Gegenüber herkömmlichen Heizsystemen haben Wärmepumpen den Vorteil einer unschlagbaren Effizienz. Damit ihr Einsatz wirtschaftlich sinnvoll ist, sollte stets das gesamte System von Gebäude und Heizsystem betrachtet werden
Wärmepumpen sind keineswegs eine neue Entwicklung. Am Anfang standen Überlegungen zur Effizienzsteigerung und Ressourcenschonung – eine bemerkenswerte Parallele zu heute.
Es war ein Österreicher, der eines der ersten funktionsfähigen Modelle einer Wärmepumpe konstruierte. Im Jahr 1855 stand der Montaningenieur Peter von Rittinger vor dem Problem, dass die Saline Ebensee gewaltige Mengen Holz brauchte, um durch das Verdampfen der Sole Salz zu gewinnen. Er entwickelte ein „Abdampfverfahren“, das auf dem physikalischen Effekt des Phasenübergangs von Flüssigkeiten in den gasförmigen Zustand und umgekehrt beruhte. Bislang bediente man sich dieses thermodynamischen Prinzips um Räume zu kühlen und Eis zu erzeugen. Dass man dieses Prinzip auch nutzen konnte, um Wärme zu „erzeugen“, darauf hatte bereits 1852 der britische Entwickler Lord Kelvin (nach dem die
Kelvin-Skala benannt wurde) hingewiesen. Von Rittinger setzte dies in die Praxis um und baute 1857 den ersten Prototyp einer Wärmepumpe. Er berechnete, dass man damit, im Vergleich zur bisherigen Praxis der Sohlverdampfung über Holzfeuer, 80 % der eingesetzten Energie sparen könnte. Das entsprach einer Menge von 293.000 m³ Holz jährlich.
Peter von Rittingers Wärmepumpe blieb nicht die einzige. In den folgenden Jahren gingen in anderen Salz-
bergwerkgen in der Schweiz, in Deutschland und in Frankreich – verbesserte – Wärmepumpen in Betrieb.
Doch erst nach dem Ersten Weltkrieg begann man, Wärmepumpen auch für die Raumheizung und die Warmwasserbereitung zu entwickeln. Vorreiter war die Schweiz, die großen Mangel an fossilen Brennstoffen wie Öl und Kohle hatte, aber über reichlich „Weiße Kohle“ verfügte – elektrischen Strom aus Wasserkraftwerken. Wärmequellen waren Grundwasser, Wasser aus Seen und Abwärme. Die Entwicklung hielt auch nach dem Zweiten Weltkrieg an. 1955 waren in der Schweiz 60 Wärmepumpen in Betrieb; die größte von ihnen hatte eine Leistung von 5,86 MW.
In den 1950er und 1960er Jahren waren die Preise für Rohöl auf einem Tiefstand. Das brachte mit sich, dass alternative Heizquellen unrentabel wurden. Die weitere Entwicklung von Wärmepumpen stagnierte. Der Ölpreisschock in den 1970er Jahren relativierte diese Entwicklung etwas, aber erst in den 1980er Jahren begann der Wärmepumpenmarkt wieder Fahrt aufzunehmen. Im Jahr 1990 wurden in Österreich 790 Wärmepumpen für Heizung und 6.420 Wärmepumpen für Brauchwasser verkauft. Im Jahr 2024 waren es 52.180 Stück Wärmepumpen, davon 43.190 Heizungswärmepumpen und 8.990 Brauchwasserpumpen. Das Rekordjahr für Wärmepumpen war 2022 mit etwa 50.000 installierten Wärmepumpen. Für den Rückgang der Verkaufszahlen ab 2023 wird vor allem die zögerliche Neubautätigkeit verantwortlich gemacht.
Großer Vorteil: Effizienz
Wie der Name nahelegt, „pumpt“ eine Wärmepumpe Wärme von einem Ort zum anderen. Bemerkenswert ist, dass sie die Wärme von einem üblicherweise kühleren Medium (Grundwasser, Außenluft) in eine wärmere Umgebung schaufelt – zum Beispiel in Innenräume von Gebäuden. Von selber würde Wärme den umgekehrten Weg nehmen – gemäß dem Gesetz der Entropie würde sie von der warmen Umgebung in die kalte Umgebung fließen. Deshalb ist mechanische Energie notwendig, um die Wärme entgegen diesem Gefälle zu transportieren. Eine Wärmepumpe ist das Gegenstück zu einem Verbrennermotor: In diesem wird Wärme, die bei der Verbrennung von Treibstoff entsteht, in mechanische Energie umgewandelt. Bei der Wärmepumpe wird mechanische Energie dazu benutzt, um Wärmeenergie von einem niedrigen Energieniveau auf ein höheres zu transportieren.
Der Vorteil einer Wärmepumpe gegenüber einer klassischen Heizung ist der höhere Wirkungsgrad. Sie ist in der Lage, aus einer Kilowattstunde Strom ungefähr 4 Kilowattstunde Wärme zu „erzeugen.“ Wärmepumpen können auch bei niedrigen Außentemperaturen noch Wärme herausholen, die zur Raumtemperierung genutzt werden kann. Grenzen zieht hier nicht so sehr die Physik als die Wirtschaftlichkeit.
Kennzahlen der Energieffizienz
Für die Effizienz einer Wärmepumpe sind die Kenngrößen COP und SCOP wesentlich.
COP (Coefficient of Performance) bezeichnet das Verhältnis zwischen der abgegebenen Wärmeleistung in Kilowatt und der aufgenommenen elektrischen Leistung in Kilowatt. Diese Kennzahl wird unter Laborbedingungen gemessen.
Der SCOP (Seasonal Coefficient of Performance) berücksichtigt darüber hinaus auch den jahreszeitlichen Temperaturverlauf. Der SCOP misst das Verhältnis zwischen Leistungsaufnahme und abgegebener Leistung bei vier unterschiedliche Außentemperaturen, die den Jahreszeiten entsprechen.
COP und SCOP werden nach festgelegten Normen gemessen. Sie dienen Fachplanern als Kriterium, um verschiedene Wärmepumpen miteinander zu vergleichen. Sie sind auch Grundlage für Gütesiegel. Mit ihnen können Mindesteffizienz-Kriterien für Wärmepumpen definiert werden.
Da es sich unter Messungen unter Laborbedingungen handelt, erreichen Wärmepumpen diese Werte unter Praxisbedingungen in der Regel nicht.
Für die Definition von Leistung und Effizienz einer bestehenden Wärmepumpe unter Praxisbedingungen ist die Jahreszahl (JAZ) die wichtigste Kenngroße. Sie bezeichnet das Verhältnis von eingesetztem Strom zur „erzeugten“ Wärme innerhalb eines Jahres. Sie berückchhtigt dabei aber auch – im Unterschied zu COP und SCOP – auch sämtliche „Hilfsenergien“, die zum Beispiel zum Betreiben von Steuerelektronik und Pumpen eingesetzt wird.
Die Jahreszahl lässt sich nur rückwirkend für ein ganzes Jahr bestimmen. Sie ist vergleichbar mit dem „Jahresnutzungsgrad“ einer herkömmlichen Heizanlage. Dieser wird an einer bestehenden Heizungsanlage gemessen und berücksichtigt sowohl Betriebsverluste als auch verschiedene Betriebszustände. Da hierbei das gesamte System betrachtet wird, hat auch die energetische Qualität des Gebäudes Einfluss auf die Jahreszahl, sowie die hydraulische Einbindung der Wärmepumpe in das System der heizungstechnischen Anlage, die Vorlauftemperatur, die Größe der Heizflächen und auch das Nutzerverhalten, unter anderem der Verbrauch an Warmwasser.
Wärmepumpen im Bestand
Wärmepumpen lassen sich in vielen Fällen in bestehende Gebäude integrieren und ersetzen dort herkömmliche fossile Heizungen. Moderne Wärmepumpen erreichen höhere Vorlauftemperaturen als ältere Geräte. Dadurch können eventuell bestehende Heizkörper weiterverwendet werden und müssen nicht durch Fußbodenheizungen oder großflächigere Heizkörper ersetzt werden. Voraussetzung ist allerdings eine gedämmte Außenhülle, um den Heizwärmebedarf zu senken.
Nicht immer ist die Wärmepumpe die erste Wahl. Außenluft-Wärmepumpen sind zwar relativ kostengünstig in der Anschaffung. Altbauten der Energieeffizienzklasse E, F oder G benötigen jedoch Vorlauftemperaturen ihres Heizsystems, die von Außenluft-
Wärmepumpen nicht mehr effizient erzielt werden können. Das macht sich am Ende des Jahres durch hohe Stromkosten bemerkbar. Kritisch ist in diesem Fall auch die Lärmentwicklung zu sehen: Je mehr Leistung eine Wärmepumpe zu erbringen hat, umso mehr Geräuschemissionen verursacht sie.
Im Einzelfall sind für alte, unsanierte Gebäude Grundwasser-Wärmepumpen sinnvoll. Es sollte aber sorgfältig abgeklärt werden, ob mit geringeren Vorlauftemperaturen die Räume auf die gewünschte Temperatur erwärmt werden können. Meist sind für diese Gebäude Pellets-Zentralheizungen eine Alternative, die auch hohe Vorlauftemperturne bereitstellen.
Für Altbauten oder teilsanierte Gebäude der Effizienzklasse D sind Grundwasser-Wärmepumpen meist zu empfehlen. Ob auch der Einsatz einer Luft-Wärmepumpe sinnvoll ist, muss im Einzelfall geklärt werden.
Generell sollte bei Altbauten überprüft werden, welche Vorlauftemperatur aktuell benötigt wird, um das Gebäude ausreichend warm zu halten. Bei Vorlauftemperaturen bis maximal 50 °C arbeiten Wärmepumpen ausreichend effizient. Oft kann auch durch den Tausch einzelner Radiatoren die benötigte Vorlauftemperatur gesenkt werden
Kombination Wärmepumpe und herkömmliches Heizsystem
Ob zusätzlich zur Wärmepumpe ein weiteres Heizsystem notwendig ist, um an besonders kalten Tagen die Räume ausreichend temperieren zu können, zeigt der Bivalenzpunkt. Dieser errechnet sich aus dem Wärmebedarf eines Gebäudes – der sogenannten Heizlast – und der Heizleistung der Wärmepumpe. Der Bivalenzpunkt ist dann erreicht, wenn die Wärmepumpe, abhängig von der Außentemperatur, ihre maximale Heizleistung erbringt. Wird es noch kälter, muss zusätzliche Wärme durch eine weitere Wärmequelle bereitgestellt werden. Wie hoch der Bivalenzpunkt gewählt wird, wie leistungsstark eine Wärmepumpe für ein bestimmtes Gebäude dimensioniert sein soll, ist eine ökonomische Erwägung. Ein zu niedriger Bivalenzpunkt führt dazu, dass im Jahresverlauf zu viel zusätzliche Wärme erzeugt werden muss und das System unrentabel ist. Umgekehrt kann ein zu zu hoch gewählter Bivalenzpunkt dazu führen, dass die Wärmepumpe unnötig überdimensioniert ist.
Bei Neubauten und Gebäuden mit ausgezeichnetem thermischen Standard liegt der Bivalenzpunkt der Wärmepumpe bei einer sehr niedrigen Temperatur. Da diese nicht oder kaum unterschritten wird, ist meist keine zusätzliche Wärmequelle erforderlich.
Muss die Wärmepumpe lediglich an besonders kalten Tagen im Jahr durch ein weiteres – gering dimensioniertes – elektrisches Heizsystem unterstützt werden, spricht man von einem monoenergetischen Betrieb. Der Bivalenzpunkt der Wärmepumpe liegt hier zwischen etwa ‑5 und ‑9 °C. Die zusätzliche elektrische Heizung wird nur an manchen Tagen benötigt, sodass kein zusätzliches Heizsystem wie Gasheizung oder Pelletheizung angeschafft werden muss
.Bei einer bivalenten Betrieb existiert zusätzlich zur Wärmepumpe ein weiteres Heizsystem. Bei parallelem Betrieb wird oberhalb des Bivalenzpunktes Wärme ausschließlich von der Wärmepumpe bereitgestellt. Unterhalb des Bivalenzpunktes schaltet sich das zweite, konventionelle Heizsystem zu.
Bei einem alternativen Betrieb stellt die Wärmepumpe bei Temperaturen unterhalb des Bivalenzpunktes ihren Betrieb vollkommen ein; die Heizleistung wird ausschließlich vom konventionellen Heizsystem erbracht.
Bivalente Heizsysteme – also der Betrieb von einem konventionellen Heizsystem zusätzlich zur Wärmepumpe – kann dann sinnvoll sein, wenn bereits ein konventionelles Heizsystem vorhanden ist, man aber auf die Vorteile einer Wärmepumpe nicht verzichten will. Die Wärmepumpe kann in diesem Fall kleiner ausfallen, da sie bei tiefen Temperaturen nicht die gesamte Heizlast zu tragen hat.
Die „klimaaktiv“-Heizungsmatrix gibt erste Informationen darüber, welches Heizungssystem für welches Haus zu empfehlen ist:
www.energieinstitut.at/tools/matrixweb
Quellen:
Frank Michael Baumann: Ratgeber Wärmepumpen.Verbraucherzentrale NRW, Düsseldorf 2023
Verband Wärmepumpe Austria
