Wärmepumpe - Anspruch und Wirklichkeit

Wie eine Art "Wunderwaffe" der Heizungstechnik geistert die Wärmepumpe durch den Raum. Schlagworte wie Geothermie, Umweltwärme, Heizen mit Eis etc. sollen besondere Umweltfreundlichkeit verheißen. Wenn nur die hohen Anfangskosten nicht wären... Aber dann brauche es ja nur ein bisschen Strom, um die "Wärme zu pumpen"...

Leider ist diese Verheißung vor allem ein Wunschbild und ein Marketingtrick findiger Werbeleute. Erfahren Sie nachfolgend, warum das so ist, wann eine Heizung mittels Wärmepumpe sinnvoll sein kann - und warum diese im Gebäudebestand und nur zu oft auch im Neubau eben doch häufig der falsche Weg ist.

Was eine Wärmepumpe kann - und was sie nicht kann

Stellen Sie sich vor, Sie lassen sich ein Bad ein. Dazu mischen Sie heißes Wasser und kaltes Wasser, um die passende, angenehme Wassertemperatur zu erhalten. Diese Mischung ergibt sich ganz zwanglos.

Nur: Umgekehrt geht das nicht, wie wir wissen. Warmes Wasser "entmischt" sich nicht in kaltes und heißes Wasser. Das ist sogar ein Naturgesetz. Jedenfalls nicht ohne Einsatz von Antriebsenergie ("Exergie") und ein technisches Hilfsmittel, genannt Wärmepumpe.

Atriebsenergie ist Energie, die mechanische Arbeit verrichten kann (z.B. Strom oder Hochtemperaturwärme). Ganz entscheidend: Die  benötigte  Menge Antriebsenergie ist beträchtlich und hängt direkt mit der Spreizung (Temperaturunterschied der "entmischten" Teile) zusammen. Ein großer Temperaturunterschied erfordert viel Antriebsenergie. Daraus lässt sich z.B. ganz einfach ableiten, dass  eine Luft-Wasser-Wärmepumpe bei Kälte und hohen Heizkreistemperaturen in Altbauten  sehr ineffizient sein muss.

Der grundsätzliche Vorgang des "Wärme pumpen" ist im Kasten beschrieben.

 

Damit ergibt sich ein Energiefluss wie im Bild dargestellt: Bei der Erzeugung des Stroms (als Antriebsenergie der Wärmepumpe) im thermischen Kraftwerk entsteht  in erheblichem Umfang Abwärme. Dies ist grundsätzlich unvermeidlich, fällt aber je nach Kraftwerkstyp in unterschiedlicher Höhe an. Die Abwärme wird meist über Kühltürme wweggekühlt und geht damit verloren. (Die Wärme könnte zwar auch über Wärmenetze verteilt und zu Heizzwecken genutzt werden. Diese sogenannte Kraft-Wärme-Kopplung geschieht aber viel zu selten).  

 Im obigen Beispiel - fossile Stromerzeugung und typischer Wärmepumpen-Wirkungsgrad - wäre das Ganze ein Nullsummenspiel: Die Wärmepumpe holt unter beträchtlichem Aufwand zurück, was vorher im Kraftwerk verpuffte.
Bei hocheffizienter Stromerzeugung, beispielsweise mit GuD-Kraftwerken (Gas- und Dampf-, bis 60% Wirkungsgrad) wäre der Gesamtnutzen deutlich höher, auch eine hocheffiziente - und teure - CO2-Wärmepumpe mit Erdsonde (Jahresarbeitszahl bis 4,5) und Flächenheizung würde den Primärenergie-Nutzungsgrad deutlch verbessern (bis 2,5 - fach).


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Realistischer ist allerdings, dass alte Fossil-Kraftwerke und Luft-Wasser-Wärmepumpe mit konventioneller Radiatorenheizung  zusammentreffen. Dann ist der Primärenergienutzen sogar noch deutlich schlechter als bei direkter Heizung mit Öl oder Gas.

Woher den Strom nehmen, woher die Umweltwärme?

Was in der Diskussion oft völlig vernachlässigt wird ist die Frage, woher denn überhaupt der Strom zur Gebäudeheizung bei großflächigem Einsatz von Wärmepumpen kommen soll: Würde die Hälfte der Bundesbürger ihre Wohnungen mit Erd-Wärmepumpen heizen, bedeutete dies an kalten Tagen einen zusätzlichen Bedarf an Kraftwerksleistung von über 50 Gigawatt, das sind 50 große Kernkraftwerke, mehr als die Hlfte des existierenden thermischen Kraftwerksparks. Auch wäre das Wärmereservoir der oberen Erdschichten dann rasch erschöpft, das heißt diese würden sich auf tiefe Frosttemperaturen abkühlen, ein Vorgang, der bereits bei vielen existierenden Wärmepumpenheizungen beobachtet wird.

Wer machts, dass es zuverlässig tut?

Ein meist völlig unterschlagenes Problem der Wärmepumpe ist ihre oft bescheidene Zuverlässigkeit.  In einer Wärmepumpe stecken  viele bewegte Teile: (Kolben-)Kompressoren, Pumpen, Ventile, Ventilatoren. Und eine ganze Menge Steuerelektronik mit Sensorik und Verkabelung. Besonders bei Luft-Wärmepumpen befinden sich wesentliche Teile auch noch im Freien, sind Wind und Wetter und Feuchtigkeit, Eis, Hitze ... ausgesetzt. Durch Vibrationen oder auch nur Temperaturwechsel können Verbindungen und Rohre undicht werden, Feuchtigkeit oxidiert elektrische Kontakte...

Darüber hinaus gab es in der Vergangenheit bei den Herstellern der Geräte ein Kommen und Gehen. Geschäftszweige wurden verkauft und weiterverkauft, mit der Folge, dass der Kundendienst oft mangelhaft oder ungenügend ist.  Handwerker sind aber keine Ingenieure und auch keine Softwarespezialisten, und die Dokumentation der Anlagen oft mangelhaft bis ungenügend. So steht der Servicemonteur oft da wie der sprichwörtliche "Ochse am neuen Tor" und kann dann nur das komplette Gerät wechseln, was dann hohe Kosten für Gerät und Anpassung nach sich zieht.
Es empfiehlt sich daher, bei der Anschaffung einen in der Heizungsbranche renommierten Hersteller zu wählen - was wieder einen Zuschlag beim Preis bedeutet...

Ungelöst ist dann immer noch die mangelnde Anlagendokumentation. So etwas gibt es in der Realität praktisch nicht, günstigenfalls sind die Betriebshandbücher der zentralen Geräte vorhanden. Auch bei Handwerksbetrieben wechseln Mitarbeiter, Betrieb schließen aus Altersgründen, neue beginnen. Wenn dann die Anlage nicht völlig übersichtlich gebaut ist - und das ist sie in den seltensten Fällen, zumal wenn es im Lauf der Zeit Anpassungen und bauliche Änderungen gab - dann weiß kaum ein Monteur, was er eigentlich vor sich hat...

Schwäche bei kaltem Wetter

Ein zusätzliches Problem der Wärmepumpe tritt gerade dann auf, wenn sie am meisten leisten muss: Bei Kälte sind hohe Heizkreistemperaturen erforderlich, zusätzlich sackt die Temperatur der stark beanspruchten Erdsonden ab. Die Spreizung, das ist die Differenztemperatur zwischen Heizkreis und Wärmequelle (Erdsonde oder Luft-Wärmetauscher) steigt stark an.
Die Leistungszahl COP (Coefficient of Performance) der Wärmepumpe, das Verhältnis zwischen gewonnener Wärme und eingesetztem Strom, geht aber mit steigender Spreizung stark zurück (umgekehrt proportional).

Hohe Belastung trifft also auf schlechte Leistung - ein problematisches Zusammentreffen! Andersherum gesagt: Die Wärmepumpe funktioniert am besten, wenn sie am wenigsten gebraucht wird.

Wann Wärmepumpenheizung sinnvoll sein kann

Die folgenden Kriterien müssen praktisch alle erfüllt sein, damit eine Wärmepumpenheizung sinnvoll eingesetzt werden kann:

- Gut gedämmtes Gebäude
- Große wärmespeichernde Gebäudemasse
- Flächenheizung zur Wärmeabgabe (z.B. Fußboden-/Wand-/Deckenheizung)
- Hohe Temperatur der Wärmequelle (optimal ganzjährig über 10°C), z.B. durch sommerliche Regeneration
- Betriebsstrom aus erneuerbaren Energien (Windstrom, Solarstrom)

Darüber hinaus ist gerade bei Wärmepumpen eine besonders  sorgfältige Auslegung der Heizung erforderlich.

Interessant: Bivalenzbetrieb

Angesichts der offensichtlichen Schwächen der Wärmepumpe bei Kälte und gleichzeitig ausbleibender lokaler Sonnenstrahlung (deshalb ist Winter...) drängt sich auf, die Wärmepumpe dann zu betreiben, wenn - noch - Sonnenstrahlung für Sonnenstrom verfügbar ist. Bei starker Kälte und in der Nacht kann eine konventionelle Heizung einspringen, also Holzpellets, Gas oder Heizöl. In gut gedämmten Häusern kann  mehr als die Hälfte der Heizwärme lokal erzeugt werden. Für diese Art des Betriebs reicht auch eine kostengünstige Luft-Wasser-Wärmepumpe  aus.

Kasten:

Wer ein Fahrrad aufpumpt bemerkt, dass die Pumpe warm wird. Das kommt von der Kompression der Luft, die natürlich umso wärmer wird, je wärmer sie vorher schon war. Umgekehrt wird die ausströmende Luft beim Ablassen des Fahrradschlauchs kalt.
Führt man die beiden Vorgänge hintereinander aus und mit verbesserten technischen Hilfsmitteln - also Aufpumpen draußen, nach innen bringen, dort abkühlen lassen, wieder raus bringen und Druck ablassen, dann hat man im Prinzip eine Wärmepumpe.

Technische Wärmepumpen verwenden spezielle Kältemittel, die viel Wärme transportieren können. Ergänzend "speielen" sie mit dem Phasenübergang von flüssigem zu gasförmigem Zustand und umgekehrt, wo jeweils viel Wärme umgesetzt wird.