Umgebungsw?rme und W?rmepumpen

Schema einer Erdw?rmepumpezum Vergr??ern anklicken
Erdw?rmepumpe

Schema einer Erdw?rmepumpe eines Einfamilienhaus

Quelle: BWP

Immer h?ufiger dient Umgebungsw?rme aus Erdreich, Grundwasser und Umgebungsluft oder Abw?rme mittels W?rmepumpen zum Heizen und Kühlen von Geb?uden. Knapp 40 Prozent der neu gebauten Wohnh?user setzen bereits auf diese Technik. Umgebungsw?rme leistet einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz. Wie funktioniert diese Technik und wie umweltfreundlich ist sie?

Inhaltsverzeichnis

 

Was ist Umgebungsw?rme?

Umgebungsw?rme umfasst sowohl Umweltw?rme als auch oberfl?chennahe Geothermie. Umweltw?rme schlie?t die in bodennahen Luftschichten (?aerothermische Umweltw?rme“) und in Oberfl?chengew?ssern (?hydrothermische Umweltw?rme“) entnommene und technisch nutzbar gemachte W?rme ein. Oberfl?chennahe Geothermie bezeichnet die im oberfl?chennahen Erdreich bis zu einer Tiefe von 400 Metern gespeicherte W?rme (?geothermische Umgebungsw?rme“); dazu z?hlt auch die W?rme im Grundwasser. Beide Energiequellen sind zu kalt, um sie zum Heizen von Geb?uden unmittelbar nutzen zu k?nnen, weshalb W?rmepumpen eingesetzt werden.

 

Wie funktioniert eine W?rmepumpe?

Eine W?rmepumpe funktioniert wie ein Kühlschrank, nur umgekehrt und mit viel h?herer Leistung. Ein Kühlschrank entzieht dem innen liegenden Kühlraum W?rme und gibt sie bei h?herer Temperatur über die Blechlamellen an der Rückseite an den umgebenden Raum ab. Eine W?rmepumpe entzieht einer W?rmequelle auf niedrigem Temperaturniveau Energie, die sie auf ein h?heres Temperaturniveau anhebt (?pumpt“) und dann zum Beispiel an das Heizsystem eines Geb?udes abgibt.

Bei Kühlschrank und W?rmepumpe wird ein Arbeitsmedium (auch K?ltemittel genannt) über vier Funktionseinheiten im Kreislauf geführt (siehe Abbildung): Im Verdampfer (1) nimmt das flüssige Arbeitsmedium die erforderliche Verdampfungsw?rme aus der Umgebung auf und geht in den gasf?rmigen Zustand über. Der Verdichter (2) bringt das aufgew?rmte, gasf?rmige Arbeitsmedium auf einen h?heren Druck und erh?ht damit dessen Temperatur auf ein nutzbares Niveau. In der Regel treibt ein Elektromotor den Verdichter mechanisch an. Gasmotoren und sogenannte ?thermische Verdichter“, die mit Erdgas, Fern- oder Abw?rme angetrieben werden, sind noch selten anzutreffen. Der Verflüssiger (3) (Kondensator) übertr?gt die W?rme als Nutzw?rme an das Heizungswasser (Kühlschr?nke geben sie als Abw?rme an der Rückwand in den Raum ab). Dabei gibt das gasf?rmige Arbeitsmedium W?rme ab und kondensiert (es wird wieder flüssig). Danach entspannt das Expansionsventil (4) das nun flüssige, aber noch unter Druck stehende Arbeitsmedium. Dadurch kühlt es sich weiter ab und str?mt wieder in den Verdampfer. Der Kreislauf beginnt von Neuem.

G?ngige W?rmequellen sind Umgebungsluft, Erdreich (mittels Erdsonden, Erdkollektoren oder Erdk?rben) oder Grundwasser (mittels Grundwasserbrunnen), aber auch Abw?rme (Abluft, Abwasser), Eisspeicher oder Erdw?rmespeicher. Auch solarthermische Kollektoren k?nnen in Anlagen eingebunden werden und stellen entweder nutzbare W?rme direkt bereit oder dienen der W?rmepumpe als W?rmequelle.

Umgebungsw?rme eignet sich nicht nur zum Heizen, sondern auch zum Kühlen – vorausgesetzt, das Haus hat eine Fu?boden- oder Fl?chenheizung. Besonders energiesparend und umweltfreundlich ist das mit oberfl?chennaher Geothermie, die auch im Sommer kühl genug ist, um das Haus ohne Zutun der W?rmepumpe zu temperieren.? Als positiver Nebeneffekt erholt sich das geothermische Reservoir schneller vom W?rmeentzug w?hrend der Heizperiode, und die Effektivit?t und ⁠Nachhaltigkeit⁠ des Systems steigt. Auch Grundwasser und Eisspeicher k?nnen ein Haus mit Fu?bodenheizung im Sommer ?passiv“ mit sehr geringem Energieaufwand kühl halten. Manche Luft-W?rmepumpen haben eine Kühlfunktion, müssen dafür aber wie im Heizbetrieb ?aktiv“ gegen die Au?entemperatur anarbeiten und brauchen daher mehr Energie.

Das Bild zeigt das Funktionsprinzip einer W?rmepumpe, n?mlich den Kreislauf aus Verdampfer, Verdichter, Verflüssiger und Expansionsventil.
W?rmepumpe

Schematische Darstellung des Kreisprozesses einer Elektro-W?rmepumpe

Quelle: Andreas Bertram / UBA
 

Welche Kennzahlen beschreiben die Energieeffizienz von W?rmepumpen?

Zwei Kennwerte beschreiben die Energieeffizienz von W?rmepumpen:

  • Die Leistungszahl (englisch: Coefficient of Performance COP) gibt das Verh?ltnis der abgegebenen Nutzw?rmeleistung bezogen auf die eingesetzte elektrische Leistung (beide in Kilowatt - kW) für den Antrieb der W?rmepumpe an. Sie wird auf Prüfst?nden gemessen und gilt stets nur für einen einzelnen Betriebspunkt aus W?rmequellentemperatur und Heizungsvorlauftemperatur.
  • Die Jahresarbeitszahl gibt das Verh?ltnis der im Laufe eines Jahres abgegebenen W?rmemenge bezogen auf die eingesetzte elektrische Energie (beide in Kilowattstunden – kWh) für den Antrieb der W?rmepumpe einschlie?lich Verdichter und Hilfsantriebe an. Sie wird nach VDI 4650 oder DIN EN 14825 (englisch: Seasonal Coefficient of Performance - SCOP) aus Leistungszahlen berechnet oder im Betrieb gemessen; Rechenwerte sind in der Regel h?her als unter realen Bedingungen gemessene Werte. Beispiel: Eine Elektro-W?rmepumpe mit Jahresarbeitszahl 3 erzeugt aus 1 Kilowattstunde (kWh) Strom und 2 kWh Umgebungsw?rme zusammen 3 kWh Heizw?rme. Die Jahresheizzahl ist das ?quivalent für mit Brennstoff oder W?rme angetriebene W?rmepumpen.

Je h?her die Jahresarbeitszahl einer W?rmepumpe ist, desto energieeffizienter, umweltfreundlicher und kostengünstiger arbeitet sie – und umgekehrt. Die Leistungszahl ist für solche Aussagen nicht geeignet, weil sie sich nur auf einen einzelnen Betriebszustand bezieht, der für das gesamte Jahr mit seinen Schwankungen der Au?entemperatur und des W?rmebedarfs nicht aussagekr?ftig ist.

Eine W?rmepumpenanlage erreicht hohe Jahresarbeitszahlen, wenn:

  • das W?rmepumpenaggregat hohe Leistungszahlen erreicht und seine W?rmeleistung gleitend an die momentane W?rmenachfrage anpasst (?modulierender Betrieb“),
  • die W?rmequelle ergiebig ist und gleichbleibend eine m?glichst hohe Temperatur liefert (Abw?rme und geothermische Umgebungsw?rme sind besser geeignet als Umgebungsluft),
  • das Heizungssystem mit niedriger Vorlauf-Temperatur auskommt (gro?zügig ausgelegten Fu?bodenheizungen in gut ged?mmten H?usern genügen geringere Temperaturen als 35 °C, w?hrend Heizk?rper nur mit gewissem Aufwand mit Temperaturen unter 55 °C auskommen),
  • alle Bauteile der W?rmepumpenanlage optimal dimensioniert und aufeinander abgestimmt sind und fachgerecht eingebaut werden.
 

Wie energieeffizient sind W?rmepumpen?

Feldtests aus den vergangenen Jahrzehnten haben gezeigt, dass die Jahresarbeitszahlen von Elektro-W?rmepumpen stark schwanken. So gibt es einige Anlagen, die eine besonders hohe Energieeffizienz erreichen, w?hrend andere mit geringer Energieeffizienz arbeiten. Die Unterschiede rühren auch von dem Umstand, in welchen Geb?uden W?rmepumpen installiert sind: in Neubauten mit überwiegend Fu?bodenheizung oder in Altbauten mit überwiegend Heizk?rperheizung. Eher ungünstig f?llt die Bilanz von Luft-W?rmepumpen aus, die in Neubauten mittlere Jahresarbeitszahlen von 2,6 bis 3,3 schaffen, in den schlechtesten F?llen nur 1,5, in den besten F?llen aber auch 4,3 erreichen k?nnen. In Altbauten liegen die mittleren Jahresarbeitszahlen von Luft-W?rmepumpen zwischen 2,4 und 2,7. Dagegen schneiden Erd-W?rmepumpen besser ab, mit mittleren Jahresarbeitszahlen in Neubauten von 3,2 bis 4,3 (gesamte Spannbreite 2,0 bis 5,4) und in Altbauten von 2,9 bis 3,3 (gesamte Spannbreite 2,2 bis 4,2). Die Arbeitszahlen von Grundwasser-W?rmepumpen fallen durch den hohen Energieaufwand für die Grundwasserpumpe etwas niedriger aus, als die gut geeignete W?rmequelle erwarten l?sst, und sind etwa mit Erd-W?rmepumpen vergleichbar. Die gro?en Bandbreiten zeigen, dass viele W?rmepumpenanlagen im Betrieb ein gro?es Optimierungspotenzial haben und dann auch gute Jahresarbeitszahlen über 4,0 erreichen k?nnen. über W?rmepumpen, die mit Brennstoff betrieben werden oder andere W?rmequellen nutzen, liegen nur wenige aussagekr?ftige Erkenntnisse vor; es scheint auch hier ein ?hnlich gro?es Optimierungspotenzial zu geben.

Die Jahresarbeitszahlen der Feldtests decken sich vergleichsweise gut mit aktuellen Produktkennwerten für die Energieverbrauchskennzeichnung von W?rmepumpen, und das obwohl Messbedingungen und Alter der Ger?te abweichen. Vor allem bei Erd-W?rmepumpen ist die übereinstimmung gut, die Produktkennwerte von Luft-W?rmepumpen liegen etwas über den Feldtests. Grundwasser-W?rmepumpen werden deutlich überbewertet; eine Ursache kann darin liegen, dass die F?rderpumpe für das Grundwasser nicht stark genug in die Produktkennwerte einflie?t.

Das Diagramm zeigt, welche Jahresarbeitszahlen Elektrow?rmepumpen in Feldtests zwischen 1990 und 2015 erreicht haben, getrennt nach W?rmequelle und Einsatzbereich.
Jahresarbeitszahlen von Elektro-W?rmepumpen in Feldtests
Quelle: Jens Schuberth / UBA
 

Wie umweltfreundlich sind W?rmepumpen?

Wie sehr der Betrieb von W?rmepumpen die Umwelt entlastet oder belastet, h?ngt zun?chst davon ab, wie viel Strom bzw. Brennstoff eine W?rmepumpe ben?tigt. Dies ergibt sich über die Jahresarbeitszahl. Die eigentliche Umweltbelastung verursachen dann Erzeugung und Bereitstellung des Stromes bzw. das Verbrennen des Brennstoffes.

Wie für andere elektrisch betriebene Ger?te und Anlagen auch, ist es für elektrische W?rmepumpen angemessen, für die Bewertung den Strommix der ?ffentlichen Versorgung zugrunde zu legen. Zwar stammen 30 Prozent der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien, mit steigender Tendenz, doch betr?gt der Anteil von Stein- und Braunkohle noch immer 40 Prozent. Dadurch verursacht Strom hohe CO2-Emissionen. Hinzu kommen weitere Umweltwirkungen wie der Verbrauch nicht-erneuerbarer Energie-Ressourcen, Emissionen von Stick- und Schwefeloxiden, Staub und anderen Schadstoffen (z.B. Quecksilber) sowie Fl?cheninanspruchnahme.

Damit? eine W?rmepumpe zum Beispiel 100 kWh Heizw?rme erzeugt, braucht sie 67 kWh Umgebungsw?rme und 33 kWh Strom bei einer Jahresarbeitszahl von 3,0. Für den ben?tigten Antriebsstrom müssen 84 kWh Prim?renergie eingesetzt werden, davon 63 kWh nicht-erneuerbar und 21 kWh aus erneuerbaren Energien. Es muss also fast so viel fossile/nukleare Prim?renergie eingesetzt werden wie Umgebungsw?rme gewonnen wird. Bei h?heren Jahresarbeitszahlen verbessert sich dieses Verh?ltnis.

Die Grafik zeigt die Energiestr?me für Elektrow?rmepumpen von den Energieverbr?uchen und Energieverlusten der Stromerzeugung bis zur erzeugten Heizw?rme.
Energieflussdiagramm von Elektro-W?rmepumpen

Energiebilanz elektrischer W?rmepumpen mit Jahresarbeitszahl 3,0 (links) und 4,0 (rechts).

Quelle: Jens Schuberth / UBA

Wie hoch sollte also die Jahresarbeitszahl ungef?hr sein, damit eine Elektro-W?rmepumpe im Betrieb vorteilhaft ist? Das h?ngt von verschiedenen? Einflussgr??en ab (Angaben für 2016):

  • Um den Einsatz fossiler Energietr?ger und die Verluste bei der Stromerzeugung auszugleichen, genügt, dank des gestiegenen Anteils der erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung, eine recht geringe Jahresarbeitszahl von mindestens 1,6; berechnet aus dem Verh?ltnis der Prim?renergiefaktoren der Energieeinsparverordnung von? Strom (1,8) und Erdgas/Heiz?l (1,1) und mit dem Nutzungsgrad eines Gaskessels (95 Prozent).
  • Um die CO2-Emissionen der Stromerzeugung auszugleichen, ist mindestens eine Jahresarbeitszahl von 2,5 n?tig; berechnet aus dem Verh?ltnis der direkten CO2-Emissionsfaktoren für Strom (530 g/kWh) und für Erdgas (200 g/kWh) und mit dem Nutzungsgrad eines Gaskessels (95 Prozent).
  • Damit eine Elektro-W?rmepumpe die gegenüber einem Gaskessel h?heren Investitionskosten durch geringere Betriebskosten wieder einspielen kann, muss die Jahresarbeitszahl über 3,0 liegen; berechnet aus dem Verh?ltnis der Energiepreise für W?rmepumpen-Strom (21,3 Cent pro kWh ) und für Erdgas (6,9 Cent pro kWh) und mit dem Nutzungsgrad eines Gaskessels (95 Prozent). Gegenüber einem Heiz?lkessel müsste die Jahresarbeitszahl sogar 3,9 übertreffen; berechnet mit Heiz?lpreis (4,9 Cent pro kWh) und 90 Prozent Nutzungsgrad.

Erst oberhalb dieser Mindestwerte tr?gt eine W?rmepumpe zum sparsamen Einsatz fossiler Energietr?ger und zum ⁠Klimaschutz⁠ bei. In allen F?llen ist eine unabh?ngige und professionelle Wirtschaftlichkeitsrechnung zu empfehlen.

2016 stellten die W?rmepumpen in Deutschland 11,3 Terawattstunden Heizw?rme bereit. Das entspricht zwei Prozent des W?rmebedarfs der privaten Haushalte. Nach Abzug der Emissionen, die der Betrieb von W?rmepumpen verursachte, wurden immerhin knapp 1,1 Millionen Tonnen Treibhausgase vermieden. In diesem Umfang tr?gt der Einsatz von W?rmepumpen derzeit zum Klimaschutz bei. Zur Minderung der Emissionen von Schwefeldioxid und Kohlenmonoxid leisten W?rmepumpen derzeit netto keinen Beitrag.

Weitere Treibhausgasemissionen entstehen, wenn das Arbeitsmittel entweicht, das W?rmepumpen enthalten. Bei den treibhausgaswirksamen K?ltemitteln handelt es sich um teilfluorierte Kohlenwasserstoffe, deren Treibhausgaspotenzial das von Kohlendioxid um das bis zu 4.000-fache übersteigt. Daher ist es geboten, durch sorgsamen Umgang mit diesen K?ltemitteln ein Entweichen in die ⁠Atmosph?re⁠ zu verhindern. Besser ist es, klimafreundliche Alternativen zu verwenden, z.B. Propan (R290).

Nicht nur die Treibhausgasemissionen von W?rmepumpen wirken auf die Umwelt: Gerade wenn die Au?enluft im Winter wenig Energie enth?lt und gleichzeitig der W?rmebedarf der H?user steigt, erh?hen Luft-W?rmepumpen den Luftdurchsatz. Auch der Verdichter einer au?en aufgestellten Luft-W?rmepumpe verursacht Schallemissionen, deren tieffrequenter Anteil als besonders st?rend empfunden werden kann. Damit verursachen sie L?rm, der auch Nachbarn bel?stigt. Betreiber von W?rmepumpen sollten solchen L?rm vermeiden, um streittr?chtigen Konflikten vorzubeugen. Als Hilfsmittel für die Planung gibt es zum Beispiel Leitfaden und App der Bund/L?nder-Arbeitsgemeinschaft für Immissionsschutz und den Schallrechner des Bundesverbandes W?rmepumpe.

Die Umweltwirkung oberfl?chennaher Geothermie auf das Grundwasser ruft bei Einhaltung der einschl?gigen technischen Regeln keine dauerhafte Beeintr?chtigung der Grundwasserqualit?t hervor.

Verbraucherhinweise für Planung, Kauf und Wartung einer W?rmepumpe finden Sie im UBA-Verbraucherportal.

 

Welche Regelungen gelten für W?rmepumpen?

Das Geb?udeenergiegesetz (GEG) verpflichtet Eigentümerinnen und Eigentümer von neu errichteten Geb?uden, ihre W?rmeversorgung anteilig mit erneuerbaren Energien zu decken. Diese Pflicht kann mit W?rmepumpen erfüllt werden, wenn ihre berechnete Jahresarbeitszahl bei Luft-W?rmepumpen 3,3 und bei anderen W?rmepumpen 3,8 übersteigt (inkl. Warmwasserbereitung).

Seit September 2015 müssen neue Heizger?te, zu denen auch W?rmepumpen z?hlen, eine Energieverbrauchskennzeichnung tragen und Anforderungen an die Energieeffizienz erfüllen; die Anforderungen stiegen im September 2017 ein wenig. Das gibt eine Reihe von EU-Verordnungen vor.

W?rmepumpenanlagen, die geothermische Umgebungsw?rme über Bohrungen erschlie?en, müssen bei der unteren Wasserbeh?rde angezeigt oder genehmigt werden, Bohrungen mit einer Tiefe von über 100 Metern k?nnen zus?tzliche Genehmigungen erfordern. Die Regelungen und Genehmigungsverfahren für Erdw?rmesysteme sind bundeslandspezifisch. Auskunft über die geltenden Vorschriften geben Leitf?den. In den oberen Untergrund eingebundene Systeme wie Erdw?rmekollektoren, Energiepf?hle und erdberührende Betonbauteile bedürfen in der Regel keiner zus?tzlichen Genehmigung.

Die Verordnung (EU) Nr. 517/2014 regelt den Einsatz von K?ltemitteln.

W?rmepumpen sind in der Anschaffung teurer als konventionelle Heizungen. Für energieeffiziente W?rmepumpen gew?hrt die Bundesregierung Investitionszuschüsse im Marktanreizprogramm Erneuerbare Energien, wenn sie eine Mindest-Jahresarbeitszahl (laut Planung) erreichen.

Beachten Sie unsere Hinweise zur Vermeidung von L?rm durch Luft-W?rmepumpen.

 

Perspektiven

W?rmepumpen haben sich fest im Heizungsmarkt etabliert, haupts?chlich elektrisch angetriebene. Verbesserungsbedarf besteht vor allem bei der Qualit?tssicherung bei Installation und Inbetriebnahme, um W?rmepumpen energieeffizient zu betreiben. Die zwar sinkenden, aber nach wie vor hohen CO2-Emissionen der Stromversorgung belasten die ⁠Klima⁠- und Umweltbilanz der Elektro-W?rmepumpen. Unabh?ngig von der Wahl des Heizsystems sollte die erste Priorit?t darin liegen, den W?rmebedarf eines Hauses zu senken.

Der Einsatz von W?rmepumpen l?sst sich vielf?ltiger gestalten. Es gibt W?rmequellen mit h?herer Temperatur, die besser geeignet sind als Au?enluft, z.B. Grundwasser und Erdw?rme. W?rmepumpen k?nnen auch Abw?rme (zum Beispiel aus dem Abwasser oder der Abluft) mit hoher Effizienz wieder nutzbar machen. Innovative Konzepte wie Eis- oder Erdw?rmespeicher sind vielversprechende Konzepte. Auch für Nahw?rmekonzepte kommen W?rmepumpen in Frage: entweder als ?kalte Nahw?rme“, wo mehrere W?rmepumpen in den einzelnen H?usern installiert sind und sich ein gemeinsames Erdsondenfeld teilen, oder als ?klassische“ Nahw?rme mit einer zentralen Gro?-W?rmepumpe.

Gegenüber allen anderen Heizungssystemen w?ren effiziente elektrische W?rmepumpen quasi konkurrenzlos beim Heizen von Neubauten und gut sanierten Bestandsbauten, wenn elektrischer Strom auf nachhaltige Weise aus erneuerbaren Energien produziert wird. Umgebungsw?rme und W?rmepumpen sind unverzichtbarer Bestandteil der Konzepte, um die langfristigen energie- und klimapolitischen Ziele umzusetzen: Ein (nahezu) ?klimaneutraler Geb?udebestand“ oder sogar ein ?Treibhausgasneutrales Deutschland“ k?nnen nur mit einer sehr gro?en Anzahl an energieeffizienten W?rmepumpen in sehr gut ged?mmten H?usern erreicht werden.