Umgebungswärme und Wärmepumpen

Schema einer Erdwärmepumpezum Vergrößern anklicken
Erdwärmepumpe

Schema einer Erdwärmepumpe eines Einfamilienhaus

Quelle: BWP

Immer häufiger dient Umgebungswärme aus Erdreich, Grundwasser und Umgebungsluft oder Abwärme mittels Wärmepumpen zum Heizen und Kühlen von Gebäuden. Knapp 40 Prozent der neu gebauten Wohnhäuser setzen bereits auf diese Technik. Umgebungswärme leistet einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz. Wie funktioniert diese Technik und wie umweltfreundlich ist sie?

Inhaltsverzeichnis

 

Was ist Umgebungswärme?

Umgebungswärme umfasst sowohl Umweltwärme als auch oberflächennahe Geothermie. Umweltwärme schließt die in bodennahen Luftschichten („aerothermische Umweltwärme“) und in Oberflächengewässern („hydrothermische Umweltwärme“) entnommene und technisch nutzbar gemachte Wärme ein. Oberflächennahe Geothermie bezeichnet die im oberflächennahen Erdreich bis zu einer Tiefe von 400 Metern gespeicherte Wärme („geothermische Umgebungswärme“); dazu zählt auch die Wärme im Grundwasser. Beide Energiequellen sind zu kalt, um sie zum Heizen von Gebäuden unmittelbar nutzen zu können, weshalb Wärmepumpen eingesetzt werden.

 

Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Eine Wärmepumpe funktioniert wie ein Kühlschrank, nur umgekehrt und mit viel höherer Leistung. Ein Kühlschrank entzieht dem innen liegenden Kühlraum Wärme und gibt sie bei höherer Temperatur über die Blechlamellen an der Rückseite an den umgebenden Raum ab. Eine Wärmepumpe entzieht einer Wärmequelle auf niedrigem Temperaturniveau Energie, die sie auf ein höheres Temperaturniveau anhebt („pumpt“) und dann zum Beispiel an das Heizsystem eines Gebäudes abgibt.

Bei Kühlschrank und Wärmepumpe wird ein Arbeitsmedium (auch Kältemittel genannt) über vier Funktionseinheiten im Kreislauf geführt (siehe Abbildung): Im Verdampfer (1) nimmt das flüssige Arbeitsmedium die erforderliche Verdampfungswärme aus der Umgebung auf und geht in den gasförmigen Zustand über. Der Verdichter (2) bringt das aufgewärmte, gasförmige Arbeitsmedium auf einen höheren Druck und erhöht 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 Abwärme angetrieben werden, sind noch selten anzutreffen. Der Verflüssiger (3) (Kondensator) überträgt die Wärme als Nutzwärme an das Heizungswasser (Kühlschränke geben sie als Abwärme an der Rückwand in den Raum ab). Dabei gibt das gasförmige Arbeitsmedium Wärme 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 strömt wieder in den Verdampfer. Der Kreislauf beginnt von Neuem.

Gängige Wärmequellen sind Umgebungsluft, Erdreich (mittels Erdsonden, Erdkollektoren oder Erdkörben) oder Grundwasser (mittels Grundwasserbrunnen), aber auch Abwärme (Abluft, Abwasser), Eisspeicher oder Erdwärmespeicher. Auch solarthermische Kollektoren können in Anlagen eingebunden werden und stellen entweder nutzbare Wärme direkt bereit oder dienen der Wärmepumpe als Wärmequelle.

Umgebungswärme eignet sich nicht nur zum Heizen, sondern auch zum Kühlen – vorausgesetzt, das Haus hat eine Fußboden- oder Flächenheizung. Besonders energiesparend und umweltfreundlich ist das mit oberflächennaher Geothermie, die auch im Sommer kühl genug ist, um das Haus ohne Zutun der Wärmepumpe zu temperieren.  Als positiver Nebeneffekt erholt sich das geothermische Reservoir schneller vom Wärmeentzug während der Heizperiode, und die Effektivität und Nachhaltigkeit des Systems steigt. Auch Grundwasser und Eisspeicher können ein Haus mit Fußbodenheizung im Sommer „passiv“ mit sehr geringem Energieaufwand kühl halten. Manche Luft-Wärmepumpen haben eine Kühlfunktion, müssen dafür aber wie im Heizbetrieb „aktiv“ gegen die Außentemperatur anarbeiten und brauchen daher mehr Energie.

Das Bild zeigt das Funktionsprinzip einer Wärmepumpe, nämlich den Kreislauf aus Verdampfer, Verdichter, Verflüssiger und Expansionsventil.
Wärmepumpe
Quelle: Andreas Bertram / UBA
 

Welche Kennzahlen beschreiben die Energieeffizienz von Wärmepumpen?

Zwei Kennwerte beschreiben die Energieeffizienz von Wärmepumpen:

  • Die Leistungszahl (englisch: Coefficient of Performance COP) gibt das Verhältnis der abgegebenen Nutzwärmeleistung bezogen auf die eingesetzte elektrische Leistung (beide in Kilowatt - kW) für den Antrieb der Wärmepumpe an. Sie wird auf Prüfständen gemessen und gilt stets nur für einen einzelnen Betriebspunkt aus Wärmequellentemperatur und Heizungsvorlauftemperatur.
  • Die Jahresarbeitszahl gibt das Verhältnis der im Laufe eines Jahres abgegebenen Wärmemenge bezogen auf die eingesetzte elektrische Energie (beide in Kilowattstunden – kWh) für den Antrieb der Wärmepumpe einschließlich 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 höher als unter realen Bedingungen gemessene Werte. Beispiel: Eine Elektro-Wärmepumpe mit Jahresarbeitszahl 3 erzeugt aus 1 Kilowattstunde (kWh) Strom und 2 kWh Umgebungswärme zusammen 3 kWh Heizwärme. Die Jahresheizzahl ist das Äquivalent für mit Brennstoff oder Wärme angetriebene Wärmepumpen.

Je höher die Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpe 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 Außentemperatur und des Wärmebedarfs nicht aussagekräftig ist.

Eine Wärmepumpenanlage erreicht hohe Jahresarbeitszahlen, wenn:

  • das Wärmepumpenaggregat hohe Leistungszahlen erreicht und seine Wärmeleistung gleitend an die momentane Wärmenachfrage anpasst („modulierender Betrieb“),
  • die Wärmequelle ergiebig ist und gleichbleibend eine möglichst hohe Temperatur liefert (Abwärme und geothermische Umgebungswärme sind besser geeignet als Umgebungsluft),
  • das Heizungssystem mit niedriger Vorlauf-Temperatur auskommt (großzügig ausgelegten Fußbodenheizungen in gut gedämmten Häusern genügen geringere Temperaturen als 35 °C, während Heizkörper nur mit gewissem Aufwand mit Temperaturen unter 55 °C auskommen),
  • alle Bauteile der Wärmepumpenanlage optimal dimensioniert und aufeinander abgestimmt sind und fachgerecht eingebaut werden.
 

Wie energieeffizient sind Wärmepumpen?

Feldtests aus den vergangenen Jahrzehnten haben gezeigt, dass die Jahresarbeitszahlen von Elektro-Wärmepumpen stark schwanken. So gibt es einige Anlagen, die eine besonders hohe Energieeffizienz erreichen, während andere mit geringer Energieeffizienz arbeiten. Die Unterschiede rühren auch von dem Umstand, in welchen Gebäuden Wärmepumpen installiert sind: in Neubauten mit überwiegend Fußbodenheizung oder in Altbauten mit überwiegend Heizkörperheizung. Eher ungünstig fällt die Bilanz von Luft-Wärmepumpen aus, die in Neubauten mittlere Jahresarbeitszahlen von 2,6 bis 3,3 schaffen, in den schlechtesten Fällen nur 1,5, in den besten Fällen aber auch 4,3 erreichen können. In Altbauten liegen die mittleren Jahresarbeitszahlen von Luft-Wärmepumpen zwischen 2,4 und 2,7. Dagegen schneiden Erd-Wärmepumpen 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-Wärmepumpen fallen durch den hohen Energieaufwand für die Grundwasserpumpe etwas niedriger aus, als die gut geeignete Wärmequelle erwarten lässt, und sind etwa mit Erd-Wärmepumpen vergleichbar. Die großen Bandbreiten zeigen, dass viele Wärmepumpenanlagen im Betrieb ein großes Optimierungspotenzial haben und dann auch gute Jahresarbeitszahlen über 4,0 erreichen können. Über Wärmepumpen, die mit Brennstoff betrieben werden oder andere Wärmequellen nutzen, liegen nur wenige aussagekräftige Erkenntnisse vor; es scheint auch hier ein ähnlich großes Optimierungspotenzial zu geben.

Die Jahresarbeitszahlen der Feldtests decken sich vergleichsweise gut mit aktuellen Produktkennwerten für die Energieverbrauchskennzeichnung von Wärmepumpen, und das obwohl Messbedingungen und Alter der Geräte abweichen. Vor allem bei Erd-Wärmepumpen ist die Übereinstimmung gut, die Produktkennwerte von Luft-Wärmepumpen liegen etwas über den Feldtests. Grundwasser-Wärmepumpen werden deutlich überbewertet; eine Ursache kann darin liegen, dass die Förderpumpe für das Grundwasser nicht stark genug in die Produktkennwerte einfließt.

Das Diagramm zeigt, welche Jahresarbeitszahlen Elektrowärmepumpen in Feldtests zwischen 1990 und 2015 erreicht haben, getrennt nach Wärmequelle und Einsatzbereich.
Jahresarbeitszahlen von Elektro-Wärmepumpen in Feldtests
Quelle: Jens Schuberth / UBA
 

Wie umweltfreundlich sind Wärmepumpen?

Wie sehr der Betrieb von Wärmepumpen die Umwelt entlastet oder belastet, hängt zunächst davon ab, wie viel Strom bzw. Brennstoff eine Wärmepumpe benötigt. 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 Geräte und Anlagen auch, ist es für elektrische Wärmepumpen angemessen, für die Bewertung den Strommix der öffentlichen Versorgung zugrunde zu legen. Zwar stammen 30 Prozent der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien, mit steigender Tendenz, doch beträgt 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 Flächeninanspruchnahme.

Damit  eine Wärmepumpe zum Beispiel 100 kWh Heizwärme erzeugt, braucht sie 67 kWh Umgebungswärme und 33 kWh Strom bei einer Jahresarbeitszahl von 3,0. Für den benötigten Antriebsstrom müssen 84 kWh Primärenergie eingesetzt werden, davon 63 kWh nicht-erneuerbar und 21 kWh aus erneuerbaren Energien. Es muss also fast so viel fossile/nukleare Primärenergie eingesetzt werden wie Umgebungswärme gewonnen wird. Bei höheren Jahresarbeitszahlen verbessert sich dieses Verhältnis.

Die Grafik zeigt die Energieströme für Elektrowärmepumpen von den Energieverbräuchen und Energieverlusten der Stromerzeugung bis zur erzeugten Heizwärme.
Energieflussdiagramm von Elektro-Wärmepumpen
Quelle: Jens Schuberth / UBA
 

Wie hoch sollte also die Jahresarbeitszahl ungefähr sein, damit eine Elektro-Wärmepumpe im Betrieb vorteilhaft ist? Das hängt von verschiedenen  Einflussgrößen ab (Angaben für 2016):

  • Um den Einsatz fossiler Energieträger 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 Verhältnis der Primärenergiefaktoren der Energieeinsparverordnung von  Strom (1,8) und Erdgas/Heizöl (1,1) und mit dem Nutzungsgrad eines Gaskessels (95 Prozent).
  • Um die CO2-Emissionen der Stromerzeugung auszugleichen, ist mindestens eine Jahresarbeitszahl von 2,5 nötig; berechnet aus dem Verhältnis 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-Wärmepumpe die gegenüber einem Gaskessel höheren Investitionskosten durch geringere Betriebskosten wieder einspielen kann, muss die Jahresarbeitszahl über 3,0 liegen; berechnet aus dem Verhältnis der Energiepreise für Wärmepumpen-Strom (21,3 Cent pro kWh ) und für Erdgas (6,9 Cent pro kWh) und mit dem Nutzungsgrad eines Gaskessels (95 Prozent). Gegenüber einem Heizölkessel müsste die Jahresarbeitszahl sogar 3,9 übertreffen; berechnet mit Heizölpreis (4,9 Cent pro kWh) und 90 Prozent Nutzungsgrad.

Erst oberhalb dieser Mindestwerte trägt eine Wärmepumpe zum sparsamen Einsatz fossiler Energieträger und zum Klimaschutz bei. In allen Fällen ist eine unabhängige und professionelle Wirtschaftlichkeitsrechnung zu empfehlen.

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

Weitere Treibhausgasemissionen entstehen, wenn das Arbeitsmittel entweicht, das Wärmepumpen enthalten. Bei den treibhausgaswirksamen Kältemitteln 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 Kältemitteln ein Entweichen in die Atmosphäre zu verhindern. Besser ist es, klimafreundliche Alternativen zu verwenden, z.B. Propan (R290).

Nicht nur die Treibhausgasemissionen von Wärmepumpen wirken auf die Umwelt: Gerade wenn die Außenluft im Winter wenig Energie enthält und gleichzeitig der Wärmebedarf der Häuser steigt, erhöhen Luft-Wärmepumpen den Luftdurchsatz. Auch der Verdichter einer außen aufgestellten Luft-Wärmepumpe verursacht Schallemissionen, deren tieffrequenter Anteil als besonders störend empfunden werden kann. Damit verursachen sie Lärm, der auch Nachbarn belästigt. Betreiber von Wärmepumpen sollten solchen Lärm vermeiden, um streitträchtigen Konflikten vorzubeugen. Als Hilfsmittel für die Planung gibt es zum Beispiel Leitfaden und App der Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft für Immissionsschutz und den Schallrechner des Bundesverbandes Wärmepumpe.

Die Umweltwirkung oberflächennaher Geothermie auf das Grundwasser ruft bei Einhaltung der einschlägigen technischen Regeln keine dauerhafte Beeinträchtigung der Grundwasserqualität hervor.

Verbraucherhinweise für Planung, Kauf und Wartung einer Wärmepumpe finden Sie im UBA-Verbraucherportal.

 

Welche Regelungen gelten für Wärmepumpen?

Das Erneuerbare-Energien-Wärme-Gesetz (EEWärmeG) verpflichtet Eigentümerinnen und Eigentümer von neu errichteten Gebäuden, ihre Wärmeversorgung anteilig mit erneuerbaren Energien zu decken. Diese Pflicht kann mit Wärmepumpen erfüllt werden, wenn ihre berechnete Jahresarbeitszahl bei Luft-Wärmepumpen 3,3 und bei anderen Wärmepumpen 3,8 übersteigt (inkl. Warmwasserbereitung).

Seit September 2015 müssen neue Heizgeräte, zu denen auch Wärmepumpen zählen, 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.

Wärmepumpenanlagen, die geothermische Umgebungswärme über Bohrungen erschließen, müssen bei der unteren Wasserbehörde angezeigt oder genehmigt werden, Bohrungen mit einer Tiefe von über 100 Metern können zusätzliche Genehmigungen erfordern. Die Regelungen und Genehmigungsverfahren für Erdwärmesysteme sind bundeslandspezifisch. Auskunft über die geltenden Vorschriften geben Leitfäden. In den oberen Untergrund eingebundene Systeme wie Erdwärmekollektoren, Energiepfähle und erdberührende Betonbauteile bedürfen in der Regel keiner zusätzlichen Genehmigung.

Die Verordnung (EU) Nr. 517/2014 regelt den Einsatz von Kältemitteln.

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

Beachten Sie unsere Hinweise zur Vermeidung von Lärm durch Luft-Wärmepumpen.

 

Perspektiven

Wärmepumpen haben sich fest im Heizungsmarkt etabliert, hauptsächlich elektrisch angetriebene. Verbesserungsbedarf besteht vor allem bei der Qualitätssicherung bei Installation und Inbetriebnahme, um Wärmepumpen energieeffizient zu betreiben. Die zwar sinkenden, aber nach wie vor hohen CO2-Emissionen der Stromversorgung belasten die Klima- und Umweltbilanz der Elektro-Wärmepumpen. Unabhängig von der Wahl des Heizsystems sollte die erste Priorität darin liegen, den Wärmebedarf eines Hauses zu senken.

Der Einsatz von Wärmepumpen lässt sich vielfältiger gestalten. Es gibt Wärmequellen mit höherer Temperatur, die besser geeignet sind als Außenluft, z.B. Grundwasser und Erdwärme. Wärmepumpen können auch Abwärme (zum Beispiel aus dem Abwasser oder der Abluft) mit hoher Effizienz wieder nutzbar machen. Innovative Konzepte wie Eis- oder Erdwärmespeicher sind vielversprechende Konzepte. Auch für Nahwärmekonzepte kommen Wärmepumpen in Frage: entweder als „kalte Nahwärme“, wo mehrere Wärmepumpen in den einzelnen Häusern installiert sind und sich ein gemeinsames Erdsondenfeld teilen, oder als „klassische“ Nahwärme mit einer zentralen Groß-Wärmepumpe.

Gegenüber allen anderen Heizungssystemen wären effiziente elektrische Wärmepumpen quasi konkurrenzlos beim Heizen von Neubauten und gut sanierten Bestandsbauten, wenn elektrischer Strom auf nachhaltige Weise aus erneuerbaren Energien produziert wird. Umgebungswärme und Wärmepumpen sind unverzichtbarer Bestandteil der Konzepte, um die langfristigen energie- und klimapolitischen Ziele umzusetzen: Ein (nahezu) „klimaneutraler Gebäudebestand“ oder sogar ein „Treibhausgasneutrales Deutschland“ können nur mit einer sehr großen Anzahl an energieeffizienten Wärmepumpen in sehr gut gedämmten Häusern erreicht werden.