Wärmepumpe
Teil 4/3 Wärmepumpe Seite 1
Wärmepumpe Die Nutzung der Umweltwärme gehört zu den erneuerbaren Energien. Unter Umweltwärme versteht man die durch Sonneneinstrahlung und Niederschläge gespeicherten Energiemengen aus dem Erdreich, der Luft und aus Wasser. Die gespeicherte Wärme aus der Umgebungsluft, dem Grundwasser oder aus dem Erdreich kann mittels Wärmepumpen durch elektrische Energie in Heizwärme umgesetzt werden. Der Einsatz von Wärmepumpen ist notwendig, da in der Regel die so gewonnene Wärme unterhalb der erforderlichen Vorlauftemperatur zur Gebäudeheizung liegt und diese somit „aufgebessert“ werden muss. Von der so entstehenden 100%ige Heizenergie stammen etwa 75 % aus der Umgebung und 25 % aus Strom oder anderen Energieträgern, z.B. aus fossilen Energieträgern, die zur Betreibung der Wärmepumpe notwendig sind, was durch die sog. Jahresarbeitszahl (JAZ) ausgedrückt wird.
25 %
75 %
100 %
Abb. 1: Gewonnene Energie und Antriebsenergie
AL498074
Teil 4/3 Wärmepumpe
Wärmepumpe
Seite 2
Elektrischer Strom ist die am häufigsten eingesetzte Antriebsenergie einer Wärmepumpe. Das Verhältnis der gewonnenen Wärme zum eingesetzten Strombedarf ergibt sich in Abhängigkeit von der Wärmepumpe und der zur Verfügung stehenden Umweltwärme. Grundsätzlich gilt, je tiefer das Temperaturniveau der Wärmequelle, desto schlechter die Effizienz der Wärmepumpe. Vorteile einer Wärmepumpe
• Eine Wärmepumpe ist ein sparsames und umweltschonendes Heizsystem. • Eine Wärmepumpe verursacht keine direkten Umweltbelastungen vor Ort, wie sie durch Verbrennen fossiler Energieträger entstehen (Senkung der Schadstoffemissionen) würden. • Durch eine Wärmepumpe wird eine deutliche Reduzierung des Einsatzes von Primärenergie erreicht. • Wärmepumpen sind extrem wartungsarm. • Eine Wärmepumpe ist platzsparend, da kein Lager für Brennstoff mehr notwendig ist. Die Aufstellung der Wärmepumpe ist beispielsweise in Hauswirtschaftsräumen, Kellerräumen u.Ä. möglich. • Man ist weitestgehend unabhängig von steigenden Öl- und Gaspreisen. Allerdings ist man abhängig vom Strompreis, für den Fall, dass keine weiteren erneuerbaren Energien wie z.B. Photovoltaik eingesetzt werden. • Eine Wärmepumpe kann mit erneuerbaren Energien betrieben werden. • Ein Schornsteinfeger und auch eine Kaminreinigung sind nicht mehr notwendig.
Wärmepumpe
Teil 4/3 Wärmepumpe Seite 3
• An kalten Tagen muss ggf. nachgeheizt werden, da die Wärmepumpe allein die Anforderungen nicht erfüllen kann. • Durch den Einsatz einer Wärmepumpe entstehen hohe Investitionskosten. • Eine Wärmepumpe wird mit Strom betrieben, der nicht immer aus erneuerbaren Quellen stammt (z.B. Kernenergie).
Nachteile einer Wärmepumpe
Zur Beurteilung der energetischen Effizienz einer Wärmepumpe wird das Verhältnis der vom System abgegebenen Nutzwärme zu der dem System zugeführten Energie ermittelt. Dazu werden zwei verschiedene Kennzahlen unterschieden:
Kennzahlen
• Leistungszahl: Das Verhältnis von Heizleistung (kW) zu Antriebsleistung (kW) der Wärmepumpe wird als Leistungszahl bezeichnet. Sie kennzeichnet die Effizienz der Wärmepumpe zu einem bestimmten Zeitpunkt bei definierten Rahmenbedingungen wie beispielsweise der Vorlauftemperatur und stellt deshalb nur einen Momentanwert dar. • Arbeitszahl: Sie bezeichnet das Verhältnis zwischen der erzeugten Energie in Form von Heizarbeit (kWh) und der eingesetzten elektrischen Arbeit (kWh) inklusive aller Komponenten in einem festgelegten Zeitraum (in der Regel ein Jahr: Jahresarbeitszahl). Sie ist der sinnvollste Maßstab, die energetische Qualität einer Anlage zu bewerten. Beide Zahlen sind im Wesentlichen von der zu überwindenden Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Heizsystem abhängig. Sie steigen u.a. mit einer hohen Wärmequellentemperatur und niedrigen Vorlauftemperaturen im
AL498074
Teil 4/3 Wärmepumpe
Wärmepumpe
Seite 4
Heizsystem. Die Jahresarbeitszahl wird zusätzlich durch systemtechnische Abstimmung der Komponenten, den Anteil der Warmwasserbereitung am Gesamtwärmebedarf und durch das Nutzerverhalten beeinflusst. Moderne Wärmepumpen weisen inzwischen beim Betrieb mit einer Erdsonde und Fußbodenheizung Jahresarbeitszahlen von etwa 4 auf, d.h., sie stellen viermal so viel Heizwärme bereit, wie sie elektrische Arbeit zu deren Gewinnung benötigen. Definition Jahresarbeitszahl nutzbare Wärmeenergie JAZ = ---------------------------------------------------------zugeführte Energie
Bei effizienten, modernen Wärmepumpen liegt diese etwa bei (3 + 1) / 1 = 4. Das bedeutet, dass die Wärmepumpe unter Einsatz von einem Teil elektrischer Antriebsenergie vier Teile an nutzbarer Wärme erzeugt.
3 Teile Umweltwärme
4 Teile Heizwärme 1 Teil elektrische Antriebsenergie
Abb. 2: Bedeutung der Jahresarbeitszahl 4
Wärmepumpe
Teil 4/3 Wärmepumpe Seite 5
Je höher die Jahresarbeitszahl ist, desto effizienter ist die Wärmepumpe. Jahresarbeitszahlen größer 3 sind daher empfehlenswert, wobei das ErneuerbareEnergien-Wärmegesetz (EEWärmeG) beim Einsatz von elektrisch angetriebenen Wärmepumpen zur Nutzung von Umweltwärme eine Mindestjahresarbeitszahl vorgibt. Diese ergibt sich in Abhängigkeit von der eingesetzten Umweltwärme und der somit eingesetzten Wärmepumpe. Bei Umweltwärme handelt es sich um thermische Energie mit niedrigem Temperaturniveau. Umweltwärme weist aber eine unbegrenzte Verfügbarkeit auf und gehört daher zu den erneuerbaren Energien. Durch den Einsatz einer Wärmepumpe kann diese Energie effizient genutzt werden. Eine Wärmepumpe entzieht der Umgebung (Luft, Wasser, Erde) einen Teil der Wärme, wodurch die geringe, nicht nutzbare Temperatur der Umgebung auf ein höheres Temperaturniveau gebracht wird. Die so gewonnene Wärme kann für Gebäudeheizung und Brauchwasser, aber auch zur Kühlung nutzbar gemacht werden.
Prinzip und Funktionsweise einer Wärmepumpe
Eine Wärmepumpe hilft den Verbrauch von fossilen Energieträgern zu reduzieren und somit die CO2Emissionen zu verringern. Die Ökobilanz einer Wärmepumpe ist im Wesentlichen abhängig vom erreichten Wirkungsgrad (Jahresarbeitszahl) und von der Zusammensetzung des Stroms (Strom-Mix), der zum Betrieb der Wärmepumpe notwendig ist. Eine sehr gute Ökobilanz ergibt sich, wenn die Wärmepumpe mit Strom betrieben wird, der aus erneuerbaren Energien stammt.
AL498074
Teil 4/3 Wärmepumpe
Wärmepumpe
Seite 6
Komponenten einer Wärmepumpe Die Wärmepumpe besteht im Wesentlichen aus folgenden Komponenten: • • • •
Verdampfer Verdichter (Kompressor) Verflüssiger (Kondensator) Expansionsventil
Die Aufgabe des Verdampfers liegt darin, aus der Umgebung Energie zu gewinnen, wobei ein flüssiges Kältemittel (Arbeitsmittel) der Umgebung die Wärme entnimmt. Der Verdampfer dient demnach als Wärmeüberträger. Das flüssige Kältemittel geht bei der Wärmeübergabe aus der Umgebung in einen dampfförmigen Zustand über. Das Kältemittel besteht im Allgemeinen aus einem halogenierten Fluorkohlenwasserstoff, der u.a. die Eigenschaft aufweist, einen gasförmigen Zustand einzunehmen. Der Verdichter bzw. Kompressor wird mit elektrischer Energie angetrieben und verdichtet das dampfförmige Kältemittel aus dem Verdampfer. Hierbei wird der Druck, der zur Verflüssigung des Kältemittels notwendig ist, erhöht, wodurch die Temperatur des Dampfes steigt. In einem Verflüssiger, der auch Kondensator genannt wird, wird die Wärme an das Wärmeverteilsystem übertragen, wobei das dampfförmige Kältemittel kondensiert und wieder einen flüssigen Zustand einnimmt.