Luft/Wasser-Wärmepumpen: Neue Generation überzeugt

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.

Entwicklungsfortschritte bei den Luft/Wasser-Wärmepumpen

Das Entwicklungspotential zur Steigerung der Effizienz von Wärmepumpen (höherer COP, höhere JAZ) hängt ganz entscheidend vom Kältekreislauf und dessen Komponenten ab. Das Herzstück des Kältekreislaufs ist der Verdichter, der ursprünglich aus der Klima- und Kältetechnik stammt und weltweit nur von wenigen Herstellern produziert wird.

Die Wärmeübertrager, Verdampfer und Kondensatoren (Verflüssiger) sind verantwortlich für die Temperaturdifferenzen, mit denen die Wärme aus der Außenluft an den Kältekreislauf übertragen wird. Je kleiner diese sind, umso höher sind die Wirkungs- und Nutzungsgrade. Auch die elektrischen Hilfsantriebe, beispielsweise für den Lüfter und die Pumpen, beeinflussen die Effizienz und den Primärenergiebedarf.

Als Verdichter setzt Stiebel Eltron bei der Luft/Wasser-Wärmepumpe erstmals einen speziell für Wärmepumpen entwickelten Scroll-Verdichter mit Inverter-Regelung ein. Er arbeitet geräusch- und vib­rationsarm und ist zudem wartungsfrei sowie äußerst langlebig. Das Grundprinzip dieses Verdichters basiert auf zwei ineinandergreifenden Spiralblöcken, ein statischer und ein beweglicher. Dazwischen wird das Kältemittel, in diesem Fall das FCKW-freie Sicherheitskältemittel R410A, verdichtet.

Die Leistung wird über die Verdichterdrehzahl geregelt. Dazu wird die Versorgungsspannung des Scroll-Verdichters, der mit einem bürstenlosen Permanentmagnetmotor ausgerüstet ist, in eine Gleichspannung umgewandelt. Je nach Frequenz des Drehfeldes verändern sich die Drehzahl des Verdichters und damit seine Ausgangsleistung. Auf diese Weise wird die erzeugte Leistung dem Bedarf stetig sanft angepasst.

Daraus ergibt sich eine Erhöhung und Optimierung der Effizienz der Luft/Wasser-Wärmepumpe über den gesamten Leistungsbereich. Gleichzeitig werden der Stromverbrauch und die Geräuschentwicklung gesenkt. Mit einem COP von 4 (bei A2/W35), für die Varianten "WPL 15 IKS-2", "WPL 15 IS-2" und "WPL 25A", gehören die Geräte zu den effizientesten am Markt. Praxisuntersuchungen in verschiedenen Gebäuden haben zudem eine Anhebung der Jahresarbeitszahl um rund 20 bis 58 Prozent gegenüber einer Luft/Wasser-Wärmepumpe mit Ein/Aus-Regelung ergeben. Weiter verlängert sich die Lebensdauer des Kompressors deutlich.

Um bei großen Temperaturdifferenzen zwischen Wärmequelle und Wärmesenke (Heizungsanlage) einen effektiven Wärmepumpenbetrieb zu ermöglichen, sind die Scroll-Verdichter mit einem zusätzlichen Anschluss ausgerüstet, über den Kältemitteldampf in den Verdichtungsprozess eingespritzt wird.

Diese zweistu­fige Dampf-/Nassdampf-Zwischeneinspritzung ("EVI" = Enhanced Vapourized Injection) senkt die Druckgastemperatur und erweitert den Einsatzbereich. Ein normaler Temperaturhub von 60 K wird mit Dampf-Zwischeneinspritzung auf 80 K vergrößert. So ist auch bei einer niedrigen Lufttemperatur von -20 °C noch eine hohe Vorlauftemperatur der Luft/Wasser-Wärmepumpe von bis zu 55 °C ohne Elektro-Heizstab möglich. Bei niedrigen Außentemperaturen steht demnach eine hohe Heizleistung zur Verfügung, bei moderaten Außentemperaturen passt die Wärmepumpe ihre Heizleistung dem geringeren Bedarf an.

Damit ist die Wärmepumpe ideal für Sanierungen geeignet.

Durch den Einsatz eines elektronischen Expansionsventils können Luft/Wasser-Wärmepumpen weiter optimiert werden. Dieses misst sowohl die Temperatur als auch den Druck vor dem Verdichter. Über einen elektrischen Stellmotor wird der Kältemittel-Massenstrom exakt geregelt, sodass die Überhitzung über den gesamten Leistungsbereich konstant bleibt. Damit wird der Verdampfer stets optimal mit Kältemittel versorgt und der COP verbessert.

Energielabel für Heizgeräte wird zur Pflicht

Ab dem 26. September 2015 müssen alle Heizgeräte in wasserbetriebenen Zentralheizungsanlagen nach der sogenannten ErP-Richtlinie (Energy related Products – energieverbrauchsrelevante Produkte, 2009/125/EG) mit einem Energielabel gekennzeichnet werden.

Dies gilt sowohl für die Gebäudebeheizung als auch für die Warmwasserbereitung. Diese Art der Kennzeichnung ist bekannt von Haushaltsgeräten wie Kühlschränken, Waschmaschinen oder Geschirrspülern und kann eine erhebliche Marktwirkung entfalten. Die farbigen Etiketten kennzeichnen den Energieverbrauch von Elektrogeräten und helfen, deren Effizienz auf einen Blick einzuordnen. Sie müssen deutlich sichtbar außen auf den Geräten angebracht sein.

Die Energieeffizienzklasse ergibt sich aufgrund der jahreszeitbedingten Raumheizungs- bzw. der Warmwasserbereitungs-Energieeffizienz und ist vergleichbar mit dem Normnutzungsgrad.

Über eine Farbskala von grün („sparsam“) bis rot („verschwenderisch“) informiert das Label über den Energieverbrauch. Aufgrund der hohen Effizienz von Wärmepumpen werden diese problemlos die oberen Labelklassen erreichen.

Die Stiebel Eltron-Produkte liegen fast ausnahmslos in der besten Gruppe: Die Luft/Wasser-Wärmepumpen der Baureihe "WPL 15/25" werden die zukünftige Labelklasse "A++" – also die höchstmögliche Bewertung – erreichen.

Zusätzlich werden im Label Höchstwerte für den Schallleistungspegel vorgeschrieben [5, 6].

Die verpflichtende Kennzeichnung der Energieeffizienz von Heizgeräten bedeutet mehr Transparenz an einer Schlüsselposition der Energiewende – schließlich sind Raumheizung und Warmwasserbereitung fast für die Hälfte unserer Energieverbräuche verantwortlich.

Aufstellung von Luft/Wasser-Wärmepumpen

Die neue "WPL 15/25"-Baureihe ist als Heizungsanlage für Neubau und Sanierung gleichermaßen geeignet. Insgesamt sind sechs Varianten in zwei Heizleistungen (7 und 12 kW, bei A-7/W35) verfügbar: Beide Leistungsgrößen gibt es als Monoblock-Gerät für die Außenaufstellung oder als Split-Wärmepumpe, bei der im Innenteil der Kältekreislauf mit dem Inverter-Verdichter und dem Verflüssiger untergebracht sind.

Der Teil, der für die Wärme aus der Außenluft verantwortlich ist, der Verdampfer mit dem Ventilator, wird im Freien aufgestellt. Über Splitleitungen werden beide Teile verbunden. Die verschiedenen Innenteile sind mit und ohne integrierten Warmwasserspeicher erhältlich.

Wärmepumpen, die mit Außenluft als Energiequelle arbeiten, müssen, um effektiv zu sein, hohe Luftmengen durchsetzen. In der Vergangenheit führte das oft zu Geräuschproblemen.

In einem hochmodernen Schalllabor hat Stiebel Eltron die neuen Luft/Wasser-Wärmepumpen hinsichtlich der Geräuschentwicklung optimiert. Durch den großen Lamellenabstand des Verdampfers ist der Luftwiderstand gering und sorgt in Verbindung mit dem modulierenden Lüfter für einen niedrigen Schallleistungspegel und einen geringen Stromverbrauch. Bei korrekter Planung und Installation unter Berücksichtigung aller Variablen werden selbst nachts kaum Geräusche wahrgenommen und alle Vorschriften für Wohngebiete eingehalten. Um hier sicher zu sein, bietet Stiebel Eltron Installateuren eine Schall-App an, mit der sich der Schalldruckpegel in Abhängigkeit von der geplanten Aufstellung überprüfen lässt.

Weil sich bei niedrigen Lufttemperaturen die Luftfeuchtigkeit als Reif zwischen den Verdampferlamellen niederschlägt, muss dieser abgetaut werden. Dazu schaltet ein 4-2-Wege-Ventil den Kältekreislauf um und sorgt so für eine energieeffiziente Abtauung. Das dabei anfallende Wasser fließt in die Abtauwanne und wird über einen Schlauch abgeleitet.

Zusammenfassung

Wärmepumpen nutzen einen hohen Anteil regenerativer Umweltenergie und schonen primärenergetische Ressourcen. Die Technologie profitiert von den verschärften Anforderungen der EnEV 2014 und den oben dargestellten technischen Fortschritten.

Bereits heute verbrauchen Wärmepumpen ab einer Jahresarbeitszahl von 2,0 weniger Primärenergie als ein Gaskessel. Die verbesserte Effizienz wird sich durch das Energielabel für Heizgeräte, das in diesem Jahr kommt, auch den Endverbrauchern transparenter zeigen.

Eine Stiebel Eltron-Luft/Wasser-Wärmepumpe "WPL 15/25" mit einer realisierbaren JAZ von 4 kann aufgrund des höheren Anteils von erneuerbarem Strom im Strommix eine Primärenergieeinsparung von 51 Prozent gegenüber einem konventionellen Brennwertkessel erreichen.

Ab 2016 sind Primärenergieeinsparungen von bis zu 63 Prozent möglich. Selbst Gebäude, die vor zehn Jahren nach damals gültiger EnEV errichtet wurden, würden heute – ohne zusätzliche Maßnahmen an der Gebäudehülle – durch den Einbau einer modernen Inverter-Luft/Wasser-Wärmepumpe die aktuelle EnEV erfüllen.

Außerdem wurden die Förderkonditionen des Marktanreizprogramms zur Förderung von Wärmepumpen weiter verbessert: Die Mindestfördersätze wurden erhöht und weitere Kombinationsboni hinzugefügt [8].

Literatur

[1] Positionspapier "Energiewende für Europa: Ein ehrgeiziges 2030-Klima- und Energiepaket der EU für Klimaschutz, Investitionssicherheit und Kosteneffizienz", www.tagesschau.de/umweltverbaende-positionspapier-100.pdf

[2] Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen e.V., www.ag-energiebilanzen.de

[3] Presseinformation "Anlagenbestand 2013: Verschenkte Potenziale im Heizungskeller", www.bdhkoeln.de/uploads/media/BDH_ZIV_Anlagenbestand_2013_V3_27062014_Freigabe_01.pdf

[4] EnEV 2014, www.enev-online.de/index.htm

[5] 16. Tagung des Forschungsprogramms Wärmepumpen, Wärme-Kraft-Kopplung, Kälte des Bundesamtes für Energie (BFE), www.bfe.admin.ch/forschungwkk

[6] "Leitfaden Energieeffizienz", www.waermepumpe.de/uploads/tx_bwppublication/BWP_LF3_final_10092014_web.pdf

[7] Presseinformation "Neues Energielabel wird für Heizgeräte ab 2015 zur Pflicht", www.waermepumpe.de/presse/pressemitteilungen/pressemitteilung/article/neues-energielabel-wird-fuer-heizgeraete-ab-2015-zur-pflicht.html

[8] Fördermittel-Auskunft, www.stiebel-eltron.de/erneuerbare-energien/informieren-planen/beratung-planung/foerdermittel/foerdermittel-auskunft/