Onischke: Erneuerbare Energien - Teil 1: Die Wärmepumpe

Planungsberatung für Haus- und Grundbesitzer

Nutzung erneuerbarer Energien in Gebäuden Teil 1 - Wärmepumpen

Die begrenzte Verfügbarkeit fossiler Brennstoffe (Erdöl und Erdgas), der Anteil an der Erderwärmung durch Verbrennen dieser wertvollen Rohstoffe, steigende Energiekosten – die Motivationen, auf erneuerbare, also regenerative Energien umzusteigen, mögen unterschiedlich sein; in sehr absehbarer Zeit wird der Menschheit keine Alternative bleiben. Wir müssen uns intelligentere Energienutzungen erschließen, um auch künftig unsere gewohnten Standards halten zu können.

Nachdem ein großer Anteil unseres Energieverbrauchs in Gebäuden entsteht, sind gerade hier interessante Innovationsmöglichkeiten gegeben. Das erneuerbare Energien-Wärmegesetz fordert bereits heute, dass Neubauten einen Teil ihres Wärmebedarfs aus erneuerbaren Energien decken müssen. Das gilt für Wohn- und Nichtwohngebäude, deren Bauantrag bzw. -anzeige nach dem 1. Januar 2009 eingereicht wurde.

Welche Form erneuerbarer Energien genutzt werden soll, kann der Eigentümer frei entscheiden. Wichtig ist nur, dass ein bestimmter Prozentsatz der Wärme mit der jeweiligen Energie erzeugt wird. Der Prozentsatz ist abhängig von der Energieform. So müssen beim Einsatz von Solaranlagen mindestens 15 Prozent des Wärmebedarfs gedeckt werden. Wird die Wärme dagegen mit fester oder flüssiger Biomasse oder mit Erd- oder Umweltwärme erzeugt, muss dadurch mindestens die Hälfte des Wärmebedarfs gedeckt werden.

Für bestehende Gebäude existiert aktuell keine Vorschrift, erneuerbare Energien zu nutzen. Spätestens dann, wenn das Erdöl und Erdgas verbraucht sein wird, sollten auch für bestehende Gebäude tragfähige alternative Konzepte erarbeitet sein. Die steigenden Preise bei drohender Verknappung werden diese Notwendigkeit nach und nach immer dringlicher werden lassen.

In loser Folge werde ich an dieser Stelle über die Nutzung erneuerbarer Energien in Gebäuden berichten. Im – hier vorliegenden - ersten Teil werde ich über Wärmepumpen informieren.

 

Erneuerbare Energien – was ist das?

 Erneuerbare Energien, auch regenerative Energien, sind Energien aus Quellen, die sich entweder kurzfristig von selbst erneuern oder deren Nutzung nicht zur Erschöpfung der Quelle beiträgt. Wasserkraft, Windenergie, solare Strahlung (Sonnenenergie), Erdwärme, sowie durch die Gezeiten der Meere erzeugte Energie zählen hierzu.

Eine andere erneuerbare Energiequelle ist die energetische Nutzung nachwachsender Rohstoffe. Dazu gehört Biomasse wie Holz, Biogas oder Bioethanol.

 

Das Prinzip „Wärmepumpe“

Wirkungsweise einer Wärmepumpe

Eine Wärmepumpe entzieht der Umwelt Wärme und macht diese Wärme für die Heizung nutzbar. Hierbei greift die eine Wärmepumpe – ja nach Art – auf die Sonnenwärme zu, die in den oberen Erdschichten gespeichert ist, andere Wärmepumpen nutzen die Temperatur des Grundwassers, wiederum andere verwenden die Temperatur der Umgebungsluft.

Dabei arbeiten die Wärmepumpen alle nach dem gleichen physikalischen Prinzip, das auch in Kühlschränken zur Anwendung kommt:

In einem Kreislauf wird eine geeignete Flüssigkeit abwechselnd bei niedrigem Druck unter Wärmezufuhr verdampft und dann verdichtet, sodass sie unter Wärmeabgabe wieder kondensiert. Der Kreislauf beginnt dann in der nächsten Verdampfung wieder von vorne. In diesem dargestellten Fall erzeugt die Wärmepumpe Wärme.

 

Eine Wärmepumpe kann auch kühlen

Wenn der oben dargestellte Ablauf umgedreht wird, dann kann eine Wärmepumpe auch – wie im Kühlschrank – Kälte erzeugen. Eine Wärmepumpe kann also auch – trotz ihres Namens - kühlen, was bei der Nutzung in Gebäuden in heißen Sommern ein wichtiger und gewünschter Nebeneffekt sein kann. Wenn Wärme erzeugt wird, bewirkt das eine Abkühlung der Umgebung, im Fall der Kühlung wird – wie beim Kühlschrank - Abwärme an die Umgebung abgegeben. Für den Fall, dass eine Wärmepumpe zusätzlich kühlen soll, muss das System mit einem zusätzlichen  Wärmetauscher ausgestattet werden.

 

Energiebilanz einer Wärmepumpe

Leider kann der Prozess, in dem Wärme oder Kälte „erzeugt“ wird, nicht ohne Energiezufuhr ablaufen. Die Wärmepumpe verrichtet technische Arbeit. Hierfür benötigt sie Antriebsenergie, die meist in Form von Strom zugeführt wird.

Die Effizienz einer Wärmepumpe wird in der Jahresarbeitszahl angegeben.

Diese Jahresarbeitszahl wird in der Fachliteratur oft als COP, also „Coefficient of Performance“ bezeichnet. Für ihre Berechnung wird das Verhältnis zwischen der erzeugten Wärme und dem dafür aufgewendeten Strom für den Verdichter im Kreislauf ermittelt. Bei guten Anlagen erreicht die Jahresarbeitszahl einen Wert von größer als 3,5. (Das bedeutet, dass die gewonnene Wärmeenergie dem 3,5-fachen der aufgewendeten elektrischen Energie entspricht.)

Je größer die Jahresarbeitszahl ist, desto effizienter arbeitet also die Wärmepumpe. Nebenverbräuche, Speicher- und Leistungsverluste sind in der Jahresarbeitszahl nicht berücksichtigt.

Idealerweise sollte die Antriebsenergie einer Wärmepumpe ebenfalls durch erneuerbare Energien erzeugt sein, also beispielsweise der Strom durch Photovoltaik. Es gibt auch Wärmepumpen, bei denen der Verdichter durch einen Verbrennungsmotor angetrieben wird. In diesem Fall könnte der Motor mit Biogas betrieben werden, damit die Energiegewinnung für das Gebäude möglichst vollständig aus erneuerbaren Rohstoffen erfolgt.

Am effektivsten arbeitet eine Wärmepumpe immer  dann, wenn die Temperaturdifferenz zwischen der abgegebenen Wärme und der energetisch „angezapften“ Umgebung möglichst gering ist. Das ist am ehesten bei Niedertemperaturheizungen in Verbindung mit Flächenheizungen gegeben.

Niedertemperaturheizungen sind Heizungen, die für niedrige Vorlauftemperaturen ausgelegt sind; Flächenheizungen sind beispielsweise großflächige Fußboden- oder Wandheizungen.

Idealerweise kommt ein Heizsystem mit einer Wärmepumpe folglich in einem Gebäude mit zeitgemäßen Wärmedurchgangszahlen der raumumschließenden Flächen zum Einsatz. Ein in sich stimmiges Gesamtsystem würde also wie folgt  aussehen:

Eine Wärmepumpe, betrieben mit Solarstrom, beheizt ein gut gedämmtes Haus mit einer Fußbodenheizung.

 

Die verschiedenen Arten der Wärmepumpen

 Zur Zeit bietet der Markt vier verschiedene Arten von Wärmepumpen an. Das sind:

 • Sole – Wasser-,

• Wasser – Wasser-,

• Luft – Wasser-, und

• Luft – Luft - Wärmepumpen

Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, dass Wärmepumpen auch aus Oberflächenwasser Energie gewinnen können. Die Wärmerückgewinnung aus der Wärme das Abwassers ist ebenfalls eine interessante Methode, die bereits angewandt wird. Die zuletzt genannten Lösungen sind momentan als Kleinanlagen zur Beheizung einzelner Gebäuden noch Zukunftsmusik und werden deshalb an dieser Stelle nicht weiter erläutert.

 

Sole-Wasser-Wärmepumpe

Prinzip

Die Sole-Wasser-Wärmepumpe (auch Erdwärmepumpe genannt) greift auf die Wärme des Erdreiches zu. Das geschieht entweder durch Erdsonden, die 50m und mehr in das Erdreich gebohrt werden. Anderenfalls können Erdkollektoren, die auf einer größeren Fläche, flach unter der Erdoberfläche in etwa 1,20m Tiefe im Abstand von etwa 60 bis 80cm verlegt werden. In beiden Fällen entzieht die Wärmepumpe dem Erdreich die Energie, die hausseitig für die Gebäudeheizung verwendet wird. In dem Kreislauf der Sole-Wasser-Wärmepumpe zirkuliert ein Kältemittel. Die Zahl und die Tiefe der Bohrungen für die Erdsonden muss genau für den jeweiligen Energiebedarf ermittelt werden, ebenso die Länge der Erdkollektoren in der Fläche.

Grundlagen

Entscheidend für die Effizienz einer Sole-Wasser-Wärmepumpe ist die Wärmeleitfähigkeit des anliegenden Erdreiches. Ton, Sand und Kies liefern hier die schlechtesten Werte. Kalkstein, Gneis und Granit haben eine erheblich bessere Wärmeleitfähigkeit. In den meisten bebauten Gebieten sind die geologischen Beschaffenheiten des Bodens bekannt. Für viele Gebiete liegen außerdem Erdwärmekarten vor, die bei der Planung einer Wärmepumpe herangezogen werden können. Zur exakten Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit des Bodens werden üblicherweise Probebohrungen durchgeführt. Die Qualität der Bohrkerne kann dann untersucht und so die Eignung des Bodens bestimmt werden. Anderenfalls wird ein sogenannter Geothermal-Response-Test durchgeführt. Hierzu wird eine Erdwärmesonde in die Probebohrung eingebaut und die Wärmleitfähigkeit des Erdreichs gemessen.

Bei Erdsonden entscheidet neben der Qualität des Gesteinsmaterials die Tiefe der Bohrung über die mögliche Heizleistung der Anlage. Bei diesen hierfür benötigten Tiefenbohrungen müssen das Wasser- und das Bergbaurecht beachtet werden. Welche Gutachten und Genehmigungen benötigt werden, muss im Einzelfall mit den für das Grundwasser und den Bergbau zuständigen Behörden geklärt werden.

Je nach Beschaffenheit des angetroffenen Bodens kann die Einrichtung einer Erdsonde zu aufwändig sein. In diesem Fall könnte die Entscheidung zugunsten einer Wärmepumpe mit Erdkollektor fallen. Dabei ist zu beachten, dass die für die Erdkollektoren benötigte Fläche etwa doppelt so groß sein muss, wie die zu beheizende Fläche. Unter Umständen sprechen die Kosten für die umfangreichen Erdbewegungen dann gegen Erdkollektoren.

Kosten

Alle Angaben zu Kosten sind nur als Anhaltspunkte zu verstehen und müssen im konkreten Fall (auch bei den anderen Beispielen) durch Planungen von Fachingenieuren und Angebote von Fachfirmen exakt ermittelt werden. Als Anhaltspunkte sollen folgende Richtgrößen dienen:

 

Wasser-Wasser-Wärmepumpe

Prinzip

Eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe greift auf die Temperatur des Grundwassers zurück, und entzieht dem Grundwasser die Energie, die auf der Gebäudeseite zum Heizen benötigt wird. Hierfür werden zwei Brunnen benötigt. Ein sogenannter Förder- oder Zapfbrunnen, das ist der Brunnen zur Gewinnung des Grundwassers für die Wärmeabgabe, und ein Schluckbrunnen – der Brunnen zur Aufnahme des kalten genutzten Wassers.

Grundlagen

Wasser-Wasser-Wärmepumpen sind naturgemäß besonders sinnvoll in Gegenden, wo das Grundwasser mit erträglichem Aufwand für die entsprechende Nutzung erschlossen werden kann. Der vorhandene Grundwasserspiegel – zwischen etwa 4 und 50 Meter Tiefe unter Gelände, die vorhandenen geologischen Gegebenheiten (Bodenbeschaffenheit), die Fließrichtung und –geschwindigkeit des Grundwassers sind Parameter, die für eine entsprechende Grundwassernutzung untersucht und berücksichtigt werden müssen. Die chemische Wasserqualität und die Wassermenge sind ebenfalls ausschlaggebend und müssen bei der Konstruktion der Brunnen und bei der Auswahl der Pumpen beachtet werden.

Für eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe muss üblicherweise ein wasserrechtliches Verfahren durchgeführt und eine Genehmigung beim Wasserwirtschaftsamt beantragt werden.

Vorteile einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe sind die verhältnismäßig gleichbleibenden Temperaturen des Grundwassers und der geringe Flächenbedarf für die Energiegewinnung.

Kosten

 

Luft-Wasser-Wärmepumpe

Prinzip

Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe nutzt die Temperatur der Umgebungsluft und macht sie für die Beheizung eines Gebäudes nutzbar.

Grundlagen

Der Aufwand, eine Luft-Wasser-Wärmepumpe zu installieren ist im Vergleich zu den bisher beschriebenen Anlagen eher gering. Es entfallen Genehmigungen und Kosten für Brunnen oder Bohrungen, ein solches Gerät kann im Außenbereich oder in einem Technikraum aufgestellt werden und benötigt dabei weniger Platz als die anderen Systeme. Diese Vorteile schlagen sich bei den günstigeren Anschaffungskosten nieder – doch auch hier gilt: „keine Rose ohne Dornen!“ Die Luft-Wasser-Wärmepumpe hat höhere Betriebskosten, die die Vorteile zu einem gewissen Teil wieder zunichte machen.

Luft-Wasser-Wärmepumpen sollten, wenn sie in Gebäuden aufgestellt werden, möglichst in unbeheizten Räumen installiert werden. Bei sehr kalten Außentemperaturen entsteht so im Winter weniger Kondenswasser. Aus dem selben Grund sollte der Aufstellraum regelmäßig gelüftet werden. Bei der Aufstellung im Gebäude müssen geeignete Maßnahmen getroffen werden, damit die Betriebsgeräusche der Anlage nicht auf das Gebäude übertragen werden.

Besondere Beachtung verdient der Schallschutz der Nachbarschaft, insbesondere bei Geräten, die im Freien aufgestellt werden.

Logischerweise muss eine erneute Ansaugung der ausgeblasenen abgekühlten Luft vermieden werden, weil ansonsten der Wirkungsgrad für die Beheizung nicht mehr ausreicht.

Kosten

 

Luft-Luft-Wärmepumpe

Prinzip

Luft-Luft-Wärmepumpen kommen insbesondere bei Passiv- Niedrig- oder Nullenergiehäusern zum Einsatz. Diese Gebäude zeichnen sich durch ihre besonders luftdichte Bauweise aus, die in Verbindung mit den hoch-wärmedämmenden Baustoffen ein sehr energieeffizientes Gesamt-System darstellen und kaum Wärmeverluste über die Gebäudehülle aufweisen.

Grundlagen

Eine Luft-Luft-Wärmepumpe ist eher eine Lüftungsanlage eines Passivhauses als eine traditionelle Heizung. Sie arbeitet mit Wärmerückgewinnung, indem sie der Abluft Wärme entzieht und diese der Zuluft zuführt. Die Effizienz einer solchen Anlage kann durch Vorwärmung der Zuluft gesteigert werden. Die Vorwärmung der Frischluft erfolgt dadurch, dass die angesaugte Frischluft über ein Rohrsystem im Erdreich erfolgt. Dabei erwärmt sich die Frischluft durch das erhöhte Energieniveau im Boden. Bei starker Kälte muss die Zuluft fallweise in einem zusätzlichen kleinen Heizaggregat zusätzlich vorgewärmt werden.

Die Besonderheit von Luft-Luft-Wärmepumpen ist, dass sie ohne Trägerflüssigkeit auskommen. Das Temperaturniveau der Abluft wird direkt auf die Zuluft übertragen; die angewärmte Luft wird wieder in die Räume eingeblasen; Heizkörper sind deshalb in diesem System nicht mehr nötig.

 Kosten

 

Förderungen von Wärmepumpen

Staatliche Wärmepumpenförderung gibt es bei der Anschaffung von Wärmepumpen als Zuschuss des Bundesministeriums für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle

(BAFA) oder als zinsgünstige Darlehen der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW). Die Förderung der BAFA für Wärmepumpen bei Neubauten ist seit Juli 2010 leider weggefallen.

Es gibt Förderprogramme auf Landes- oder Kommunaler Ebene. Auch die Energieversorger bieten Förderungen an, diese sind jedoch üblicherweise an einen Stromabnahmevertrag geknüpft.

Da die Fördermöglichkeiten sich ständig ändern, ist es nötig, im konkreten Fall tagesaktuelle Informationen einzuholen; die Planenden und Ausführenden werden Sie gerne hierbei unterstützen.

 

Zusammenstellung der Vor- und Nachteile

 

Vorteile von Wärmepumpen

 

Nachteile von Wärmepumpen

 

Empfehlung zum Schluss

Die Abwägung, ob eine – und wenn ja, welche – Wärmepumpe im konkreten Fall sinnvoll eingesetzt werden kann, ist von vielen verschiedenen Kriterien abhängig, die im vorliegenden Beitrag nur oberflächlich behandelt werden konnten. Qualifizierte Planer und ausführende Firmen können Ihnen für Ihre spezielle Situation detaillierte Auskunft geben und eine entsprechende Beratung gewährleisten. Oft lassen sich schon aus den Erfahrungen der Nachbarschaft interessante Rückschlüsse ziehen. Wärmepumpen werden künftig sicherlich einen zunehmenden Anteil sinnvoller Nutzung erneuerbarer Energien darstellen.

 

Mit freundlicher Genehmigung des Verfassers und unseres Netzwerkpartners:

Stefan Onischke

(Dipl. Ing. Architekt)

Waldperlacher Str. 39

81739 München

 

Telefon 089 60 600 774

www.onischke.de



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