die Warmwasserbereitung kostenlose Umweltwärme. Um 100 Prozent Wärme zu generieren, benötigen moderne elektrisch angetriebene Wärmepumpen nur rund 20 Prozent Strom – der Rest (etwa 80 Prozent) ist regenerative Energie aus der Umwelt. Je größer dieser regenerative Deckungsanteil ist, umso effizienter arbeiten Wärmepumpen und desto mehr Treibhausgas CO₂ wird eingespart.

Die Energiewende macht die Wärmepumpe wichtiger

Das innenpolitisch beherrschende Thema in Deutschland ist seit dem Reaktorunglück von Fukushima im März 2011 die Energiewende. Unmittelbar danach hat die Bundesregierung den Ausstieg aus der Atomenergie beschlossen. Ende 2022 soll der letzte Atommeiler vom Netz gehen. Gleichzeitig wurde Deutschlands ehrgeiziges Klimaschutzziel weiter forciert, das vorsieht, die Treibhausgasemission (CO₂) bis zum Jahr 2020 um 40 Prozent (in der EU 20 Prozent) unter das Niveau von 1990 zu senken.

Dieser Weg soll vor allem durch den Ausbau von erneuerbaren Energien und eine Steigerung der Energieeffizienz möglich werden. Dazu müssen die fossilen Brennstoffe am deutschen Energiemix zukünftig zugunsten der regenerativen Energien erheblich sinken [1].

Allerdings sollte das Augenmerk der Energiewende nicht – wie es heute überwiegend der Fall ist – nur auf der Erzeugung von elektrischem Strom durch erneuerbare Energien liegen. Auch bei der Gebäudewärme und im Verkehrsbereich sind nachhaltige Energielösungen dringend notwendig.

In Deutschland verbrauchen die Gebäude rund 40 Prozent der gesamten Energie. Der überwiegende Teil wird für die Beheizung der Räume und für die Trinkwassererwärmung aufgewendet [2].

Von den insgesamt rund 20,5 Millionen zentralen Wärmeerzeugern sind 71 Prozent unzureichend effizient und müssten dringend modernisiert werden [3]. In den Reformplänen der Bundesregierung findet der Wärmemarkt bislang aber kaum Beachtung. Bleibt das so, wird die Energiewende in den deutschen Heizungskellern scheitern.

Geschichtliche Entwicklung der Wärmepumpen

Die erste Ölkrise 1973 demonstrierte die Abhängigkeit der Industriestaaten von fossiler Energie. Steigende Heizölpreise und sonntägliches Autofahrverbot waren die ersten spontanen Maßnahmen.

Die Parole lautete "Weg vom Öl" und in der Öffentlichkeit setzte ein Umdenken ein. Technologien, die erneuerbare Energien nutzten – wie beispielsweise Wärmepumpen und thermische Solaranlagen –, rückten in den Vordergrund. Als einer der ersten Hersteller hat Stiebel Eltron 1976 mit der Entwicklung und Produktion von Wärmepumpen begonnen, die sich in den Folgejahren bis zur Marktführerschaft in Deutschland entwickelte.

In den nachfolgenden 80er- und 90er-Jahren ging der Absatz von Wärmepumpen insgesamt stark zurück.

Die Gründe hierfür lagen zum einen in den wieder gesunkenen Ölpreisen aber zum anderen auch an der fehlenden Erfahrung vieler Hersteller (Qualität) und den Installateuren. Denn die ersten Wärmepumpen waren im Grunde Kältemaschinen, deren warme Seite zum Heizen genutzt wurde. Die Installateure hatten zudem meist keinerlei Erfahrung mit der Integration einer Wärmepumpe in die Wärmeversorgung des Gebäudes.

Mit der Jahrtausendwende entwickelte sich allmählich wieder ein neuer Wärmepumpenmarkt. Wegen des gestiegenen Energiebewusstseins der Bevölkerung und der Politik und daraus resultierender Förderprogramme sowie der Einführung der Energieeinsparverordnung (EnEV) im Jahr 2002 haben Wärmepumpen wieder neu an Attraktivität gewonnen.

Wärmepumpen sind selbst gegenüber modernen Brennwertkesseln energetisch klar überlegen: Sie nutzen zur Beheizung zu einem überwiegenden Teil Umweltwärme, was sich bei der Berechnung nach EnEV durch eine niedrigere Aufwandszahl ausdrückt. Anlagen mit Wärmepumpen erreichen Aufwands­zahlen <1, wohingegen Anlagen, die mit fossilen Brennstoffen heizen, eine Aufwandszahl von >1 aufweisen.

Anfang der 2000er-Jahre wurden die Geräte vor allem in Neubauten eingesetzt. Als Umweltenergiequelle diente vorwiegend das Erdreich, denn mit erdgekoppelten Anlagen lassen sich gute Leistungszahlen erzielen und die Wärmepumpen können in der Regel ganzjährig mono­valent (ohne zusätzliche Wärmeerzeuger) betrieben werden.

Allerdings sind Sole/Wasser-Wärmepumpen mit Erdreich als Wärmequelle nicht überall uneingeschränkt einsetzbar, denn sie erfordern ein Grundstück, das den Einbau von Erdkollektoren oder Erdsonden gestattet – was oft nur bei Neubauten mit vertretbarem Aufwand realisierbar ist. Hinzu kommt, dass für die Installation von Erdwärme­sonden technische Regeln und Geneh­migungsverfahren zu befolgen sind (VDI 4640 "Thermische Nutzung des Untergrunds").

Während bis zum Jahr 2007 mit rund 70 Prozent der überwiegende Anteil als Sole/Wasser-Wärmepumpen in Neubauten installiert wurde, konnten bereits 2013 rund 65 Prozent aller Wärmepumpen als Luft/Wasser-Systeme hauptsächlich in der Sanierung des Gebäudebestands eingesetzt werden.

Wärmepumpenheizungen werden in Deutschland fast ausschließlich in Wohngebäuden installiert – 88 Prozent Einfamilienhäuser, zehn Prozent Zweifamilien­häuser. Modernisierungsmaßnahmen im Gebäudebestand stellen insbesondere für Luft/Wasser-Wärmepumpen ein erhebliches Marktpotential dar. Der Grund für diese Entwicklung liegt vor allem in der intensiven technischen Weiterentwicklung der Luft/Wasser-Wärmepumpen – wie etwa die neue "WPL 15/25"-Baureihe von Stiebel Eltron beweist.

Energiequelle der Luft/Wasser-Wärmepumpe: Außenluft

Die Wärmequelle Außenluft steht quasi überall unbegrenzt zur Verfügung. Zur Nutzung als Energiequelle für Wärmepumpen sind keine besonderen Maßnahmen erforderlich, wie das bei den anderen Umweltwärmequellen Erdreich oder Grundwasser der Fall ist. Daher sind Luft/Wasser-Wärmepumpen von den Investi­tionskosten her die günstigste Variante.

Allerdings hat Luft, gegenüber den anderen Energiequellen, die geringste Wärmekapazität, insbesondere im Winter, wenn die Lufttemperatur niedrig ist. Das führt bei den einstufigen, ungeregelten Wärmepumpen zu dem gegenläufigen Verhalten von Heizlast und Außenlufttemperatur. Um mit Luft/Wasser-Wärmepumpen dennoch ganzjährig zu heizen, mussten diese Anlagen in der Regel bivalent ausgeführt werden: Die Luft/Wasser-Wärmepumpe heizte alleine bis zu einer unteren Temperaturgrenze (-5 bis +5 °C).

Unterhalb dieser Bivalenztemperatur kam entweder ein integrierter Heizstab zum Einsatz oder es wurde ein konventioneller Heizkessel hinzugeschaltet, der dann die Spitzenlast übernahm.

Früher arbeiteten Luft-Wärmepumpen einstufig im On/Off-Betrieb. Das heißt, der Verdichter läuft entweder mit 100 Prozent oder gar nicht. Diese Betriebsweise ist äußerst unwirtschaftlich, was schnell klar wird, wenn man sie gedanklich auf das Autofahren überträgt. Denn das würde bedeuten, dass die gewünschte bzw. vorgeschriebene Geschwindigkeit nur über die Zustände "Vollgas" und "Weg vom Gas" eingehalten wird. Dabei ist klar, dass diese Fahrweise nicht nur äußerst unkomfortabel ist, sondern auch einen erheblich höheren Spritverbrauch zur Folge hätte. Dagegen entspricht das kontinuierliche und dosierte "Gas geben" beim Autofahren – je nach geforderter Geschwindigkeit und Last (Berg- und Talfahrt) – der modulierenden Leistungsregelung bei Wärmeerzeugern.

Um dieses Manko früherer einstufiger Luft/Wasser-Systeme zu beseitigen, wurden lastabhängig modulierende Inverter-Wärmepumpen entwickelt – wie zum Beispiel die Luft/Wasser-Wärmepumpe "WPL 15/25".

Energetische Beurteilung von Wärmepumpen

Energetisch werden Wärmepumpen allgemein nach dem COP-Wert (Coefficient Of Performance), beurteilt: Der Quotient aus der abgegebenen Nutzwärme [kW] und der aufgenommenen elektrischen Leistung [kW].

Der COP ist ein Gütekriterium für Wärmepumpen und wird von neutralen Prüfinstituten nach einer definierten, genormten Messmethode ermittelt (DIN EN 14511 bzw. DIN EN 14825). Die Leistungszahl COP gilt jedoch nur für einen bestimmten und definierten Betriebspunkt bei feststehender Wärmequellen- und Heizungsvorlauftemperatur.

Je nach Betriebsbedingungen erreichen moderne Elektro-Wärmepumpen COP-Werte zwischen 3,0 und 5,5. Um auf die gesamte Heizanlage mit den Heizflächen einschließlich der Wärmepumpe über die Betriebszeit eines Jahres schließen zu können, wurde die JAZ (Jahresarbeitszahl) gemäß VDI 4650 als geeignete Größe definiert. Sie ist das Verhältnis von bereitgestellter Nutzwärme für Heizung und Warmwasser, bezogen auf die eingesetzte elektrische Energie über den Zeitraum eines Jahres (kWh/a).

Um Fördermittel nach dem Marktanreizprogramm des Bundesamtes für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) zu erhalten, muss eine rechnerisch zu ermittelnde Mindest-JAZ nachgewiesen werden. Zwar führt eine hohe Leistungszahl in der Regel auch zu einer hohen Jahresarbeitszahl – jedoch besteht kein kausaler Zusammenhang. Physikalisch gilt die Regel: Je geringer die Temperaturdifferenz zwischen Heizkreis-Vorlauftemperatur und Eintrittstemperatur der Wärmequelle, desto höher ist die Effizienz der Wärmepumpe.

Um den Wärmebedarf eines Heiz­systems in einem Gebäude zu beurteilen, wird die EnEV (aktuell EnEV 2014) herangezogen [4]. Die Berechnung nach EnEV führt zum Jahresprimärenergiebedarf für Heizung, Warmwasserbereitung einschließlich des Wärmeverlustes der Gebäudehülle. Der dafür eingesetzte Energieträger wird mit einem Primärenergiefaktor bewertet. Er ist das Verhältnis von insgesamt aufgewendeter Primärenergie (QP), einschließlich der vorgelagerten Energiekette, und nutzbarer Endenergie (QE) innerhalb des Gebäudes. Heizöl und Erdgas haben den Primärenergiefaktor fP = 1,1; Solarenergie fP = 0.

Wärmepumpen heizen überwiegend mit regenerativer Umweltenergie und benötigen dafür elektrischen Strom. Je mehr regenerative Energien also für die allgemeine Stromerzeugung eingesetzt werden, beispielsweise aus Wind, Photovol­taik oder Biomasse, umso niedriger wird auch der Primärenergiefaktor für elektrischen Strom. Im Zuge der Energiewende wird ein immer größerer Anteil Strom aus regenerativen Quellen erzeugt – daher muss auch der Primärenergiefaktor für Strom diesem Trend angepasst werden. Aktuell wurde in der EnEV 2014 der Wert auf fP = 2,4 festgelegt und wird ab dem Jahr 2016 weiter auf fP = 1,8 sinken.

Im Klartext bedeutet das: Wärmepumpen profitieren von der regenerativen Energie zweifach. Einmal durch den regenerativen Anteil, den Wärmepumpen direkt zum Heizen nutzen und der vom COP bzw. Jahresnutzungsgrad abhängig ist.

Zum anderen durch den kontinuierlich steigenden Anteil der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien, der sich in dem schrittweise sinkenden Primärenergiefaktor für elektrischen Strom widerspiegelt. Im Nachfolgenden werden diese Zusammenhänge auf Basis der Stiebel Eltron-Luft/Wasser-Wärmepumpe "WPL 15/25" erläutert.

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