Wärmepumpe

Vollständige Erfüllung
Anteilige Erfüllung:Berechnung …
 
Relevante Paragraphen:
Anerkennung:§ 5.1, 5.2
Kombinationen:§ 11.1, 11.2 Satz 1, 11.3
Sachkundiger:§ 3 Nr. 11
 
Nachweiserbringung nach § 20:
Vorlage für untere Baurechtsbehörde

Wärmepumpe im EWärmeG

Wärmepumpen nutzen Umweltwärme aus der Luft oder dem Erd­reich, oder auch Ab­wärme aus in­dustriel­len Pro­zes­sen. Das Erneuerbare-Wärme-Gesetz erkennt die Nutzung als Erneuer­bare Energien an, wenn bei elektrisch angetriebenen Wärme­pumpen eine Kilowattstunde (kWh) Strom mindestens 3,5 kWh Wärme erzeugt – also eine Jahresarbeitszahl (JAZ) von mindestens 3,50 erreicht wird. Mit Brenn­stoff betriebene Wärmepumpen müs­sen eine Jahresheizzahl (JHZ) von min­destens 1,20 erreichen. Die genan­nten Werte sind das Minimum an not­wendiger Effizienz.

Kombination mit anderen Erfüllungsoptionen

Weist die Wärmepumpe die geforderte JAZ oder JHZ auf und deckt den kompletten Wärme­energie­bedarf ab, wird das EWärmeG vollständig erfüllt. Eine weitere Erfüllungs­option ist dann nicht mehr nötig. Wird der gesamte Wärmeenergiebedarf nicht komplett durch die Wärme­pumpe gedeckt, so ist unter Berücksichtigung der Effizienz der Wärmepumpe (JAZ/JHZ) eine Kombination mit anderen Optionen möglich. Hierbei bietet sich Solarthermie als Heizungs­unterstützung an. Es könnte auch eine weitere Wärmequelle, wie eine Gas-, Öl- oder Pelletheizung, sinnvoll sein.

Gängige Kombinationen: Solarthermie, Gasheizung mit Biogas, Holzheizung

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Stand der Technik – Funktion einer Wärmepumpe

Wie bereits oben beschrieben nutzt eine Wärme­pumpe Umweltwärme aus der Luft, dem Erdreich oder dem Wasser. Über einen sogenannten Verdampfer wird die Umwelt­energie an das im Ver­dampfer enthaltene Kälte­mittel übertragen. Das Kältemittel hat die Eigen­schaft schon bei sehr geringen Tem­pe­ra­turen zu verdampfen. Die Ver­dampfungs­energie des Kälte­mittels wird dabei der Umwelt entzogen. In einem zweiten Schritt wird der Druck des dampf­förmigen Kälte­mittels in einem Ver­dichter erhöht. Die Druckerhöhung bewirkt einen Tem­pe­ratur­anstieg des Kälte­mittels. Zum Antrieb des Ver­dichters wird Strom benötigt. Vom Ver­dichter gelangt das nun heiße Kälte­mittel zu einem Ver­flüssiger. Im Verflüssiger wird die Energie des Kälte­mittels an das Heiz­system des Gebäudes übertragen. Hierbei sinkt die Tem­pe­ra­tur des Kälte­mittels und es beginnt wieder flüssig zu werden. Das Expansionsventil, auch Entspanner-Ventil genannt, ver­ringert den Druck des Kälte­mittels wobei es wieder voll­kommen flüssig wird. Das Kälte­mittel ist nun wieder im Aus­gangs­zu­stand.

Sole-Wärmepumpe
Je nach Aus­legung der Wärme­pumpe, der ört­lichen Beschaffen­heit und den Rahmen­bindungen kann eine Wärme­pumpe auf ver­schiedene Weise betrieben werden. In der monovalenten Betriebsweise arbeitet die Wärme­pumpe als einziges Heiz­system. Bei der bivalenten Betriebsweise wird die Wärme­pumpe mit anderen Heiz­systemen kombiniert. Um den benötigten Wärme­bedarf bei sehr niedrigen Außen­tempera­turen zu decken, bietet sich vor allem bei Luft-Wärme­pumpen die Kom­bina­tion mit einer zweiten Wärme­quelle an. Besonders bei niedrigen Außen­tempera­turen wird eine Luft-Wärmepumpe durch hohen Strom­bedarf schnell un­wirt­schaft­lich. Um diese Last­spitzen abzu­decken, empfiehlt sich die Kombination mit bspw. einem effizienten Gas-Brennwertgerät. Diese Betriebs­form bietet sich bei der Sanierung von Alt­bauten an, wobei die bestehende Heizung dann ergänzend genutzt wird. Eine dritte Betriebsart ist der monoenergetische Betrieb. Hierbei deckt die Wärmepumpe den Großteil der benötigten Wärme­leistung. Bei sehr niedrigen Außen­tempera­turen unterstützt eine elektrische Wider­stands­heizung (Heizstab) die Wärme­pumpe und mindert so einen un­wirtschaft­lichen Betrieb dieser. Eine solche Betriebs­weise ist bei der Wärme­quelle Luft besonders effektiv.

Um noch höhere Ein­spar­poten­ziale in der Wärme­ver­sorgung zu generieren, bietet sich die Kombination einer Wärmepumpe mit einer Solarthermie-Anlage an. Diese kann dann als direkte Unter­stützung für die Wärme­pumpe dienen, indem die Wärme aus dem Kollektor direkt dem Heizungs­system zugeführt wird. In der Regel wird hierbei ein zusätz­licher Solar­speicher installiert. Eine andere Möglich­keit besteht in der indirekten Unter­stützung. In Zeiten hoher solarer Ein­strahlung und einem gefüllten Solar­speicher, kann die nicht genutzte Wärme der Solar­kollek­toren z.B. dem Erdreich zugeführt werden, in dem ein Erd­kollektor verlegt ist. Die Sonnen­energie verhindert so ein Aus­kühlen des Erd­reiches rund um den Erd­kollektor und führt so zu einer Effizienz­steigerung der Wärme­pumpe.

Wie funktionieren Gaswärmepumpen?

Gas­wärme­pumpen arbeiten vom Prinzip her genau wie her­kömm­liche Wärme­pumpen. Der Unterschied besteht in der Antriebs­energie. Gas­wärme­pumpen werden mit Erdgas (Primärenergie) angetrieben; im Gegensatz zu den her­kömm­lichen Wärme­pumpen, die mit Strom (Sekundärenergie) betrieben werden. Bei den Gas­wärme­pumpen wird zwischen drei Funktionsprinzipien unterschieden. Diese Funktions­prinzipien sind die Gas­motor­wärme­pumpe, die Absorptions­wärme­pumpe und die Zeolith Wärme­pumpe.

Bei der Zeolith Wärmepumpe wird das keramik­artige Mineral Zeolith eingesetzt, um mit einem zyklisch laufenden Prozess Wärme zu erzeugen. In dem Prozess­ablauf wird zum einen Umwelt­wärme bspw. aus dem Erdreich oder einem Solar­kollektor und zum anderen Erdgas zur Erzeugung der Heiz­wärme eingesetzt. Das verwendete Zeolith weist keine Ermüdungs­erscheinungen auf und kann Wartungs­frei betrieben werden. Einsatz­gebiete sind neue Ein­familien­häuser und sanierte Alt­bauten mit geringen Vor­lauf­tem­pera­turen. Bei der Absorptionswärmepumpe wird der Ver­dichter thermisch mithilfe eines Ammoniak-Wasser-Gemisches und Erdgas als Brenn­stoff betrieben. Das Einsatz­gebiet liegt in der Wärme­versorgung von Ein- und Mehr­familien­häusern und kann aufgrund der hohen Vor­lauf­tem­pera­turen von bis zu 70 °C auch für die Trink­wasser­erwärmung und für Bestands­häuser eingesetzt werden. Wie auch her­kömmliche Wärme­pumpen kann die Umwelt­wärme aus der Luft, dem Wasser oder dem Erd­reich genutzt werden. Gasmotorwärmepumpen können in Ein- und Mehr­familien­häusern, aber auch in Gewerbe­unternehmen eingesetzt werden. Wie auch die elektrisch angetriebene Wärme­pumpe arbeitet die Gas­motor­wärme­pumpe mit einem mechanischen Verdichter. Dieser wird nicht mit Strom, sondern durch einen Gasmotor angetrieben. Die Pumpe liefert etwa ein Viertel der Heiz­energie aus der Umwelt­wärme. Gegenüber modernen Gas­brennwert­heizungen ist der Gasverbrauch um bis zu 30 % geringer. Des Weiteren kann sie auch zum Kühlen eines Gebäudes eingesetzt werden.

Hinweis: Die durch­schnitt­lichen Preise einer Wärmepumpe liegen je nach einge­setzten Systemen zwischen 7.000 € und 20.000 €. Zu beachten sind neben Förder­geldern aber auch noch die Montage­kosten. Angebot für Wärmepumpe kostenlos einholen …

Die Energiequellen der Wärmepumpe

Je nach Be­schaffen­heit der Um­gebung und den ört­lichen Be­dingungen kann die Umwelt­energie aus drei verschiedenen Quellen gewonnen werden. Die thermische Energie kann aus der Luft, dem Erd­reich oder dem Grund­wasser entzogen werden.

Für die Nutzung der Umwelt­wärme Luft gibt es zwei Arten von Wärme­pumpen. Die Luft-Wasser-Wärmepumpe arbeitet mit dem klassischen Wärme­pumpen­prinzip. Mithilfe eines Ventilators wird die Umgebungs­luft angesaugt und an einem Verdampfer vorbei geführt. Im Verdampfer wird das Kälte­mittel in einen dampf­förmigen Zustand versetzt und entzieht so der vorbei­strömenden Luft die Energie. Die Luft-Luft-Wärmepumpe besitzt keinen Kälte­mittel­kreis. Die angesaugt Außen­luft wird durch einen Wärme­tauscher geleitet. Die „verbrauchte“ Raumluft wird ebenfalls durch den Wärme­tauscher geführt und gibt dabei ihre Wärme an die Außen­luft ab, die dann dem Raum zugeführt wird. Von allen drei Wärme­quellen kann die Luft am einfachsten als Energie­quelle verwendet werden und ist somit auch die günstigste Variante in der Anschaffung. Ein besonderer Nachteil von Luft-Wärme­pumpen ist der Zeit­punkt des höchsten Wärme­bedarfs. Bei sehr niedrigen Außen­temperaturen ist auch der Wärme­bedarf am höchsten. Je niedriger die Außen­luft­tem­pera­turen sind, desto aufwendiger wird es, der Luft noch Wärme zu entziehen und die Anlage kann auf Dauer nicht wirt­schaftlich betrieben werden.

Installation eines horizontalen Erdwärme-Flächenkollektors
Für die Nutzung der Erdwärme in einer Sole-Wasser-Wärmepumpe werden vertikale Erdwärme­sonden oder horizontale Erdwärme­kollektoren eingesetzt. Beide Prinzipien arbeiten mit einem geschlossenen System. Bei der vertikalen Erdwärmesonde wird ein U-förmiges Kunststoff­rohr durch ein zuvor geschaffenes Bohrloch in den Untergrund eingeführt. Die Sonden­länge unterscheidet sich je nach Boden­beschaffen­heit und liegt in der Regel bei 40 bis 100 m. Durch das verlegte Kunst­stoff­rohr zirkuliert eine Sole, welche aufgrund der konstanten Tem­pe­ra­tur ab etwa 15 m Tiefe über das ganze Jahr auf mindestens 10 °C erwärmt wird. Die erwärmte Sole wird an einem Ver­dampfer vorbei geführt und gibt dabei die Wärme an das Kälte­mittel ab. Der horizontale Erd­wärmekollektor arbeitet ähnlich wie die Erd­wärme­sonde. Dieser wird allerdings nicht in ein Bohr­loch geführt, sondern wird in einer Tiefe von etwa 1,5 m auf dem Grund­stück horizontal verlegt. Die erforderliche Größe des Erd­kollektors liegt etwa beim 1,5-fachen der zu beheizenden Flächen und ist stark abhängig von der Regen­wasser­durch­lässig­keit des Bodens. Der Vorteil der vertikalen Erd­wärme­sonde gegenüber dem Erd­wärme­kollektor ist der geringe Platz­bedarf für die Bohrung. Ein Nachteil sind die hohen Kosten für die Erstellung der Bohrung, welche zwischen 30 € und 70 € je Meter Bohrung liegen.

Die Wasser-Wasser-Wärmepumpe entzieht dem Grundwasser die Wärme, welche über das gesamte Jahr eine konstante Temperatur von etwa 10-12 °C hat. Mithilfe von einem sogenannten Saug­brunnen wird dem Erd­reich das warme Grund­wasser entnommen. Über einen Schluck­brunnen wird dann das genutzte kalte Wasser in den Boden zurückgeführt. Wie bei allen anderen Wärme­pumpen­arten wird das warme Medium zu dem Ver­dampfer geführt, indem das Kälte­mittel durch Wärme­aufnahme in einen gas­förmigen Zustand umgewandelt wird.

Jahresarbeitszahl und Jahresheizzahl einer Wärmepumpe

Die Jahresarbeitszahl (JAZ) und die Jahresheizzahl (JHZ) bemessen das Verhältnis von eingesetzter und ge­wonnener Energie, also den Einsatz von Strom oder Öl/Gas zum Betreiben der Wärme­pumpe im Verhältnis zur gewonnenen Heizenergie. Auch eine Ergänzungs­heizung wie bspw. eine elektrische Heizspirale im Puffer­speicher muss in die Berechnung der Werte einbezogen werden. Eine JAZ von 3,50 bedeutet, dass die Wärme­pumpe pro eingesetzter Kilo­watt­stunde Strom 3,5 kWh Wärme produziert.

Hohe JAZ oder JHZ sind meist nur mit Fußboden- oder Wand­heizungen erreichbar, die mit sehr niedrigen Vor­lauf­tem­pera­turen auskommen. Je geringer der Tem­pe­ra­tur­unterschied zwischen der Wärmequelle, z. B. Luft- oder Erdwärme, und dem Wärmeverbraucher, desto effizienter ist die Wärme­pumpe. Die JAZ/JHZ ist gemäß § 5.2 Satz 3 nach der Vorschrift VDI 4650 zu berechnen. Im Vergleich dazu ist der Coefficient of Performance (COP) ein Prüfstandwert, der unter definierten und konstanten Idealbedingungen gemessen wird. Es ist empfehlens­wert einen separaten Strom­zähler für die Wärme­pumpe und einen Wärme­mengen­zähler zu instal­lieren, um die tat­säch­liche JAZ über­prüfen zu können.

\[Jahresarbeitszahl=\frac{abgegebene \: Wärme}{zugeführte \: elektrische \: Energie}=\frac{Q_ab}{Q_zu}\]