Wo Wärmepumpen wirklich sinnvoll sind

Bei der Verbrennung von Kohle, Öl oder Biomasse in elektrische Energie geht Nutzenergie verloren: Nur ein Teil des Brennstoffs wird in Strom umgewandelt; der Rest ist Abwärme. Wärmepumpen können auch diesen Anteil nutzbar machen – allerdings braucht es dafür wiederum Antriebsenergie. Lohnt sich das? Um diese Frage zu beantworten, haben die Forscher Jovan Mitrovic und Petar Avdalovic verschiedene Heizsysteme und Wärmepumpenanwendungen miteinander verglichen und Interessantes zur Abwärmenutzung herausgefunden.

Inhaltsverzeichnis

Funktionsweise der Wärmepumpe

Bevor ich euch die Ergebnisse präsentiere, rufen wir uns die Funktionsweise der Wärmepumpe nochmal ins Gedächtnis: In der Wärmepumpe zirkuliert ein Kältemittel<Kältemittelas bei niedrigen Temperaturen verdampft. Das Gas wird verdichtet und gibt dabei Wärme ab. Anschließend wird es entspannt und kondensiert. Als Energiequelle nutzt die Wärmepumpe die in der Umgebung enthaltene Energie. Der Verdichter wird mit Strom oder Gas angetrieben.

Quelle: Bundesverband Wärmepumpe e.V., ergänzt um Abwärme als Wärmequelle — Funktionsprinzip der Wärmepumpe, Bundesverband Wärmepumpe e.V. – ergänzt um Abwärme als Wärmequelle

Ein Maß für die Effizienz der Wärmepumpe ist der COP, auch Leistungszahl genannt. Er beschreibt das Verhältnis zwischen der abgegebenen Wärmeleistung und der zugeführten elektrischen Leistung. Der COP ist nicht konstant, sondern für jeden Betriebspunkt anders: abhängig von der Temperatur der Wärmequelle (z.B. Grundwasserleiter) und der Nutztemperatur (z.B. für die Raumheizung). Je geringer die Temperaturdifferenz zwischen den beiden, desto höher der COP. Und je höher der COP, desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe. Aber Vorsicht: Der COP sagt noch nichts über die Effizienz der Gesamtanlage; dafür muss die Jahresarbeitszahl (JAZ) herangezogen werden.

Vergleich von Wärmepumpenanwendungen mit Abwärmenutzung

Doch nicht nur die natürliche Umwelt (Grundwasser, Erdboden, Außenluft) kann als Energiequelle für Wärmepumpen dienen, sondern jede Umgebung, in der Abwärme anfällt. Also in Kraftwerken und bei anderen industriellen Anlagen, in denen Energieumwandlungsprozesse stattfinden. Hier setzen Mitrovic und Avdalovic an. Ihre zentralen Erkenntnisse:

Wärmepumpen können die Wärmeverluste in Wärmekraftwerken nutzbar machen, obwohl sie selber Strom als Antriebsenergie verbrauchen
Voraussetzung dafür ist, dass das Produkt aus COP und dem Wirkungsgrad der Anlage gleich oder größer 1 ist.
Die Effizienz der Wärmepumpe steht und fällt mit dem COP (Coefficient Of Performance), auch Leistungszahl genannt.
Wärmepumpen sparen Brennstoff ein, wenn sie mit “Blauer Energie” betrieben werden. Als Blaue Energie bezeichnen die beiden Forscher jede Art von Energiequelle, die sich ohne Verbrennungsprozess in Strom umwandeln lässt. Also die klassischen Erneuerbaren wie Sonne, Wind, Wasser und Erdwärme.

Umgebungsenergie ist nicht gleich Umgebungsenergie

Es ist kein Geheimnis, dass wir hier Solarthermie als Sonnen-Direktheizung favorisieren und dass vor allem Luftwärmepumpen mit Außenluft als Energiequelle bei uns bisher nicht gut weggekommen sind. Der Unterschied zum heutigen Artikel ist, dass es hier um die Nutzung von Abwärme geht – und deren Temperaturniveau ist deutlich höher als das von üblichen Wärmequellen kleiner Wärmepumpen für den “Hausgebrauch”. Zudem steht sie kontinuierlich zur Verfügung. Zum “Pumpen” auf ein höheres Temperaturniveau braucht man daher deutlich weniger Energie, der COP ist einfach höher. Und solange es noch Verbrennungskraftwerke gibt, sollten diese möglichst effizent betrieben werden.

Daneben gibt es auch noch die Kraft-Wärme-Kopplung, die ebenfalls gleichzeitig Strom und Wärme erzeugt. Welche Variante besser ist, hängt von der Anwendung ab – wenn z.B. das Temperaturniveau der Abwärme zu gering ist, um die Wärme direkt zu nutzen, ist eine Wärmepumpe sinnvoll.

Weiterführender Link/Quelle:

Energetic and Ecological Benefits of Heat Pump Application in Energy Transformation Systems, International Journal of Thermal & Environmental Engineering, Volume 5, No. 1 (2013) 1-11 (PDF-Datei).

Foto: Nordreisender / photocase.de

Grafik: Bundesverband Wärmepumpe e.V.

Der Fairness halber sollte man schon erwähnen, das sich die Technik in den letzten Jahren enorm weiterentwickelt hat. Auch die der Wärmepumpen in Verbindung mit allen Wärmequellen, also Ergebundene Quellen wie Wasser/Wasser, Sole/Wasser als Flächenkollektoren oder Tiefensonden und auch Luft/Wasser. Ich selbst bin ein Fan der Solarwärme, weil diese Technik einfach großartig ist und auch die niedrigsten Betriebskosten verursacht. Also überall wo es möglich ist, sollte die Solarwärme als Grundlastwärmeerzeuger genutzt werden. In Kombination mit einer Wärmepumpe als Zusatzheizung ergeben sich sehr gute Anlagen, die bestens funktionieren. Auch mit einer Luft/Wasser Wärmepumpe! Aber eben nicht überall und bei jedem System, da sollte man schon genau hinschauen, wo es geht und wo eher nicht.
Generell sind alle erneuerbaren Wärmeerzeuger zu begrüßen, wir müssen weg von den fossilen Energien. Und die endkunden haben immer auch ihre bevorzugten Energiequellen, also sollte, wenn es technisch möglich und sinnvoll ist, immer auch der Kundenwunsch berücksichtigt werden.

Grundsätzlich ist immer wichtig, dass auch das Wärmeabgabesystem, also Fussboden oder Wandheizung, aber auch Heizköper mit möglichst niedriger Vorlauftemperatur und ebenfalls sehr wichtig, mit möglichst niedriger Rücklauftemperatur betrieben werden. Das steigert den Solaren Nutzungsgrad einer Anlage und auch die Wirkungsgrad der Wärmepumpe.
Daher sollte jede Anlage so gut wie möglich hydraulisch einreguliert werden, also jeder Wärmeabgabekreis sollte nur so viel Wassermenge bekommen, wie er auch benötigt. Das hilft auch, die Temperaturschichtung im Pufferspeicher deutlich zu verbessern. Und wenn ein Pufferspeicher im unteren Bereich “kalt” ist, ist immer Platz für Solarwärme! Dass kennt man ja.
Die im Artikel angeführten “Abwärmenutzungen” mit Wärmepumpen sind aus meiner Sicht speziell im Industriellen und Gerwerblichen Bereich oder auch bei Großobjekten sehr sinnvoll, hier werden wir noch weitere gute Entwicklungen in Zukunft sehen. Solarwärme und Wärmepumpen sind eine gute Kombination, für sehr viele Anwendungen.
Saisonale Speicherungen sehe ich eher nicht als die Lösung, die eine breite Anwendung bringen wird, aber Speicherung für mehrere Tage und ev. auch für mehrere Wochen, das kann ich mir gut vorstellen. Solche Anlagen sind ja auch schon realisiert.
Und noch was: Die Möglichkeiten, Wärme in Bauteile des Gebäudes einzuspeichern, also die sogenannte Bauteilaktivierung, die ist aus meiner Sicht eine super Möglichkeit, Wärme auch über längere Zeiträume zu speichern.
siehe auch z.B. unter http://www.sonnenhaus.co.at/

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8 Kommentare

Axel Popp (@eTank_) sagt:

14. April 2016 um 19:53 Uhr

Wenn ich die Quelltemperatur für Wärmepumpen durch solarthermische Überschüsse oder niedrigtemperierte Solarerträge anheben kann, macht eine Sole-WP sehr wohl Sinn. Dazu brauchen wir mehr Saisonalspeicherlösungen. Hier z.B. Niedertemperaturspeicher. Durch Solarthermie + WP + Langzeitspeicher kann die wichtige Anlagenaufwandszahl (ep-Zahl) gravierend gesenkt werden.

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1. Sabine E. Rädisch sagt:
  
  18. April 2016 um 10:49 Uhr
  
  Die WP käme also zum Einsatz, wenn die Temperatur im (von der Solaranlage gespeisten) Speicher so weit abgefallen ist, dass eine direkte Nutzung z.B. für Heizung und Warmwasser nicht mehr möglich ist? Wie groß müsste dann so ein Langzeitspeicher für ein Einfamilienhaus in etwa sein, damit das Konzept aufgeht?
2. Axel Popp sagt:
  
  25. April 2016 um 20:21 Uhr
  
  In der Regel nutzen wir für einen eTank die gesamte Grundfläche des Neubaus, damit man keine unterschiedlichen Gründungsverhältnisse unter der Bodenplatte schafft. Ausserdem nutzen wir, dass der Dämmdeckel des eTanks als Dämmung unter der Bodenplatte in der Kostenplanung schon vorhanden ist. Das Volumen des eTanks orientiert sich an der notwendigen Heizlast des Gebäudes und wird über die Anzahl und Art der verlegten Rohrregister variiert. Die Tiefe des eTank kann von 2-5 Lagen abhängig sein. Ein “normales” EFH mit ca. 150-200 qm Wohnfläche (je nach Energiestandard und Bewohnerzahl) würde mit folgenden Rahmenbedingungen voll für Heizung und WW abgedeckt: ca. 14 qm Solarthermie + 750-1000 L Schichtenspeicher + Sole-WP + eTank ca. 100-120 qm.
Gerhard Laimer sagt:

20. April 2016 um 10:03 Uhr

Der Fairness halber sollte man schon erwähnen, das sich die Technik in den letzten Jahren enorm weiterentwickelt hat. Auch die der Wärmepumpen in Verbindung mit allen Wärmequellen, also Ergebundene Quellen wie Wasser/Wasser, Sole/Wasser als Flächenkollektoren oder Tiefensonden und auch Luft/Wasser. Ich selbst bin ein Fan der Solarwärme, weil diese Technik einfach großartig ist und auch die niedrigsten Betriebskosten verursacht. Also überall wo es möglich ist, sollte die Solarwärme als Grundlastwärmeerzeuger genutzt werden. In Kombination mit einer Wärmepumpe als Zusatzheizung ergeben sich sehr gute Anlagen, die bestens funktionieren. Auch mit einer Luft/Wasser Wärmepumpe! Aber eben nicht überall und bei jedem System, da sollte man schon genau hinschauen, wo es geht und wo eher nicht.
Generell sind alle erneuerbaren Wärmeerzeuger zu begrüßen, wir müssen weg von den fossilen Energien. Und die endkunden haben immer auch ihre bevorzugten Energiequellen, also sollte, wenn es technisch möglich und sinnvoll ist, immer auch der Kundenwunsch berücksichtigt werden.

Grundsätzlich ist immer wichtig, dass auch das Wärmeabgabesystem, also Fussboden oder Wandheizung, aber auch Heizköper mit möglichst niedriger Vorlauftemperatur und ebenfalls sehr wichtig, mit möglichst niedriger Rücklauftemperatur betrieben werden. Das steigert den Solaren Nutzungsgrad einer Anlage und auch die Wirkungsgrad der Wärmepumpe.
Daher sollte jede Anlage so gut wie möglich hydraulisch einreguliert werden, also jeder Wärmeabgabekreis sollte nur so viel Wassermenge bekommen, wie er auch benötigt. Das hilft auch, die Temperaturschichtung im Pufferspeicher deutlich zu verbessern. Und wenn ein Pufferspeicher im unteren Bereich “kalt” ist, ist immer Platz für Solarwärme! Dass kennt man ja.
Die im Artikel angeführten “Abwärmenutzungen” mit Wärmepumpen sind aus meiner Sicht speziell im Industriellen und Gerwerblichen Bereich oder auch bei Großobjekten sehr sinnvoll, hier werden wir noch weitere gute Entwicklungen in Zukunft sehen. Solarwärme und Wärmepumpen sind eine gute Kombination, für sehr viele Anwendungen.
Saisonale Speicherungen sehe ich eher nicht als die Lösung, die eine breite Anwendung bringen wird, aber Speicherung für mehrere Tage und ev. auch für mehrere Wochen, das kann ich mir gut vorstellen. Solche Anlagen sind ja auch schon realisiert.
Und noch was: Die Möglichkeiten, Wärme in Bauteile des Gebäudes einzuspeichern, also die sogenannte Bauteilaktivierung, die ist aus meiner Sicht eine super Möglichkeit, Wärme auch über längere Zeiträume zu speichern.
siehe auch z.B. unter http://www.sonnenhaus.co.at/

Antworten
1. Sabine E. Rädisch sagt:
  
  25. April 2016 um 11:57 Uhr
  
  Da kann ich mich nur anschließen. Danke auch nochmal für die Abgrenzung. Im industriellen Bereich gelten natürlich andere Anforderungen und es gibt ganz andere Möglichkeiten als im Bereich Wohnungsbau.
Dipl.-Ing. Axel Creifelds sagt:

20. April 2016 um 14:51 Uhr

Das tatsächlich nutzbare Potenzial von Abluftwärmepumpen ist gering, weshalb sie bestenfalls für sehr gut gedämmte Gebäude geeignet sind (PH).
Das gilt insbesondere, wenn damit auch noch die WW-Bereitung erledigt werden soll. Hier fehlt es meist an Leistung, so dass direktelektrische Hilfe notwendig ist. Hierdurch erhöhen sich die Verbrauchskosten.
Für Neubauten sind WP, zunächst unabhängig von der Quelle, häufig sehr gut geeignet, sofern die gesamte Anlage nach den besonderen Bedingungen/ Notwendigkeiten ausgerichtet/ dimensioniert wurde. Für Bestandsbauten sind sie oftmals weniger geeigneignet, da meist umfassende Veränderungen u.a. an der Hydraulik, Heizflächen etc. erforderlich werden, um einen effizienten Betrieb zu ermöglichen. Hierdurch steigen die Investkosten.
Bewährt haben sich zunehmend vollmodulierende Splitt-LWP. Sole- und GW-WP sind wegen des höheren Investaufwandes, nur bei deutlich hohen Energie- und Leistungsanforderungen sinnvoll.
Für die Energieeffizienz bzw. energetische Bewertung ist die JAZ bzw. Anlagenaufwandszahl entscheidend. Der COP ist, da leistungsbezogen, nur lediglich nur ein Momentanereignis.
Bewährt hat sich die Kombi WP + PV.

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1. Sabine E. Rädisch sagt:
  
  25. April 2016 um 11:55 Uhr
  
  Danke für den differenzierten Input. Da vielleicht nicht alle LeserInnen wissen, was die Splitbauweise bei Wärmepumpen ist – hier kann man es nachlesen:
  http://www.energie-experten.org/experte/meldung-anzeigen/news/marktuebersicht-neue-split-waermepumpen-fuer-einfamilienhaeuser-4254.html
Jo sagt:

28. August 2018 um 11:52 Uhr

Neulich gab es im Kollegenkreis eine große Diskussion um die Vor- und Nachteile einer Wärmepumpe. Danke für die Erklärungen in diesem Bericht – jetzt merk ich mir auch, was ein COP ist. Betrieben mit erneuerbarer Energie ist dann also eine Wärmepumpe ganz sinnvoll.

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Funktionsweise der Wärmepumpe

Vergleich von Wärmepumpenanwendungen mit Abwärmenutzung

Umgebungsenergie ist nicht gleich Umgebungsenergie

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