Der Weg zu einer guten Arbeitszahl

Transkript

1 Der Weg zu einer guten Arbeitszahl Chris Müller Claus Ruhstein Arno Pöhlmann Bundesverband WärmePumpe (BWP) e.v.

2 Inhalt 1. Leistungszahl und Arbeitszahl 2. Was beeinflusst die Arbeitszahl? 3. Hohe Arbeitszahl Was kann ich tun? Die Wärmequelle Die Heizungsverteilung Heizkurve Die Wärmepumpe 4. Fazit 5. Weiterführende Informationen Arbeitszahl Wärmepumpe Flächenheizungen Erdwärme 2 8

3 1. Leistungszahl und Arbeitszahl Haben Sie sich auch schon darüber gewundert, dass die Drittelmix-Angabe Ihres Autos geringer als der tatsächliche Verbrauch ist? Die Autohersteller argumentieren dann sicher zu Recht damit, dass die Werksangabe nach einem normierten Verfahren ermittelt wurde, damit die Verbräuche der unterschiedlichen Modelle vergleichbar sind. Ob das Verfahren praxisgerecht ist, bleibt dahingestellt. Ähnlich verhält es sich bei der Wärmepumpe: Die Leistungszahl (engl.: COP, Coefficient Of Performance), mit der die Wärmepumpenhersteller Werbung machen, ist ein Vergleichswert, der in einem ganz bestimmten Arbeitspunkt gemessen wurde. Außerdem bezieht sich dieser Wert einzig und allein auf die Effizienz der Wärmepumpe. Wie wir später noch sehen werden, bleiben Wärmequelle und Heizungsverteilung sowie die Heizkörper unberücksichtigt. Ein Beispiel: Bei erdgekoppelten Wärmepumpen liest man z.b. den Wert B0W35 = 4,40. Das bedeutet dass bei Quellentemperatur 0 C und 35 C Heizungswassertemperatur eine Leistungszahl von 4,40 erreicht wird. Damit wird ausgedrückt, dass die Wärmepumpe für 4,40 Teile gelieferte Wärme lediglich 1 Teil Strom aufnehmen muss. Im Klartext: Je höher die Leistungszahl, umso effizienter und sparsamer arbeitet die Wärmepumpe. B0W35: B (brine, dt.: Sole) steht für die Quellentemperatur, W für die Wassertemperatur auf der Heizungsseite Um die Effizienz der Wärmepumpen im praktischen Betrieb zu bewerten, wurde der Begriff Arbeitszahl eingeführt. Im Gegensatz zur Leistungszahl drückt dieser Wert keine Leistung in einem bestimmten Arbeitspunkt unter Laborbedingungen aus, sondern betrachtet die Energiemengen, die zum Antrieb der Wärmepumpe und allen Hilfsaggregaten (z.b. Solepumpe zum Antrieb der Wärmequelle, Heizungsumwälzpumpe, Regelung usw.) in einem bestimmten Zeitraum benötigt werden und setzt sie ins Verhältnis mit der von der Wärmepumpe abgegebenen Energiemenge. Meist wird ein Zeitraum von einem Jahr betrachtet, dann heißt der Wert Jahresarbeitszahl (JAZ). Dass dieser Wert von den Herstellerangaben abweichen muss, ist klar. Genauso, wie ein Bleifuß den Spritverbrauch eines Autos in die Höhe treibt, wirkt sich das Heizungs- und Lüftungsverhalten auf die Höhe der Arbeitszahl aus. Welche Faktoren auch noch Einfluss auf die Effizienz der Wärmepumpenanlage haben und wie wir sie beeinflussen können, werden wir in den folgenden Abschnitten erfahren. 3 8

4 2. Was beeinflusst die Arbeitszahl? Schauen wir uns für die Klärung dieser Frage zunächst einmal an, wie eine Wärmepumpe funktioniert. Oft ist die Antwort gegeben worden: Wie ein Kühlschrank, nur umgekehrt. Das schafft zunächst mal Vertrauen in die Wärmepumpe, denn Kühlschränke gelten ja als langlebig und wartungsfrei. Aber da taucht schon die nächste Frage auf: Wie funktioniert denn eigentlich ein Kühlschrank? Eine runde Sache: Die Wärmepumpe erzeugt zunächst Kälte, um Wärme aus der Umwelt aufnehmen zu können. Je wärmer die Umgebung, umso besser für die Arbeitszahl. Beide Geräte Wärmepumpe und Kühlschrank sind sog. Kältekraftmaschinen, deren Arbeit auf der Wirkungsweise des thermodynamischen Kreisprozesses basieren. Hört sich schlimmer an, als es ist, denn dieser Kreisprozess ist schnell beschrieben. Wir wissen, dass Wärme immer vom Körper mit höherer Temperatur auf den Körper mit niedrigerer Temperatur übergeht. Um also Wärme aufzunehmen (Der Kühlschrank von den Lebensmitteln, die Wärmepumpe aus der Umwelt), muss einfach Kälte produziert werden. Das funktioniert mit den beiden Arbeitstakten Verdichten und Entspannen, kombiniert mit einem Kältemittel (einem speziellen Gas). Ein Kompressor verdichtet das Gas (es wird dabei warm) und diese Energie wird dann an die Heizung (Wärmepumpe) oder an die Küchenluft (Kühlschrank) abgegeben. Das Gas steht nun immer noch unter Druck, hat sich aber abgekühlt. Jetzt kommt der Trick: An einer Düse wird das Gas entspannt, dabei kühlt es sich massiv ab. Wir kennen diesen Effekt vom Befüllen von Gasfeuerzeugen oder dem Kältespray bei Sportverletzungen. Das Gas ist jetzt deutlich kälter als 0 C und kann Wärme aufnehmen. Die Wärmepumpe bedient sich dabei der Außenluft, dem Erdreich oder Grundwasser, der Kühlschrank bei den warmen Lebensmitteln. Dabei erwärmt sich das Gas und durch das Verdichten am Kompressor (Wir haben soeben den Kältekreislauf vollendet!) noch weiter erwärmt, damit es (aber das wissen wir ja schon) an Küchenluft bzw. Heizung abgegeben werden kann. Jeder hat sicher schon mal eigentlich zu warme Lebensmittel in den Kühlschrank getan und beobachtet, dass der Kühlschrank sehr lange läuft und dabei viel Strom verbraucht, um die Kühltemperatur zu erreichen. Genauso kann man bei einer Wärmepumpe beobachten, dass die Stromaufnahme steigt, je mehr Heizungstemperatur ich ihr abverlange Und genau hier liegt der Schlüssel zu einer guten Arbeitszahl. Ein Kühlschrank arbeitet dann stromsparend, wenn die Küchenluft kalt ist und ich ihn wenig öffne. Übersetzt für die Wärmepumpe heißt das: Die Wärmepumpe arbeit immer dann hocheffizient, wenn die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle (Erde, Wasser, Luft) und Heizungsanlage niedrig ist. 4 8

5 3. Hohe Arbeitszahl Was kann ich tun? Diverse Studien und Feldtest bestätigen die Tatsache, dass praktisch alle in Deutschland gebauten bzw. vertriebenen Wärmepumpen hocheffiziente Maschinen sind, die bei wenig Stromeinsatz sehr viel kostenlose Umweltenergie für die Heizung und das Warmwasser nutzen. Nun besteht eine Wärmepumpen-Heizung aber nicht nur aus dieser Maschine, sondern hierzu muss man auch die Wärmequelle (z. B. Sonden, Grundwasserbrunnen) und die Heizungsverteilung samt Heizkörpern zählen. Im vorigen Abschnitt haben wir erfahren, dass der Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle und Heizungsvorlauf so gering wie möglich sein soll, um eine gute Arbeitszahl zu erreichen. Schon bei der Konzeption der Anlage, also der Wahl der Wärmequelle und der Auslegung der Wärmeverteilung im Haus wird der Grundstein dafür gelegt. Die Wärmequelle Am besten ist die Umwelt dort anzuzapfen, wo hohe Temperaturen zu finden sind. Luft- Wärmepumpen mögen in der Anschaffung billig sein, weil die Erschließung der Wärmequelle Luft quasi nichts kostet. Jedoch muss man sich auch vor Augen führen, dass das Haus bei Außentemperaturen von -20 C noch beheizt werden muss. Dann arbeitet bei diesen Anlagen meist ein Elektroheizstab, der naturgemäß ohne Nutzung von Umweltenergie heizt. Aber um an dieser Stelle eine Lanze für die Luftwärmepumpe zu brechen: Sie heizt wegen der dann höheren Außentemperaturen in der Übergangszeit sehr effizient; über das Jahr gesehen um Welten billiger und sauberer als fossile Heizkessel. Deutlich stabilere und im Mittel auch höhere Temperaturen findet man in der Erde oder im Grundwasser. Diese Wärmequellen sind durch das Wettergeschehen nahezu unbeeinflusst. Die Temperatur ändert sich über die Heizperiode kaum und liegt in der Regel deutlich über dem Gefrierpunkt. Im Sinne einer hohen Arbeitszahl ist der Vertikalkollektor (auch Erdsonde oder Erdspieß genannt) dem Horizontalkollektor vorzuziehen, da die Witterung (z. B. Frost) in größeren Tiefen weniger stark wirkt. Damit sich die Wärmequelle Erde bzw. Grundwasser im Heizbetrieb nicht über Gebühr auskühlt, ist auf eine korrekte Dimensionierung (Länge der Wärmetauscherrohre) zu achten. Die Heizungsverteilung Klassische Heizungsanlagen basieren auf der Umwälzung von Wasser. Dieses Wasser durchströmt den Wärmetauscher der Wärmepumpe, nimmt dort Energie auf und transportiert diese an die Heizkörper. Wir wissen: Je niedriger die Vorlauftemperatur, umso höher die Arbeitszahl. Also muss darauf geachtet werden, dass die Heizkörper über eine große Fläche verfügen, um genug Wärme an die Raumluft abgeben zu können (Die Leistung eines Heizkörpers ergibt sich der Durchflussmenge des Heizungswassers, multipliziert mit der Temperaturdifferenz aus Vor- und Rücklauf). Im Neubau hat sich hier die Mutter aller Flächenheizungen, die Fußbodenheizung, durchgesetzt. Aber auch Wand- oder Deckenheizungen, basierend auf Kapillarrohrmatten, sind heute keine Seltenheit mehr. 5 8

6 Für den Fall, dass Flächenheizungen nicht möglich oder gewünscht sind, sollte auf eine maximale Vergrößerung der Heizfläche der Radiatoren geachtet werden. Da es hierbei allerdings Grenzen der Verfügbarkeit und des Platzangebots gibt, kann heutzutage auf Gebläsekonvektoren zurückgegriffen werden. Diese sehr kompakten Geräte werden wie normale Heizkörper eingebunden. Ihre Effizienz erzielen Sie dadurch, dass die Luft zwangsweise mit kleinen und stromsparenden Lüftern, wie man sie aus dem Computer kennt, durch die clever konstruierte, großen Innenfläche dieser Heizkörper geblasen wird. Heizkörperthermostate oder Einzelraumregelungen werden zwar vom Gesetzgeber gefordert; sie entbehren aber aus energetischer Sicht jedem Sinn. Diese Ventile sind im geschlossenen Zustand Engstellen, die die an die Wärmepumpe angeschlossene Heizfläche verkleinern. Die damit verbundene Verringerung der Durchflussmenge von Heizungswasser lässt die Vorlauftemperatur steigen und verringert damit die Arbeitszahl. Beschränken Sie den Einsatz von Thermostaten bzw. Einzelraumregelungen auf ein vertretbares Maß, indem Sie alle Regelungen auf 5 bzw. 30 C stellen und nur die Räume regeln, in denen es kühler sein soll (z.b. Schlafzimmer). Dass ein ausreichender Volumenstrom durch die Heizungsanlage zirkuliert, erkennt man nicht nur an der dann niedrigen Vorlauftemperatur, sondern auch daran, dass die Differenz zwischen Vor- und Rücklauftemperatur unter 10 Grad liegt; der Idealwert beträgt 7 Grad. Heizkurve Beispiele für Heizkurven: Gut gedämmte Häuser haben eine flache Heizkurve. Wenn die Räume nun nicht mehr wie im fossilen Heizungszeitalter üblich durch Regeln der Thermostate auf Wunschtemperatur gebracht werden, sollte man der Regelung der Wärmepumpe etwas Aufmerksamkeit schenken. Zwei Einstellmöglichkeiten sind vorhanden: Die Steilheit und die Parallelverschiebung der Heizkurve. Die Steilheit spiegelt das Dämmvermögen des Hauses wieder und sagt der Regelung, um wie viel Grad die Rücklauftemperatur pro Grad Außentemperaturabsenkung erhöht werden soll. Je schlechter das Haus gedämmt, umso steiler ist die Kurve; die modernen und nach aktuellen Wärmeschutzverordnungen gebauten Häuser erfordern eine Steilheit von 0,25 0,50. Das heißt: Mit jedem Grad, das die Außentemperatur absinkt, muss die Rücklauftemperatur um 0,25 0,50 Grad erhöht werden, um die Wärmeverluste über die Gebäudehülle auszugleichen. Ist die Kurve zu steil eingestellt, haben wir bei niedrigen Außentemperaturen das Problem, dass die Heizungsanlage beginnt, zu takten. Diesem Phänomen 6 8

7 wenden wir uns im nächsten Abschnitt zu. Ist die Steilheit der Kurve einmal zur Zufriedenheit eingestellt, muss sie nicht mehr angefasst werden. Bliebe noch die Parallelverschiebung: Dieses ist die Möglichkeit, unabhängig von der Steilheit der Heizkurve die Wunschtemperatur einzustellen. Das kann z. B. dann der Fall sein, wenn die durch den Außentemperaturfühler nicht erfassten Wärmeverluste durch starken Wind zu kompensieren sind oder ganz einfach dann, wenn die Temperatur bei längerer Abwesenheit abgesenkt werden soll. Die Wärmepumpe Auch bei der Wahl der Wärmepumpen-Leistung können die Weichen für eine hohe Arbeitszahl gestellt werden. Bisher war es üblich, eine Reserve einzukalkulieren; ein Haus mit einem Bedarf von z.b. 10 Kilowatt wurde mit einem 12-kW-Kessel ausgestattet. Das Ergebnis liest sich immer gleich: Die Vorlauftemperatur steigt unnötig und die Heizung fängt an zu takten, d. h., der Kessel springt an und schickt kurz Wärme mit einer hohen Temperatur an die Heizkörper, die diese hohe Leistung nicht so schnell an die Raumluft abgeben können. Im Ergebnis steigt die Rücklauftemperatur, die die Heizungsregelung zum Abschalten des Kessels nötigt. Kurs darauf sinkt die Rücklauftemperatur wieder und der Kessel springt an. Noch heute gibt es Anlagen, die im Winter dieses Spiel alle paar Minuten vollführen. Das kostet nicht nur sinnlos viel Energie, sondern es strapaziert auch das Material. Die Erfahrungen aus dem praktischen Betrieb hunderttausender Wärmepumpen lehren, eine Überdimensionierung zu vermeiden. Erdgekoppelte Wärmepumpen sollen genau auf den Wärmebedarf des Hauses (den errechnet der Hausplaner auf Basis der sog. Auslegungstemperatur, die in Deutschland bei rund -14 C liegt) dimensioniert werden. hat der Planer hierfür z.b. 9,8 kw errechnet, reicht eine 10-kW-Wärmepumpe völlig. Luft-Wärmepumpen werden nicht für eine Beheizung bis zur Auslegungstemperatur dimensioniert. Der Grund hierfür ist die Wärmequelle Luft, in der pro Kubikmeter vergleichsweise wenig Energie enthalten ist. Wollte man auch bei sehr niedrigen Außentemperaturen noch genügend Wärme produzieren, müsste man die Wärmepumpe sehr groß bauen, was die Anschaffungskosten unvertretbar steigen ließe. Deshalb werden Luft- Wärmepumpen auf eine sog. Bivalenzpunkt (üblicherweise zwischen -2 C und -7 C) dimensioniert. Wird es draußen kälter, übernimmt ein zweiter Wärmeerzeuger, der als Heizpatrone integriert sein oder als separater Kessel angesteuert werden kann. 4. Fazit Wärmepumpen sind richtig geplant und ausgeführt nicht nur eine Alternative, sondern schon fast ein Muss. Damit die Erwartungen an einen stromsparenden Betrieb der Anlage nicht enttäuscht werden, sollten einige Grundregeln beachtet werden. Je geringer die Differenz zwischen Wärmequelle- und Heizungsvorlauftemperatur ist, umso günstiger arbeitet die Wärmepumpe. Also ist einerseits auf eine hohe Quellentemperatur zu achten und andererseits ist die Heizungsanlage so auszulegen, dass sie mit hohem Volumenstrom bei niedriger Temperatur arbeitet. Anzustrebender Wert: 35 C Vorlauf, 28 C Rücklauf bei Flächenheizungen; bei Einsatz von Radiatoren sollten 45 C Vorlauftemperatur nicht überschritten werden. 7 8

8 Als Wärmequelle sollte dem Erdreich der Vorzug gegeben werden; die im Erdreich versenkten oder vergrabenen Rohre sollen nicht zu knapp dimensioniert sein, um die umgebende Erde bzw. das Grundwasser nicht über Gebühr auszukühlen. Darüber hinaus führt eine Maßnahme immer zum Erfolg: Dämmen Sie das Haus, um unnötige Wärmeverluste zu vermeiden und die Vorlauftemperatur zu begrenzen. Bitte das regelmäßige Lüften nicht vergessen, um dem Schimmel keine Chance zu geben! Wer es gern komfortabel mag, sollte über eine Lüftungsanlage nachdenken, die konsequenterweise über eine Wärmerückgewinnung verfügen sollte. 5. Weiterführende Informationen Arbeitszahl Wärmepumpe Flächenheizungen Erdwärme 8 8