Wärmepumpen und E-Autos haben vieles gemeinsam. Beides sind unerlässliche Teile der Energiewende und essenzielle Maßnahmen gegen das Überhandnehmen der Klimakrise. Um beides ranken sich beharrlich die verschiedensten Mythen, Zweifel und Ängste, befeuert von teilweise denselben Gruppen von Interessenvertreter:innen, Gier und schlechtem Journalismus. Und in beiden Fällen sind die Gegenargumente fast durch die Bank falsch.
Wie auch mit E-Autos habe ich mich ziemlich intensiv mit Wärmepumpen auseinandergesetzt und, wenn man sich auf die grundlegende Physik konzentriert, kommt man auch hier zwangsläufig zu dem Schluss, dass Wärmepumpen in den allermeisten Anwendungsfällen problemlos funktionieren, die Treibhausgasemissionen reduzieren und bedeutend kostengünstiger als die gängigen konventionellen Heizsysteme sind. Und zwar auch im Altbau ohne thermischer Sanierung und mit herkömmlichen Heizkörpern. Wir sind diesen Weg kürzlich gegangen:
Man muss nichts einfüllen, es verbrennt nichts, es kommen keine Abgase heraus. Man braucht nur einen Stromanschluss und bekommt am Ende mehr Energie heraus, als man hineingesteckt hat? Klingt absurd und auf den ersten Blick zu gut, um wahr zu sein. Man muss zwar nicht ganz genau wissen, wie so eine Wärmepumpe funktioniert, ein gewisses Grundverständnis ist aber nicht schlecht, damit man sich erklären kann, wie das alles zusammenpasst.
Die Grundfunktionen einer Wärmepumpe ist NICHT, Wärme aus irgendeiner anderen Energieform zu erzeugen (z.B. Chemische Energie —> Verbrennung —> Wärmeenergie) sondern bereits vorhandene Wärmeenergie aus einem Medium zu nehmen und „nutzbarer“ zu machen. Konkret heißt das, sie nimmt Wärmeenergie aus z.B. der Außenluft und führt diese z.B. dem Heizungswasser zu. Nachdem wir in der Regel zum Heizen aber höhere Temperaturen brauchen, als sie in der Außenluft herrschen, hebt die Wärmepumpe die Temperatur an und macht die Wärmeenergie damit „nutzbarer“. Dieses Temperaturanheben funktioniert nach dem Prinzip, dass, wenn man ein Gas (z.B. Luft) zusammendrückt sich dieses erwärmt. Wer einen Kompressor daheim hat, weiß, dass das Rohr zum Kessel verdammt heiß werden kann. Auch in der Wärmepumpe ist ein Kompressor der zentrale Bauteil und für eben diesen braucht die Wärmepumpe elektrischen Strom. Je höher die Wärmepumpe die Temperatur anheben muss, desto mehr Strom braucht der Kompressor. Die eigentliche Heizenergie kommt aber immer aus dem Quellmedium, also beispielsweise der Außenluft.
Jetzt scheint es schwer zu glauben, dass in z.B. -15 °C kalter Luft noch genug Energie zum Heizen steckt. Daher arbeiten Wärmepumpen mit Stoffen, die, wenn sie sich ausdehnen, deutlich kälter werden als -15 °C und sich somit von -15 °C kalter Luft noch erwärmen lassen können. Dabei nehmen sie eben die Energie auf, die der Kompressor dann auf eine höhere Temperatur bringt. Auch diesen Effekt des Abkühlens kennt man aus dem Alltag: Schon einmal eine Spraydose benutzt oder ein Feuerzeug befüllt? Genau, dabei wird die Dose kalt, weil sich das Gas beim Ausströmen ausdehnen kann.
Dieser Prozess von abkühlen und erwärmen wiederholt sich immer wieder, indem der besagte Stoff, das sogenannte Kältemittel, in einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert. Das Komprimieren macht der Kompressor, das Entspannen passiert in einem Expansionsventil, was im Wesentlichen ein kleines Loch ist.
Eine Wärmepumpe hat immer zwei Seiten: Die, auf der Energie aufgenommen wird und die, auf der Energie abgegeben wird. Je nachdem welches Medium zum Energietransport eingesetzt wird nennt man das System dann beispielsweise Luft-Wasser-Wärmepumpe, wenn die Energie aus der Luft entnommen und an Wasser abgegeben wird. Außerdem gibt es auch Wasser-Wasser-WP, wenn man die Energie z.B. aus der Erde entnimmt oder Luft-Luft-WP, wenn man Energie aus einer Luftmasse entnimmt und an eine andere übergibt. Letzteres sind beispielsweise Klimaanlagen, die Energie aus der Innenraumluft entziehen, und diese damit kühlen und diese Energie dann an die Außenluft abgeben. Auch jeder Kühlschrank ist im Übrigen eine Wärmepumpe, die eben dem Inneren Wärmeenergie entzieht und sie außen wieder abgibt.
Bauformen
Es gibt zwei grundlegende Arten, wie das Wärmepumpensystem aufgebaut sein kann: Als Split- oder als Monoblockgerät. Bei Splitgeräten sind die beiden Seiten der WP in separaten Geräten untergebracht, wobei ein Teil üblicherweise im Außenbereich angebracht wird und der andere Teil im Innenbereich. Beispielsweise sind das die klassischen Split-Klimaanlagen. Die beiden Geräte sind über Kältemittelleitungen verbunden, da sich der Kältemittelkreislauf über beide Seiten erstreckt. An ein Außengerät können auch mehrere Innengeräte angeschlossen werden (Multi-Split). Monoblockgeräte beinhalten beide Seiten in einem Gehäuse, was den Vorteil hat, dass der Kältemittelkreis deutlich kleiner ist und ab Werk hermetisch abgeschlossen wird und nicht erst bauseits befüllt werden muss. Mehr zum Kältemittel weiter unten. Ein Nachteil ist, dass bei Heizungssystemen mit Luft-Wasser-WP die Heizungsleitungen bis zur Wärmepumpe in den Außenbereich verlegt werden müssen.
Wirkungsgrad einer Wärmepumpe
Wir wissen nun, dass eine WP Strom braucht, um vorhandene Wärmeenergie auf ein höheres Temperaturniveau zu bringen, wodurch die Wärme nutzbar wird. Aus ökonomischer und ökologischer Sicht ist es natürlich interessant, wie viel Strom benötigt wird, um die erforderliche Menge an Wärmeenergie bereitzustellen. Das drückt man als Faktor zwischen der Heizenergie, die herauskommt und der elektrischen Energie, die man hineinstecken muss, aus.
Nachdem wir die aus der Luft bzw. dem Wasser entnommene Energie als „geschenkt“ betrachten, kommt immer ein Wirkungsgrad über 1 heraus. Diesen Wirkungsgrad bezeichnet man als Leistungszahl oder Coefficient of Performance (COP). Je nach Gegebenheiten erreichen moderne Wärmepumpe in Heizsystemen Leistungszahlen von 3 bis 6.
Den größten Einfluss auf diese Leistungszahl hat die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Seiten der Wärmepumpe. Will man beispielsweise an einem sehr kalten Wintertag sehr heißes Heizungswasser haben, so arbeitet die Wärmepumpe mit einer geringeren Leistungszahl, als wenn man an einem milden Wintertag nur lauwarmes Heizungswasser braucht. Naturgemäß schwanken die Außentemperaturen im Lauf einer Heizperiode, weshalb sich der SCOP (Seasonal Coefficient of Performance) etabliert hat, um Wärmepumpen vergleichbar zu machen. Hierbei wird die Leistungszahl bei verschiedenen Außentemperaturen ermittelt und ein gewichteter Mittelwert für die drei Klimazonen (Nord-, Mittel- und Südeuropa) errechnet. Im Datenblatt unserer Wärmepumpe steht folgendes:
Neben der Außentemperatur ist natürlich auch die Temperatur entscheidend, die das Heizungswasser haben muss. Diese nennt man Vorlauftemperatur. Und hiermit kommen wir auch schon zu den
Wärmepumpen-Mythen
Mythos #1: Wärmepumpen funktionieren nur mit Fußbodenheizungen
Die Vorlauftemperatur eines Heizsystems hängt im Wesentlichen davon ab, wie groß die Fläche ist, über die Wärme an die Raumluft übergeben werden kann. Kleine Fläche = hohe Vorlauftemperatur, große Fläche = niedrige Vorlauftemperatur. Daraus entstand der Irrglaube, dass Wärmepumpen nur bei großflächigen Heizungen (z.B. Fußbodenheizungen) funktionieren würden und nicht, wenn man normale Radiatoren hat, wie sie im Altbau üblich sind. Letztere sind für Vorlauftemperaturen von 60 °C und mehr ausgelegt, was frühere Wärmepumpen überhaupt nicht erreichen konnten. Moderne Geräte können das in der Regel zwar, arbeiten dann aber relativ ineffizient. Aber: Bei konventionellen Öl- oder Gasheizungen wird mehrmals täglich auf eine sehr hohe Temperatur aufgeheizt und dazwischen kühlen die Heizkörper wieder ab. Das heißt, dass im Mittel die Vorlauftemperatur gar nicht so hoch ist. Und genau hier kommen Wärmepumpen ins Spiel, die besonders effizient sind, wenn sie einen konstanten Wärmestrom mit relativ geringer Temperatur über eine lange Zeit liefern. Am Ende werden die Heizkörper also weniger heiß, kühlen aber auch nicht so stark ab. Das hat ganz nebenbei zur Folge, dass die Wände und Decken sich in ihrer Temperatur eher an die Raumluft angleichen, was zu einem wesentlich besseren Raumklima führt, als wenn die Luft warm ist, die Wände aber kalt.
Es sei aber angemerkt, dass die Bewohner:innen eines Gebäudes aber darauf vorbereitet müssen, dass die Räume zwar warm sind, die Heizkörper sich aber immer nur lauwarm anfühlen. Oft ist das ein Problem, wenn auch ein rein psychologisches. Außerdem kann man nicht mal eben die Heizung höher drehen und erwarten, dass es Minuten später warm ist. Glücklicherweise bekommt man zu praktisch jeder modernen Wärmepumpenheizung einen App-Zugang, womit man beispielsweise rechtzeitig, bevor man aus dem Urlaub kommt, die Heizung auf die gewünschte Temperatur einstellen kann.
Mythos #2: Wärmepumpen sind teuer, weil sie Unmengen Strom verbrauchen
Wie viel Stromkosten in etwa zu erwarten sind, lässt sich ganz einfach berechnen, wenn man den bisherigen Brennstoffbedarf kennt. Vorher muss man aber noch die Jahresarbeitszahl (JAZ) erklären.
Die Jahresarbeitszahl ist die über eine Heizperiode gemittelte, tatsächliche Leistungszahl. Sie ist kein Kennwert einer Wärmepumpe, sondern ein Messwert eines ganzen Heizsystems inklusive Gebäude. Ein vom Fraunhofer ISE durchgeführter Feldtest von 2018/2019 hat ergeben, dass Luftwärmepumpen im Altbau im Mittel eine Jahresarbeitszahl 3,1 erreichen.
Für den Zeitraum Juli 2018 bis Juni 2019 konnten 29 Außenluft-Wärmepumpen, die zur Raumheizung und Trinkwassererwärmung eingesetzt wurden, analysiert werden. Diese Anlagen erreichten ohne Ausreißer (4,1 und 4,6) Jahresarbeitszahlen (JAZ) von 2,5 bis 3,8 bei einem Mittelwert von 3,1. Die mittleren Temperaturen zur Raumheizung betrugen 36,9°C, die maximalen Vorlauftemperaturen im Mittel 43,6°C. Letztere wurden bei mittleren Außenlufttemperaturen von -3,0°C gemessenen, was neben weiteren Aspekten darauf schließen lässt, dass die erforderlichen Heizkreistemperaturen bei den Normauslegungstemperaturen (-12°C bis -16°C) auf entsprechend höherem Niveau liegen.
Nun muss man noch wissen, dass ein Liter Heizöl und ein Kubikmeter Erdgas in etwa 10 kWh Energieinhalt haben und schon kann man die ungefähren Stromkosten für eine Wärmepumpe abschätzen.
Vergleicht man das mit dem aktuellen Ölpreis von etwa 1,35 €/l, erspart man sich mindestens 1147 € pro Jahr. Weitere zu bedenkende Punkte sind, dass Öl und Gas perspektivisch nur teurer werden können (CO2-Bepreisung) und Strom tendenziell eher günstiger wird, je mehr erneuerbare Energien in den Strommix Einzug halten. Und wenn man weniger als die oben angenommenen 0,30 €/kWh für seinen Strom bezahlt, beispielsweise durch dynamische Tarife, dann kann man sogar noch deutlich besser aussteigen.
Man beachte, dass in der obigen Berechnung das eigentliche Gebäude, also dessen spezifischer Heizwärmebedarf, gar nicht vorkommt. Logischerweise ist es klug, ein Gebäude ordentlich thermisch zu sanieren, um den Energiebedarf generell zu senken, aber für den Betrieb einer Wärmepumpe ist das meist keine Grundvoraussetzung.
Mythos #3: Wärmepumpen dürfen auf keinen Fall überdimensioniert sein
Zuerst einmal eine Faustformel, wie leistungsstark eine Wärmepumpe überhaupt sein muss, um einen Gas- oder Ölkessel ersetzen zu können. Ich gehe wieder von einer Ölheizung mit einem Verbrauch von 3.000 l/Jahr aus. Üblicherweise läuft eine Öl- oder Gasheizung in einem Einfamilienhaus etwa 1.800 Stunden pro Jahr (Quelle).
Jetzt wissen wir, dass die Wärmepumpe knapp 17 kW an Heizleistung erbringen können muss. Das ist nicht die elektrische Leistung, die, wie vorhin gelernt, nur etwa ein Drittel, also ungefähr 5,5 kW wäre.
Vor einigen Jahren noch war es so, dass Wärmepumpenkompressoren genau zwei Zustände kannten: Ein und aus. Damals war es unerlässlich, die WP so knapp zu dimensionieren, dass die möglichst lange am Stück durchlaufen konnte und wenige Start-Stopp-Zyklen hatte, um die Lebensdauer nicht einzuschränken. Inzwischen ist das aber überholt, da moderne Wärmepumpen üblicherweise modulierend arbeiten. Das heißt, dass sie Ihre Leistung auf 50 % oder weniger drosseln können und somit auch bei Teillast nicht ständig ein- und ausschalten (takten) zu müssen.
Mythos #4: Wärmepumpen funktionieren nicht in Wohnungen
Und wie sie das tun. Nur eben keine Luft-Wasser-Geräte, sondern Luft-Luft-Wärmepumpen. Im deutschsprachigen Raum ist diese Art eine Wohnung zu beheizen schlichtweg noch nicht so verbreitet, weil wir anscheinend panische Angst davor haben, Dinge an Fassaden zu schrauben. Viel lockerer wird das in Asien, den USA und praktisch der ganzen Südhalbkugel gesehen. Diese Wärmepumpen gibt es schon ewig und in gigantischen Stückzahlen. Man nennt sie auch Split-Klimageräte und sie bestehen aus einer Außen- und einer oder mehreren Inneneinheiten. Die gibt es auch in schickem Zartrosa, wie wir letztes Jahr in Paris herausgefunden haben.
Und ja, die Dinger werden zwar meist als Klimaanlagen verkauft, können aber auch ganz vorzüglich zum Heizen eingesetzt werden. Sie haben sogar oft eine bessere Leistungszahl als Luft-Wasser-WP, weil der Temperaturunterschied zwischen den beiden Medien (Außenluft und Innenluft) einfach nicht so groß ist wie zwischen Außenluft und Heizungswasser. Man kann damit außerdem nicht nur Räume heizen, sondern auch Warmwasser bereiten. Und das für die meisten wohl interessanteste: Die Teile sind unglaublich günstig in der Anschaffung, weil sie in so großem Maßstab hergestellt werden.
Mythos #5: Das Kältemittel ist so umweltschädlich, dass die ganze Wärmepumpe nichts bringt
Es ist korrekt, dass die üblichen Kältemittel in Wärmepumpen, wenn sie in die Atmosphäre gelangen, wesentlich stärker zum Treibhauseffekt beitragen, als es dieselbe Menge an CO2 oder Methan tun würde. Das Kältemittel R-410a hat beispielsweise einen GWP-Wert (Global Warming Potential) von über 2.000. Das bedeutet, dass ein Kilogramm davon so schädlich ist wie 2.000 kg CO2. Das modernere R32 hat einen GWP von „nur“ 675. Und ja, wenn die 3 bis 7 kg, wie sie in gängigen Wärmepumpen für Einfamilienhäuser enthalten sind, entweichen, dann hat das denselben Effekt, wie wenn mehrere Tonnen CO2 in die Umwelt gelangen.
Aber: Es wird sehr darauf geachtet, dass nichts davon entweicht und falls es doch passiert, ist es eben so, als hätte man noch einen Tank voll Öl verbrannt. Die Mengen sind vergleichbar. Setzt man die paar Tonnen aber in Relation zu den hunderten Tonnen, die so eine Wärmepumpe an CO2-Einsparung leistet, ist das Entweichen von Kältemittel zwar schlecht aber bei weitem kein Grund, weiterhin auf fossile Energieträger zu setzen.
Demnächst wird sich das Problem aber ohnehin auflösen, da man als Kältemittel auch Propan (GWP = 3) oder CO2 einsetzten kann, und das im Markt gerade Einzug hält. Und CO2 hat naheliegenderweise ein GWP von nur 1.
Mythos #6: Wenn der Strom nur aus fossilen Quellen kommt, kann man ja gleich weiter fossil heizen
Die Argumentation kennen wir doch schon von woanders. Wie auch bei Elektroautos steckt ein wahrer Kern drin und die Herkunft des Stroms sollte auf jeden Fall bedacht werden, die Aussage ist dennoch falsch.
Nehmen wir erneut die Zahlen aus dem obigen Beispiel, wo jemand eine Ölheizung, die 3.000 Liter pro Jahr verbraucht, durch eine Luft-Wasser-WP ersetzt und nehmen wir an, dass diese 25 Jahre lang in Betrieb ist. Folgende Berechnungen zeigen, dass durch den Austausch 189 Tonnen oder 79 % an CO2 eingespart werden kann. Selbst bei dem abnorm schmutzigen Strommix in Deutschland erzielt man etwa 50 % Einsparung. Und wie oben schon erwähnt, wird der Strommix tendenziell nur sauberer. Die Zahlen zu folgender Berechnung entstammen den hier genannten Quellen.
Mythos #7: Eine Wärmepumpe ist nur gemeinsam mit Photovoltaik sinnvoll
Eine PV-Anlage ist fast immer eine gute Idee, aber sie hat eine unangenehme Eigenschaft: Sie ist abhängig von der Sonne. Diese Sonne scheint aber vor allem im Sommer und da ist der Nutzen für eine Heizung sehr überschaubar. Natürlich ist es sinnvoll, eine Wärmepumpe mit einer Photovoltaikanlage zu kombinieren, aber es ist bei weitem keine Grundvoraussetzung. Man sollte also keinesfalls auf eine Wärmepumpe verzichten, nur weil man keine PV hat oder installieren möchte.
Mythos #8: In kalten Regionen braucht man zusätzlich eine konventionelle Heizung
Man kann Wärmepumpen mit anderen Wärmequellen wie Öl- oder Pelletkesseln kombinieren. Oft wird gemeint, dass man in kalten Regionen sowas bräuchte, um an den besonders kalten Tagen überhaupt noch heizen zu können. Das ist, in den meisten Fällen, wieder einmal Unsinn. Gleich zwei Irrtümer lassen sich hierbei finden:
Erstens hat praktisch jede Wärmepumpenheizung bereits eine zweite Wärmequelle eingebaut, nämlich einen einfachen elektrischen Heizstab. Der hat zwar „nur“ einen Wirkungsgrad von 1, für den Notfall ist das aber kein Problem. Außerdem ist das Gerät sehr klein und braucht keinen zusätzlichen Lagerraum für Brennstoff. Auf diesem Bild ist der Heizstab in Form des weißen, verkabelten Geräts im unteren Bereich des Pufferspeichers zu sehen. Zweitens sollte man sich nicht von gefühlten Erfahrungen zu dem Glauben hinreißen lassen, dass es bei uns im Alpenraum so extrem kalt wäre. Sicher gibt es immer wieder kurze Ausreißer und lokal begrenzte Sonderfälle, aber die sind sehr selten und werden zukünftig immer seltener. Wie immer ist es hierbei wichtig, sich die tatsächlichen Daten anzusehen:
Anhand dieses Beitrags sollte jede und jeder in der Lage sein festzustellen, ob eine Wärmepumpe als Heizung unter den persönlichen Umständen geeignet ist oder nicht. Und in den allermeisten Fällen wird es funktionieren. Für die Detailfragen ist die Konsultation einer Energieberaterin unbedingt empfehlenswert, wenn man sich nicht selbst in das Thema einarbeiten will. Und wer die Möglichkeit hat, eine fossile Heizung durch eine Wärmepumpe zu ersetzen, sollte nicht mehr warten. Wärmepumpen werden in den nächsten Jahren sicher günstiger werden, doch am Ende würde das nur den Zeitpunkt der Amortisation ein wenig verschieben, jedoch nichts an der Tatsache ändern dass man sich sehr viel Geld und uns allen sehr viel Treibhausgase erspart hat.
Und da steht sie nun, unsere Wärmepumpe. In einem folgenden Beitrag werde ich die Optimierung für dynamische Strompreise und erste Erfahrungen aus dem Betrieb erläutern.
800l Pufferspeicher am früheren Standort des Ölkessels
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