Heizung
Wärmepumpe
Wärmepumpe
Fachwissen
Eine Wärmepumpe gleicht in der Arbeitsweise einem Kühlschrank:
- Dieser entzieht dem Innenraum Wärme um die Lebensmittel zu kühlen.
- Über die Kühlrippen wird die Wärme an den Wohnraum abgegeben.
Die Wärmepumpe kehrt das Prinzip um:
- Luft, Wasser oder Erde wird die Wärme entzogen.
- Die Kühlrippen sind das Heizsystem des Gebäudes an das die Wärme abgegeben wird.
- In einem geschlossenen Kreislauf befindet sich das FCKW-freie Kältemittel, eine Flüssigkeit mit sehr niedrigem Siedepunkt.
- Diese wechselt im Verdampfer vom flüssigen in den gasförmigen Zustand und nimmt dabei die zugeführte Wärme auf.
- Im Verdichter wird durch Kompression das Temperaturniveau des Dampfes weiter erhöht. Der Wärmetauscher des Verflüssigers überträgt die Wärme des Dampfes an das Heizmedium, der Dampf kondensiert.
- Das Expansionsventilbaut den Druck weiter ab; das abgekühlte, vollständig verflüssigte Kältemittel wird dem Verdampfer zugeführt.
- Der Kreislauf beginnt von vorne.
Fachwissen
JAZ, COP, SCOP,...
Nach wie vor gilt die „Jahresarbeitszahlt“ (JAZ) als wichtige Größe, um die Effizienz einer Wärmepumpe auszudrücken. Gebräuchlich ist auch die Leistungszahl „Coefficient of Performance“ (COP). SCOP steht für „Seasonal Coefficient of Performance“ und ermittelt die Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpe innerhalb verschiedenen Betriebszuständen, die nach Klimazonen gewichtet sind. In der Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) gibt es als Fördervoraussetzung die „jahreszeitbedingte Raumheizungs-Energieeffizienz“ (ETAs).
Coefficient of Performance (COP)
Der COP ist das Verhältnis von Nutzwärme zur aufgewendeten elektrischen Energie bei definierten Betriebspunkten, die unter standardisierten Laborbedingungen ermittelt werden. Diese sind abhängig von der Wärmequelle.
Der COP bezieht sich ausschließlich auf die Wärmepumpe als Wärmeerzeuger.
COP*
A2/W35
A7/W35
W10/W35
B0/W35
E4/W35
Erklärung
Lufttemperatur 2 °C, Vorlauftemperatur 35 °C
Lufttemperatur 7 °C, Vorlauftemperatur 35 °C
Grundwassertemperatur 10 °C, Vorlauftemperatur 35 °C
Soletemperatur 0° C, Vorlauftemperatur 35 °C
Erdreichtemperatur 4 °C, Vorlauftemperatur 35 °C
* A = Air (Luft-Wasser-Wärmepumpe), W = Water (Wasser-Wasser-Wärmepumpe), B = Brine (Sole-Wasser-Wärmepumpe), E = Exchange (Direktverdampfer-Wärmepumpe)
Seasonal Coefficient of Performance (SCOP)
Zur Ermittlung des SCOP wird die Effizienz der Wärmepumpe an vier Betriebspunkten ermittelt, die den durchschnittlichen Außentemperaturen der vier Jahreszeiten entsprechen: 12 °C, 7 °C, 2 °C und -7 °C. (Der “European Seasonal Coefficient of Performance” (ESCOP) wird unter Prüfbedingungen ermittelt, die mehr den europäischen Klimabedingungen entsprechen). Der SCOP ist entscheidend für die Berechnung der jahreszeitbedingten Raumheizungs-Energieeffizienz (ETAs) als Fördervoraussetzung einer Wärmepumpe.
Jahresarbeitszahl (JAZ)
Bei elektrisch angetriebenen Wärmepumpen beschreibt die VDI-Richtlinie 4650 Blatt 1 wie diese zu berechnen ist. Dabei werden die Jahresarbeitszahlen für Raumheizung und für Warmwasserbereitung getrennt ermittelt und entsprechend ihrem Anteil gewichtet. Unter Berücksichtigung der Betriebsweise der Wärmepumpe ergibt sich daraus die Gesamt-JAZ.
Vereinfacht ausgedrücktt:
JAZ = Heizwärme (kWh/a) / Strom (kWh/a)
Dazu die Beispielrechnung eines Heizsystems mit einer Leistung von 10 kWh (Kilowatt pro Stunde), bei dem 2,5 kWh Strom eingesetzt und 7,5 kWh Umweltwärme gewonnen werden: Heizwärme (10 kWh) geteilt durch den aufgewendeten Strom (2,5 kWh) ergibt eine Jahresarbeitszahl von 4.
Dee JAZ betrachtet die Effizienz des gesamten Heizsystems über ein Jahr betrachtet – also Wärmeerzeuger und Wärmeverteilung zusammen.
Jahreszeitbedingte Raumheizungs-Energieeffizienz (ETAs)
Die Formel dazu ist sehr einfach:
ETAs = SCOP / 2,5 x 100
Der Divisor 2,5 steht für den derzeitigen Primärenergiefaktor des europäischen Strommix. Damit gilt als Förderbedingung außer die Effizienz der Wärmepumpe auch die Umweltbelastung für die Erzeugung des Stroms als Antriebsenergie. Dieser Faktor wird umso günstiger, je mehr Strom aus erneuerbaren Energien gewonnen wird. Für den deutschen Strommix ist der Primärenergiefaktor bereits auf 1,8 abgesenkt worden. Noch ökologischer ist es, die Wärmepumpe mit selbst erzeugtem Sonnenstrom durch eine Photovoltaikanlage zu betreiben.
Wärmenutzungsgrad (WNG)
Der Wärmenutzungsgrad (WNG) beschreibt die Effizienz des Wärmeerzeugungs- und Verteilungssystem. Hier werden auch die elektrischen Energien der Senkenumwälzpumpe und aller Elektroheizstäbe miteinbezogen
Systemnutzungsgrad der Trinkwassernutzung (SNGTWW)
Der Systemnutzungsgrad der Trinkwassernutzung (SNGTWW) beschreibt die Effizienz der gesamten Warmwasseraufbereitung, ausgehend vom tatsächlich genutzten Trinkwarmwasser ab Speicheraustritt. Der SNGTWW beinhaltet die Speicherverluste des Trinkwarmwasserspeichers und ggf. Zirkulationsverluste. Ein geringer TWW-Bedarf führt im Allgemeinen zu einem geringen Energiebedarf, aber auch zu einem geringeren Effizienzkennwert, da die auftretenden Verluste dadurch stärker ins Gewicht fallen. Der SNGTWW kann auch bei den Trinkwarmwasser-Wärmepumpen ermittelt werden, wodurch ein Vergleich mit der TWW-Aufladung mithilfe der Heizwärmepumpen möglich ist.
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Fachwissen
Kältemittel
Kältemittel sind Fluide mit besonderen chemischen Eigenschaften wie einer hohen Wärmeleitfähigkeit. Sie werden als Betriebsstoff zur Wärmeübertragung in Klimaanlagen und Heizsystemen genutzt.
Die Funktionsweise von Kältemitteln ist relativ simpel. Sie nehmen bei niedriger Temperatur (und niedrigem Druck) Wärme auf und geben sie bei höherer Temperatur (und entsprechend höherem) Druck wieder ab.
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Kältemittel
| R290 |
| R32 |
| R410A |
GWP
| 3 |
| 675 |
| 2088 |
Chemische Bezeichnung
| Propan |
| Difluoromethane |
| AZ-20,Puron,Suva 9100 |
Siedepunkt °C
| -42,11 °C |
| -51,65 °C |
| -51,44 °C |
Verflüssigung °C
[26 bar]
| 70,26 °C |
| 41,98 °C |
| 43,00 °C |
Das global warming potential (GWP) beschreibt das relative Treibhauspotenzial in Bezug auf CO2. (auch als CO2-Äquivalent bezeichnet). Der Wert beschreibt die Erderwärmungswirkung über einen bestimmten Zeitraum, bei Kältemitteln in der Regel über 100 Jahre.
Je höher also der GWP-Wert ist, desto klimaschädlicher ist die entsprechende Substanz.
Fachwissen
Betriebsweisen
Wärmepumpen werden nach den verschiedenen Möglichkeiten zur Betriebsweise unterschieden, die abhängig vom Anwendungsfall und den Wärmequellen sind.
Monovalent
Die Wärmepumpe deckt als einziger Wärmeerzeuger den Wärmebedarf des Gebäudes.
Der eingebaute Elektro-Heizstab ist deaktiviert.
Diese Betriebsweise ist mit den Wärmequellen Erde und Wasser möglich, da deren Temperaturniveau quasi Außentemperatur unabhängig ist.
Bivalent monoenergetisch / - parallel
Monoenergetisch:
Bei den meisten Wärmepumpen ist ein Elektro-Heizstab eingebaut. Ab dem Bivalenzpunkt wird dieser zusätzlich zur Wärmepumpe zur Unterstützung eingeschaltet.
Paralell:
Wenn die Wärmepumpe parallel mit einem zweiten, vollständigen Wärmeerzeuger betrieben wird spricht man vom bivalenten Parallelbetrieb. Hier ist in der Regel die Wärmepumpe bei geringerem Wärmebedarf die Hauptwärmequelle. Ab dem Zuschaltpunkt wird der Bedarf dann gleichzeitig durch Wärmepumpe und Kessel abgedeckt.
Hier spricht man auch von einem Hybrid-System. Moderne Steuerungen wählen anhand der Energiekosten für Strom und den zweiten Wärmeerzeuger selbsständig die beste Betriebsart aus. Mit dieser Betriebsweis können auch bestehenden Gebäude mit einem geringeren Effizienzstandard beheizt werden.
Bivalent alternativ
Im alternativen, bivalenten Betrieb arbeitet bei geringerem Wärmebedarf nur die Wärmepumpe. Ab dem Bivalenzpunkt wird dann der Wärmebedarf durch die zweite Wärmequelle gedeckt.
On-Off, modulierend
Im monovalenten und bivalenten Betrieb sind modulierende Wärmepumpen von Vorteil.
Im Ideallfall reduzuiert sich der Stromverbrauch um bis zu 20 % im Vergleich zu einer herkömmlichen Wärmepumpe.
Fachwissen
Wärmequellen
Unterschiedliche Wärmequellen bedeuten unterschiedliche Jahresleistungszahlen.
Zudem treiben vor allem die Erschließung der Erdwärme und der Wärme im Grundwasser die Investitionskosten in die Höhe.
Erde
Erde-Wasser-Wärmepumpen nutzen das Erdreich als Wärmequelle.
- Die Bodentemperatur ist das ganze Jahr über relativ konstant ist.
- Die Wärme wird dem Erdreich über Erdwärmesonden oder -kollektoren entzogen.
- Im Sommer kann man mit Erdwärme auch sehr effektiv passiv kühlen.
- Die Fläche darf nicht versiegelt oder überbaut werden, da der Boden die Wärme aus Sonneneinstrahlung und Regenwasser aufnehmen muss.
Luft
Außenluft als Wärmequelle ist die häufigste Nutzung bei Wärmepumpen.
Wasser
- Über den Förderbrunnen wird das Wasser hochgepumpt, die Wärmepumpe entzieht ihm Wärme.
- Anschließend wird das Wasser über einen Schluckbrunnen wieder in das Grundwasser eingeleitet.
Grundwasser-Wärmepumpen können im Sommer sehr effektiv passiv kühlen.
- Die nutzbare Grundwasserschicht sollte nicht tiefer als 15 Meter liegen um die Pumpenlast der Förderpumpe noch wirtschaftlich darstellen zu können.
- Wasser-Wasser-Wärmepumpen sind genehmigungspflichtig.
- Einen Antrag hierfür können Sie bei der untersten Wasserbehörde stellen
Fachwissen
Smart grid ready
ANFORDERUNGEN FÜR DAS SG READY-LABEL
Heizungswärmepumpen
Heizungswärmepumpen müssen über einen Regler verfügen, der vier Betriebszustände abdeckt:
- Betriebszustand 1 (1 Schaltzustand, bei Klemmenlösung: 1:0):
Dieser Betriebszustand ist abwärtskompatibel zur häufig zu festen Uhrzeiten geschalteten EVU-Sperre und umfasst maximal 2 Stunden „harte“ Sperrzeit.
- Betriebszustand 2 (1 Schaltzustand, bei Klemmenlösungen: 0:0):
In dieser Schaltung läuft die Wärmepumpe im energieeffizienten Normalbetrieb mit anteiliger Wärmespeicher-Füllung für die maximal zweistündige EVU-Sperre.
- Betriebszustand 3 (1 Schaltzustand, bei Klemmenlösung 0:1):
In diesem Betriebszustand läuft die Wärmepumpe innerhalb des Reglers im verstärkten Betrieb für Raumheizung und Warmwasserbereitung. Es handelt sich dabei nicht um einen definitiven Anlaufbefehl, sondern um eine Einschaltempfehlung entsprechend der heutigen Anhebung.
- Betriebszustand 4 (1 Schaltzustand, bei Klemmenlösung 1:1):
Hierbei handelt es sich um einen definitiven Anlaufbefehl, insofern dieser im Rahmen der Regeleinstellungen möglich ist.
Für diesen Betriebszustand müssen für verschiedene Tarif- und Nutzungsmodelle verschiedene Regelungsmodelle am Regler einstellbar sein:
Variante 1: Die Wärmepumpe (Verdichter) wird aktiv eingeschaltet.
Variante 2: Die Wärmepumpe (Verdichter und elektrische Zusatzheizungen) wird aktiv eingeschaltet, optional: höhere Temperatur in den Wärmespeichern
Optional kann die Raumtemperatur als Führungsgröße für die Regelung der Systemtemperaturen (Vor- bzw. Rücklauftemperatur) herangezogen werden. Eine Sperrung der Wärmepumpe durch einen Raumthermostaten in Abhängigkeit von der Raumtemperatur ist nicht ausreichend.
Fachwissen
Gesamtbetrachtung
Als Energieberater betrachten wir eine Wärmepumpe jedoch nicht isoliert, sondern beziehen die Stromerzeugung in díe Bewertung mit ein.
Wärmepumpe
Förderungen
Wärmepumpe
Referenzen
Kundenprojekt
Sanierung
Baudenkmal
Sole/Wasser WP
Sanierung eines Baudenkmals
- 6 Sonden a 75 m
- Eigenstromnutzung (Wasserkraft)
Luft/Wasser WP
- Wärmeübergabe über Deckenheizung zum Heizen und aktiver Kühlung.
- Smart grid mit PV-Speicher
Kundenprojekt
Neubau
Effizienzhaus 40 plus
Kundenprojekt
Neubau
Plusklimahaus
Luft/Wasser WP
- Betonkernspeicher (im Bild fehlt die Dämmung zwischen Speicher und Deckenheizung
- Wärme wird bei PV-Ertrag oder in den wärmeren Stunden des Tages in die Decke eingebracht.