Die Kosten für fossile Energieträger steigen aufgrund der aktuellen wirtschaftspolitischen Lage drastisch. Ein nachhaltiges und wirtschaftliches Beheizen von Gebäuden mit konventionellen Heizsystemen auf Brennstoffbasis ist derzeit kaum noch darstellbar. Einen Ausweg aus dieser Situation bietet die Wärmepumpentechnik.

Wärmepumpen arbeiten nach demselben Prinzip wie Kühlschränke. In einem Kreisprozess werden physikalische Effekte des Phasenübergangs einer Flüssigkeit (Kältemittel) in den gasförmigen Zustand und umgekehrt ausgenutzt. Dabei wird Wärme aus einer Wärmequelle (Umgebung) aufgenommen und mit höherer Temperatur an das zu beheizende Medium wieder abgegeben. Die erreichbaren Temperaturen hängen von den Eigenschaften der verwendeten Kältemittel ab. Für die Gebäudeheizung werden Wärmepumpen meist nach der eingesetzten Wärmequelle und Wärmeübertragung unterschieden. Die Einteilung ist oft wie folgt:

• Wasser/Wasser-Wärmepumpe: Als Wärmequelle dient Grund-, Oberflächen- oder Abwasser. Die Wärmeabgabe erfolgt über ein wasserführendes Heizsystem.
• Sole/Wasser-Wärmepumpe: Als Wärmequelle dienen überwiegend Erdwärmesonden oder Erdwärmekollektoren. Die Wärmeabgabe erfolgt über ein wasserführendes Heizsystem.
• Luft/Wasser-Wärmepumpe: Als Wärmequelle dient Abluft oder Außenluft. Die Wärmeabgabe erfolgt über ein wasserführendes Heizsystem.
• Luft/Luft-Wärmepumpen: Als Wärmequelle dient Außenluft. Die Wärmeabgabe erfolgt über ein Luftgebläse.

Die Effizienz einer Wärmepumpe ist von verschiedenen Einflussfaktoren abhängig. Dabei ist der wichtigste Parameter der erforderliche Temperaturhub. Je geringer die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke ist, desto weniger Energie muss für den Antrieb der Wärmepumpe aufgewendet werden. Daher ist eine Wärmequelle mit hoher und eine Wärmesenke mit geringer Temperatur vorteilhaft, um einen möglichst geringen Temperaturhub realisieren zu müssen. Geringe Temperaturen bei der Wärmeabgabe werden durch niedrige Wärmewiderstände möglich. In der Praxis sind geringe Wärmewiderstände durch Flächenheizungen realisierbar.

Für die quantitative Beschreibung der Wärmepumpeneffizienz wird die sogenannte Leistungszahl (COP: coefficient of performance) verwendet. Die Leistungszahl wird durch das Verhältnis von erzeugter Wärmeleistung zu eingesetzter elektrischer Leistung definiert. Da aus energetischer Sicht zum Betrieb der gesamten Heizungsanlage aber noch weitere Aggregate notwendig sind, die im COP-Wert nicht erfasst werden, hat sich als wichtigster Effizienzparameter die sogenannte Jahresarbeitszahl (JAZ) etabliert. Die Jahresarbeitszahl wird gebildet durch das Verhältnis der erzeugten Wärme zur elektrischen Energie, die für den Betrieb der gesamten Heizungsanlage (bezogen auf ein Jahr) erforderlich ist.

Auf Basis der Jahresarbeitszahlen können die oben aufgeführten Wärmepumpentypen bezüglich ihrer typisch erreichbaren Effizienz verglichen werden. Wärmepumpen mit wasserbasierten Wärmequellen erreichen demnach hohe Jahresarbeitszahlen, während die luftbasierten Typen darunter liegen. Gegen den ausschließlichen Einsatz wasserbasierter Wärmepumpen spricht der höhere bauliche und finanzielle Aufwand sowie oft auch die nicht umsetzbare Erschließung der benötigten Wärmequellen. Aus diesen Gründen werden luftbasierte Wärmepumpen häufiger eingesetzt.

In diesem Beitrag werden die Energieverbräuche sowie die Jahresarbeitszahlen einer elektrisch betriebenen Sole/Wasser-Wärmepumpenheizanlage im saisonalen Verlauf untersucht und bewertet. Dazu wurde der Heizbetrieb eines Gebäudes über nahezu zwei Jahre (Zeitraum: 08/2020 bis 07/2022) betrachtet und die entsprechenden Betriebswerte gemessen und gesammelt. Die im Gebäude zur Beheizung der Räume und Flure eingesetzten Heizkörper (Wärmesenken) bestehen aus Platten- und Rippenheizkörpern sowie Fußbodenheizungen. Die Wärmepumpe wird ebenfalls zur Trinkwassererwärmung eingesetzt.

Verbrauchsverläufe der Heizungsanlage

Über einen Zeitraum von fast zwei Jahren wurde wöchentlich die von der Heizungsanlage aufgenommene elektrische Energie sowie die an das Gebäude abgegebene Wärmemenge gemessen. Mit den gesammelten Daten wurden das Betriebsverhalten und weitere statistische Eigenschaften der Anlage untersucht. Das Diagramm in Abbildung 1 stellt die zeitlichen Verläufe des Verbrauchs an elektrischer Energie sowie an Wärme der Heizanlage in kWh/a dar (Anm.: Aus physikalischer Sicht handelt es sich hierbei um Leistungen. Aber der typische Erfahrungswert ist kWh pro Jahr. Daher wird in diesem Beitrag durchgängig auf diese Darstellung zurückgegriffen).

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