Wer heute eine Wärmepumpe (WP) bestellt, muss unter Umständen mit Lieferzeiten von über einem Jahr rechnen. Grund sind die vielzitierten Lieferengpässe für Halbleiter, aber vor allem auch die stark gestiegene Nachfrage nach Wärmepumpen in den letzten Jahren. Gemäss Statistik der Fachvereinigung Wärmepumpe Schweiz FWS kam es seit 2018 beinahe zu einer Verdopplung der Wärmepumpenverkäufe. Im Jahr 2022 wurden erstmal mehr als 40 000 Wärmepumpen in der Schweiz verkauft. Durch die hohe Nachfrage ergibt sich ein Mangel an fabrizierten Wärmepumpen aber auch an Fachkräften zur Planung und Installation der Anlagen.
Schneller Zubau an WP ist nachhaltig
Wärmepumpen wandeln Umweltwärme und Strom in Nutzwärme um. Je nach Gebäude und Art der WP können dabei aus einem Teil Strom 3-6 Teile Wärme erzeugt werden. Dennoch verbrauchen die Anlagen, vor allem im Winter Strom, der das Stromnetz in der Zeit belastet, in der zum Beispiel die Photovoltaik am wenigsten Energie liefern kann. Dabei stellt sich rasch die Frage, ob ein rascher Umstieg in der momentan verschärften Lage am Energiemarkt sinnvoll ist.
Ein kompletter Ersatz aller Öl-, Gas und Elektroheizungen steigert den jährlichen Stromverbrauch um 4-5%. Gleichzeitig werden jedoch 18% des Erdölverbrauchs und gut 40% des Gasverbrauchs eingespart. Der zugrunde liegende Effekt kann anhand des Energieflussdiagramms in der Grafik 1 dargestellt werden, bei dem aufgezeigt wird, wie viel Wärme aus Gas durch eine Verstromung und mit Wärmepumpen zur Verfügung gestellt werden kann. Wenn 100% Gas verwendet werden, um Strom zu erzeugen und damit eine Wärmepumpe zu betreiben, so werden dadurch etwa 220% Nutzwärme erzeugt. Dies sind circa 2,5-mal so viel Wärme wie bei der direkten Verbrennung im Heizkessel unter Berücksichtigung des Kesselwirkungsgrades. Steht das Gas-Kraftwerk dabei in einem Ballungszentrum, so kann auch die Abwärme zusätzlich zur Beheizung umliegender Gebäude verwendet werden und die resultierende Effizienz ist beinahe 3-mal so gross wie bei der herkömmlichen direkten Verbrennung. Da ein Teil des gebrauchten Stroms auch durch Wind, Wasser und Photovoltaik erzeugt werden, sieht die Bilanz in der Praxis sogar noch besser aus.
Fossile Kraftwerke als Winterstromreserve sinnvoll
Im Hinblick auf einen möglichst schnellen Ausstieg aus fossilen Brennstoffen, ist es somit durchaus sinnvoll als Winterstromreserve auf fossile Kraftwerke zu setzen, die die Winterstromlücke schliessen können. Aus Sicht der Versorgungssicherheit und Klimapolitik wären saisonal eingesetzte Biomasse-Blockheizkraftwerke anstelle von Gas-Kraftwerken natürlich noch sinnvoller, aber natürlich auch teurer. In einigen nordeuropäischen Ländern, z.B. Schweden, ist die Kombination von Kraftwerken in Ballungszenten zu Wärmeversorgung der Stadt und Stromproduktion bereits seit Jahrzehnten etabliert.
Aber auch bei unserem östlichen Nachbarn Österreich wird die Dekarbonisierung der Haushalte massiv vorangetrieben. So gilt seit 2023 ein Verbot von Gasheizungen im Neubau, ab 2025 werden dann alte, fossile Heizungsanlagen schrittweise auf erneuerbare Energien umgesetzt, sodass bis 2040 der gesamte Gebäudepark mit erneuerbaren Energien beheizt wird.
Luft-Wasser Wärmepumpen auf dem Vormarsch
Auf Grund der tiefen Investitionskosten und der in vielen Fällen relativ einfachen Bewilligungsverfahren sind Luft-Wasser-Wärmepumpen mit einem Marktanteil von über 80% klar auf dem Vormarsch. Vor allem im gut gedämmten Neubau sind die Energiekosten so tief, das sich momentan die Investition in eine WP mit Erdwärmesonde finanziell nicht lohnt. Dabei zeigen diese Sole-Wasser-Wärmepumpen eine um bis zu 50% höhere Effizienz im Vergleich zu Luft-Wasser-Wärmepumpen.
Noch stärker ist der Effizienzvorteil in den kältesten Monaten, in denen die Erdwärmesonden eine wesentlich bessere Wärmequelle darstellen als die kalte Umgebungsluft. Der Einsatz von Sole-Wasser-Wärmepumpen ist somit auch im Hinblick auf die Winterstromlücke eine lohnende Investition. Auch sind diese Systeme am unempfindlichsten im Hinblick auf stark schwankende und steigende Strompreise. Vor allem im Altbau oder bei grösseren Überbauungen ist der Einsatz von Sole-Wasser-Wärmepumpen somit dringend zu empfehlen. Weitere Vorteile sind der (von aussen) geräuschlose Betrieb der Anlagen und die Möglichkeit der passiven Gebäudekühlung, die auf Grund des Klimawandels mittelfristig immer wichtiger wird.
Korrekte Einstellung ist entscheidend
Wie Feldmessungen des Wärmepumpenprüfzentrums WPZ zeigen, halten Wärmepumpen in der Praxis, was sie im Labortest versprechen. So werden die geforderten Effizienzen bei unterschiedlichen Temperaturbedingungen sowohl bei Luft-Wasser- als auch Sole-Wasser-Wärmepumpen erreicht. Trotzdem gibt es durchaus Optimierungsbedarf bei vielen Anlagen.
Vor allem im Bereich von Reglereinstellungen gibt es im Hinblick auf Effizienz oft Verbesserungspotential, da die Einstellungen auf maximale Sicherheit gesetzt werden. Viele der folgenden Optimierungsmöglichkeiten wurden bereits in der Vergangenheit im Rahmen der Feldmessungen veröffentlicht. Die wichtigsten Optimierungsmassnahmen als kurze Zusammenfassung sind:
- Fehlende obere Heizgrenze: die Wärmepumpe kann auch im Sommer in einer etwas kühleren Nacht das Gebäude unnötig beheizen.
- Zu hoch eingestellte Heizkurve: Durch die zu hohen Vorlauftemperaturen gehen pro Grad ca. 2% Effizienz verloren. Eine Wärmepumpe die 50 °C anstelle 40 °C liefert, verschwendet somit ca. 20% elektrische Energie. Die Einstellung der Heizkurve erfolgt in der Praxis leider oft mit viel Sicherhseitsmarge, da der genaue Wert oft nur iterativ bestimmt werden kann.
- Warmwassererzeugung im Komfort Modus: Dadurch wird schon bei geringem Wärmeentzug mit hoher Leistung nachgeheizt. Dies erhöht wiederum die Vorlauftemperaturen und reduziert somit die Effizienz der Anlage.
- Photovoltaik-Eigenstromoptimierung: Hierbei wird oft mit dem Elektroheizstab das Warmwasser überhitzt. Dadurch sinkt die Warmwassererzeugungseffizienz signifikant ab. Sinnvoll ist, wenn die Wärmepumpe mit dem zur Verfügung stehenden Eigenstrom das Warmwasser auflädt, und dabei auch die höheren Aussentemperaturen tagsüber nutzt.
Aber auch in der hydraulischen Integration der Wärmepumpen findet sich manchmal noch Verbesserungspotential.
- Mischerschaltungen zur Regulierung von Heizungsgruppen: Durch die Beimischung werden oft 5 °C Temperaturüberhöhung an den Wärmepumpen benötigt, die die Effizienz um 10% senken. Somit sollte auf Mischerschaltungen soweit möglich verzichtet werden.
- Durchmischung des Heizungsspeichers durch Fehleinbindungen: Der Heizungsspeicher soll mittels T-Stück eingebunden werden, sodass nur die Differenz des Volumenstroms von WP und Heizungsanlage in den Speicher gelangt. Dies ergibt eine übliche Einsparung von 3-4 °C in der Vorlauftemperatur.
- Warmhaltung des Warmwassers: Die Warmhaltung des Warmwassers mittels Heizband oder Zirkulation zeigt in den Feldmessungen den stärksten negativen Einfluss auf die Effizienz und sollte wo immer möglich vermieden werden.
Erfreulich sind die im allgemeinen gut ausgeführten Wärmedämmungen im Feld und sauberen Ausführungen der Anlagen. Weitere positiven Effekte sind eine möglichst grosse Einfachheit der Anlagen und die gute Effizienz von Wärmepumpenboilern in der Praxis.
Bei Neuinstallationen empfiehlt es sich, gerade bei Luft-Wasser-Wärmepumpen eine genaue Abklärung im Hinblick auf den Schall zu machen, da die Emissionen je nach Fabrikat sehr unterschiedlich sein können (entsprechende unabhängige Messwerte können beim WPZ gefunden werden).
Der Aufstellungsort und die Installation der WP beeinflusst die Schallemissionen auch massgeblich. Eine kurze Abstimmung mit den Nachbarn vor der Installation, kann oft helfen die Akzeptanz der neuen Heizungsanlage zu steigern. Im Hinblick auf eine möglichst tiefe Vorlauftemperatur empfiehlt sich in der Sanierung ein hydraulischer Abgleich des Heizsystems und eventuell eine punktuelle Optimierung beim Wärmeverteilsystem, sodass die Vorlauftemperatur nicht auf Grund eines einzigen Zimmers hochgehalten werden muss. Schliesslich ist ein Monitoring der Anlage zu empfehlen, um das Betriebsverhalten optimieren zu können.
Leistungsvariable WP im Teillastbereich signifikant besser
Die Verkaufszahlen leistungsvariabler Luft-Wasser-Wärmepumpen haben in den letzten fünf Jahren stark zugenommen, aber auch im Bereich der Sole-Wasser-Wärmepumpen gibt es immer mehr Anlagen, die auf diese Technik setzen. Wie Grafik 2 zeigt, sind leistungsvariable Anlagen vor allem bei geringen Temperaturhub signifikant effizienter als On/Off-geregelte Anlagen.
Dies kann dadurch erklärt werden, dass sie bei Teillast eine geringe Leistung und daraus folgend auch geringere Temperaturhübe benötigen. Im Teillastbetrieb sind die Schallemissionen geringer. Auch die Laufzeiten steigen im Schnitt auf die doppelte Dauer an, was ebenfalls zu kleineren Verlusten führt. Weiterer Vorteil in der Praxis sind die geringeren Anlaufströme im Vergleich zu herkömmlichen Anlagen.
Forschungsthemen
Aktuelle Forschungsthemen im Bereich der Haushaltswärmepumpen sind der Einsatz natürlicher Kältemittel wie Propan und Kohlendioxid als Ersatz für synthetische Kältemittel. Aber auch im Bereich schallreduzierter Wärmepumpen und der optimalen Anlagenregelung sind in den nächsten Jahren weitere Optimierungen zu erwarten.
Zur Erfüllung der Energiestrategie sind aber noch weitere Neuerungen nötig. Besonders stark beforscht wird dabei der verstärkte Einsatz von Wärmepumpen auch in der Industrie. Dabei können je nach Abwärme und Anwendung auch Temperaturen von bis zu 200 °C und Leistungen von mehreren Megawatt erreicht werden. Im Vergleich zu Haushaltsanwendungen ist die korrekte Einbindung jedoch wesentlich aufwendiger. Aber auch im Hinblick auf die WP-Technologie zeigen sich unterschiedlichste Ansätze von herkömmlichen Kreisläufen, über offene Dampfverdichter, transkritische Kreisläufe bis hin zu Rotationswärmepumpen und Stirling-Anlagen. Noch ist die Umsetzung oft sehr zögerlich, da Vorzeigebeispiele fehlen. Gerade durch die Veränderung der aktuellen Energiesituation ist aber auch hier die Wirtschaftlichkeit in vielen Fällen gegeben.
Wärmepumpen sind Teil der Zukunft
Wärmepumpen zeigen ihre Vorteile längst nicht nur im Labor, sondern im täglichen praktischen Einsatz. Sowohl aus wirtschaftlicher und volkswirtschaftlicher Sicht sind sie ein unverzichtbarer Bestandteil der Energiestrategie des Bundes. Bei der Umsetzung können sie ideal auch mit Photovoltaik-Anlagen kombiniert werden. Aus Sicht der Versorgungssicherheit wäre ein verstärkter Einsatz von Sole-Wasser- und Wasser-Wasser-Anlagen wünschenswert. Optimierungspotential gibt es vor allem bei der hydraulischen Einbindung und den Einstellungen des Heizungsreglers.
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*Ph.D., Leiter Institut für Energiesysteme, OST Buchs