Sole-Wärmepumpen S
Erdsonden
Erdkollektor
Energiekörbe
1 Verdampfung
Die Energiezufuhr erfolgt dabei auf Seite des Verdampfers (siehe Schaubild). Hier nutzt die Wärmepumpe die Wärme der Umgebung, um das Kältemittel zu verdampfen. Das Kältemittel muss für diesen Prozess also einen niedrigen Siedepunkt aufweisen, um selbst bei dem geringen Temperaturniveau der Umgebung in den gasförmigen Aggregatzustand überzugehen.
2 Verdichtung
Im nächsten Schritt verdichtet sich nun das gasförmige Kältemittel mithilfe eines elektrisch angetriebenen Kompressors. Dabei erhöht sich nicht nur der Druck, sondern auch die Temperatur des Kältemittels. Eine Wärmepumpe wird so ausgelegt, dass das Temperaturniveau zum Bedarf der Gebäudeheizung passt.
3 Verflüssigung
Im Verflüssiger wird die Wärme der Gebäudeheizung zugeführt. Dies ist möglich, da das Kältemittel nun ein höheres Temperaturniveau als der Heizkreislauf aufweist. Durch die Energieentnahme kühlt das Kältemittel wieder ab, bis es schließlich in den flüssigen Zustand übergeht.
4 Expansion
Bevor der Wärmepumpen-Kreislauf wieder von vorne beginnen kann, muss sich das Kältemittel noch auf den Anfangsdruck entspannen. Dafür fließt es durch eine Düse, die den Druck gezielt auf das Anfangsniveau absenkt.
B0W35 bedeutet, dass eine Sole/Wasser-Wärmepumpe mit einer Soletemperatur von 0 °C (gemessen am Eintritt in die Wärmepumpe) und einer Vorlauftemperatur von 35 °C arbeitet. Das Verhältnis der erreichten Leistungszahl zur theoretisch möglichen Leistungszahl wird als Gütegrad bezeichnet. Typisch sind Werte in der Gegend von 0,5.
Je höher die Temperatur der Wärmequelle beziehungsweise je kleiner die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Heizkreislauf ist, umso effizienter arbeitet eine Wärmepumpe. Wärmepumpen als Wärmeerzeuger sind also vor allem dann sinnvoll, wenn sie mit niedrigen Systemtemperaturen und großen Heizflächen wie z. B. Fußbodenheizungen kombiniert werden.
Wirkungsgrad \[\eta = \frac{{{\vartheta _{heiss}}}}{{{\vartheta _{heiss}} - {\vartheta _{kalt}}}}\]
Eine von der Außenluft gespeiste Wärmepumpenheizung mit einem Gütegrad von 50 % hat bei starkem Frost (Außentemperatur Tkalt = -25 °C) und einer Vorlauftemperatur von Theiß = 45 °C einen Wirkungsgrad von \[\eta = 0,5 \cdot \frac{{(273,15 + 45)K}}{{(45 - ( - 25))K}} = 2,3\]
bei mildem Wetter (Außentemperatur Tkalt = 15 °C) und einer Vorlauftemperatur von Theiß = 25 °C einen Wirkungsgrad von \[\eta = 0,5 \cdot \frac{{(273,15 + 25)K}}{{(25 - 15)K}} = 14,9\]
Kältemittel zählen zu den Fluiden, die Wärme sehr gut leiten. Daher werden sie oft als Betriebsstoff zur Wärmeübertragung in Heizsystemen oder Klimaanlagen genutzt. Unterschieden werden sie zwischen natürlichen und synthetischen Kältemitteln.
Kohlenwasserstoffe, Ammoniak sowie Wasser und Luft zählen zu den natürlichen Kältemitteln. Synthetische Kältemittel werden künstlich hergestellt und in der Chemie auch als halogenierte Kohlenwasserstoffe bezeichnet. Jedes Kältemittel weist andere Eigenschaften auf und wird je Anwendungsbereich dementsprechend eingesetzt. Einige sind besonders gut für Klimaanlagen geeignet, wohingegen andere sich besser für Heizsysteme wie der Wärmepumpe eignen. Die Wahl des Kältemittels hat Einfluss auf den Energieverbrauch und auch den Aufstellort des jeweiligen Systems.
Eine wichtige Rolle bei synthetischen Kältemitteln spielt der sogenannte GWP-Wert. GWP bezeichnet in diesem Zusammenhang Global Warming Potential, was übersetzt Treibhauspotenzial bedeutet. Der GWP-Wert gibt an, wie schädlich ein Kältemittel ist, wenn es in der Atmosphäre freigesetzt wird. Als Vergleichswert hierfür dient CO2, das mit einem Wert von 1 beziffert wird. Beträgt der GWP-Wert beispielsweise 1.000, so ist es 1.000-mal schädlicher als CO2. Seit 2020 darf der GWP-Wert eines Kältemittels bei maximal 2.500 liegen. Ab 2025 beläuft sich die Höchstgrenze auf 750.
Die verschiedenen Kältemittel unterliegen einer Bewertung, die mithilfe des Global Warming Potentials (GWP) erstellt wird. Das Global Warming Potential (GWP) ist ein Maß dafür, wie sehr ein Kältemittel zur globalen Erwärmung beiträgt. CO₂ hat einen GWP von 1 und dient damit als Referenzwert. Je höher der Wert ist, desto schwerwiegender sind die Auswirkungen auf die Umwelt.
GWP ist die Abkürzung für „Global Warming Potential“, steht also für das Erderwärmungs- bzw. Treibhauspotenzial einer Substanz. Der GWP-Wert eines Kältemittels definiert dessen relatives 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. Ein konkretes Rechenbeispiel: Das CO₂-Äquivalent des verbreiteten Kältemittels R134a, auf einen Zeitraum von 100 Jahren betrachtet, ist 1430. Das bedeutet, dass ein Kilogramm R134a innerhalb der ersten 100 Jahre nach der Freisetzung 1.430 Mal so stark zum Treibhauseffekt beiträgt wie ein Kilogramm CO₂. Die Freisetzung von 1 kg R134a entspricht also der Freisetzung von 1.430 kg CO₂.
Der COP benennt das Verhältnis von erzeugter Wärme und aufzuwendender Energie unter Normbedingungen. Je höher der COP-Wert ist, desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe. Generell liegen gute COP-Werte zwischen 3 und 5. Ein COP unter 3 spricht in der Regel dafür, dass die Wärmepumpe nicht wirtschaftlich arbeitet.
Die Leistungszahl wird bei konstanten Betriebsbedingungen im Labor gemessen. Ein normaler Betrieb der Wärmepumpe kann damit nicht zu 100% simmuliert werden. Deswegen wird heute oftmals zusätzlich der SCOP (seasonal COP) angegeben. Dieser berücksichtigt wechselnde Betriebsbedingungen. Die Leistungsmessung findet nicht nur bei einer einzigen Temperatur statt, sondern bei mehreren unterschiedlichen Werten.
\[COP = \frac{{\dot Q}}{{{P_{el}}}}\]Typische Werte sind:
B0/W35: B = Brine (engl. für Sole) mit 0 °C bei einer Temperatur von 35 °C des Heizwassers (W = engl. Water) am Austritt aus der Wärmepumpe (auch als Heizwasser-Vorlauftemperatur bezeichnet)
W10/W35: Temperatur des Grundwassers von 10 °C bei einer Temperatur des Heizwassers am Austritt aus der Wärmepumpe von 35 °C
E4/W35: E = Erdreich 4 °C für direktverdampfendes Kältemittel bei einer Heizungswasservorlauftemperatur von 35 °C
A2/W35: Air, Lufttemperatur von 2 °C bei einer Heizungswasservorlauftemperatur von 35 °C
Was bedeutet COP A7 W35? Es handelt sich hierbei um eine Luft-Wasser-Wärmepumpe, die bei 7 °C Außentemperatur arbeitet und dabei eine Vorlauftemperatur von 35 °C erzeugt. Unter diesen Bedingungen erreicht die Wärmepumpe im obigen Beispiel einen COP-Wert von 4,7.
Weitere Beispiele: B0 W35 bedeutet, dass eine Erdwärmepumpe mit einer Soletemperatur von 0 °C und einer Vorlauftemperatur von 35 °C arbeitet. W10 W50 sagt aus, dass eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe mit einer Wassertemperatur von 10 °C und einer Vorlauftemperatur von 50 °C läuft.
Gerne werden gerade bei Luft/Wasser-Wärmepumpen Angaben zu A7/W35 gemacht, sehen die Werte dadurch deutlich besser aus, entsprechen aber nicht dem gebräuchlichem Standard.
Die Leistungszahl wird nach 2 Normen definiert: der DIN EN 255 und der DIN EN 14511. Die DIN EN 255, eigentlich für die Warmwasserbereitung konzipiert, wird bei einer Spreizung auf der Verflüssigungsseite von 10 K gemessen und stimmt mit den tatsächlichen Bedingungen bei einer Flächenheizung nicht unbedingt überein. Bei nur 25 °C Rücklauftemperatur ist eine Heizsituation kaum mehr gegeben, aber die gemessenen Werte sind besser als bei der DIN EN 14511, hier wird mit einer Spreizung von 5 °K gemessen. Die Leistungszahl wird dadurch etwa 8 % schlechter.
Grundsätzlich gilt: Angaben zur Leistungszahl bzw. zum COP ohne Betriebspunkte und Norm sind nicht brauchbar!
Angaben von Herstellern alleine bergen ein Manko: Nur ein kalibrierter Prüfstand mit konditionierten Betriebsbedingungen führt zu vergleichbaren Ergebnissen. Darüber verfügen aber nur die wenigsten Hersteller. Angaben zum COP beruhen daher oft auf Simulationsprogrammen mit frei interpretierbaren Werten, Lob gebührt denjenigen, die sich freiwillig einem neutralen Test wie etwa dem EHPA Gütesiegel stellen. Zur Verifizierung müsste anderenfalls letztlich der Nutzer selbst sein Gerät auf eigene Kosten von einem Prüfinstitut überprüfen lassen.
Eine hohe Leistungszahl bzw. COP führt auch zu einer hohen Jahresarbeitszahl. Vom COP kann nicht auf die JAZ geschlossen werden, da der COP nur für die Wärmepumpe allein gilt und die JAZ aber auf die gesamte Hausheizanlage, bei der die Heizflächen samt benötigten Temperaturen, das Warmwasser (falls dies von der Heizungs-Wärmepumpe übernommen wird), das Benutzerverhalten und letztlich das Wetter mit einfließen.
\[JAZ = \frac{{{Q_{Heiz}}}}{{{W_{el}}}}\]Elektrische Jahresenergie der Wärmepumpe
\[JAZ = \frac{{{Q_H}}}{{{W_{el}}}} = \frac{{{{\dot Q}_H} \cdot t}}{{{W_{el}}}} \leftrightarrow {W_{el}} = \frac{{{{\dot Q}_H} \cdot t}}{{JAZ}}\]
Die Heizleistung ist dabei von der Größe und dem Dämmzustand des Gebäudes sowie der Anzahl der Bewohner abhängig. Während moderne Energieeffizienzhäuser maximal einen Heizwärmebedarf von 30 kWh/m2a haben dürfen, kann dieser bei unsanierten Altbauten durchaus bei um die 300 kWh/m2a liegen. Bei den Heizstunden beträgt der deutsche Durchschnittswert 2.000 pro Jahr.
Ginge man von einem Einfamilienhaus mit 150 kWh/m2a und einer Wohnfläche von 120 m2 aus, ergäbe sich daraus eine benötigte Heizleistung von 9 kW. Der Stromverbrauch sehe dann wie folgt aus:
mit Luft-Wasser-Wärmepumpe (JAZ = 2,5) 9 kW : 2,5 x 2.000 h/a = 7.200 kWh/a
mit Sole-Wasser-Wärmepumpe (JAZ = 3,6) 9 kW : 3,6 x 2.000 h/a = 5.000 kWh/a
mit Wasser-Wasser-Wärmepumpe (JAZ = 5) 9 kW : 5 x 2.000 h/a = 3.600 kWh/a
Was beeinflusst die Jahresarbeitszahl?
Wärmequelle
Vorlauftemperatur
Dämmung
Klimazone
Wärmebedarf
Warmwasser
Der SCOP "Seasonal"-COP basiert auf dem COP, wird aber um 4 Betriebspunkte erweitert um damit die Jahreszeiten oder unterschiedliche klimatische Verhältnisse besser abbilden zu können. Zudem berücksichtigt der Wert auch Leistungsregelungen, im Teillastbetrieb ist der COP höher. Auch ein Heizstab fliesst in den Wert ein, unter dem Strich kommen höhere COP heraus. Allerdings werden die Geräte damit nicht besser...
Eine weitere Ergänzung ist ETA-s oder ηs-Wert, er beschreibt die Jahreszeitbedingte Raumheizungs-Energieeffizienz. Dabei wird der europäische Primärenergiefaktor (Strommix) berücksichtigt, dieser Faktor beträgt 2,5 durch den der SCOP nach EN 14825 geteilt wird. Der Wert zeigt also, wie viel Primärenergie für eine Kilowattstunde Wärme benötigt wird. Er dient auch als Förderkriterium der neuen Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) und wird vom Hersteller ermittelt.
COP = Heizleistung / elektr. Antriebsleistung
Die Leistungszahl COP gibt das Verhältnis von Wärmeleistung zu elektrischer Leistung an und bezieht sich dabei auf einen Betriebspunkt.
Linkslaufender Kreisprozess
Arbeit wird in Wärme umgewandelt. Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe gibt an, welcher Anteil der Wärmepumpe zugeführten Energie tatsächlich nutzbar ist.
Nimmt man an, dass die gesamte Energie W, gewandelt zu Wärme, auch dem wärmeren Reservoir zugeführt wird, also Bestandteil von Qw ist, so kann man in W = Qw − Qk setzen.
Der thermische Wirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der zugeführten Arbeit in Wärme umgewandelt wird.
R410A ist ein synthetisches Kältemittel, das sehr effizient ist und wegen seiner guten thermodynamischen Eigenschaften in vielen Wärmepumpen zum Einsatz kommt. R290 ist ein natürliches Kältemittel und wird ebenfalls in Wärmepumpen genutzt. Da R290 besonders hohe Vorlauftemperaturen von bis zu 75 °C ermöglicht, kann es auch für die klimabewusste Modernisierung mit vorhandenen Radiatoren eingesetzt werden.
R290 oder ähnliche natürliche Kältemittel werden häufig eingesetzt und begegnen uns quasi täglich, ohne dass Verbraucher und Kunden das bewusst registrieren. Beispiele sind Haushaltskühlschränke, die seit über 20 Jahren mit vergleichbaren Kältemitteln im Innenbereich betrieben werden, Klimaanlagen oder auch Deos und Haarsprays.
Nein – bei Wärmepumpen und Klimaanlagen ist kein Austausch nötig, da das Kältemittel dank des geschlossenen Kältemittelkreises nicht verschleißt, verschwindet oder abgebaut wird. Bei einer Klimaanlage im Auto hingegen sollte das Kältemittel regelmäßig nachgefüllt werden, da es nach und nach aus den Schlauchverbindungen entweicht. Das kann zu Schäden am Kompressor führen.
Es gibt zahlreiche Kältemittel auf dem Markt. Die meisten Wärmepumpen arbeiten noch mit R410A, einige Wärmepumpen bereits mit R290 – ein sehr zukunftssicheres Kältemittel, das immer öfter zum Einsatz kommt.
Bei Erdwärmepumpen und Wasserwärmepumpen stellt die Wärmequelle das ganze Jahr über konstante Temperaturen bereit, wodurch die Wärmepumpe ganzjährig effizient arbeitet. Den besten COP erreichen Wasserwärmepumpen mit Werten von 4,9 bis 5,8. Erdwärmepumpen liefern ebenfalls hohe COP-Werte von 4,4 bis 4,8. Luftwärmepumpen weisen mit einem COP von 3,4 bis 4,1 vergleichsweise niedrige Werte auf, die dennoch gut sind. Das liegt daran, dass Wärmepumpen bei starken Minusgraden nicht mehr effizient arbeiten. Um das zu verhindern, schaltet sich ein elektrischer Heizstab zur Unterstützung des Heizbetriebs ein. Die Außentemperatur wirkt sich auf den COP einer Luftwärmepumpe aus.
