Grundlagen/Wärmepumpe

Die Wärmepumpe entzieht einer Umgebungsquelle – Luft, Erdreich, Grundwasser oder Abwärme – Wärme auf niedrigem Temperaturniveau und hebt sie mit einem Kompressorkreislauf auf ein nutzbares Niveau für Heizung und Trinkwarmwasser an. Anders als ein Heizkessel erzeugt sie keine Wärme aus einem Brennstoff, sondern verschiebt vorhandene Umweltwärme unter Einsatz von Strom; wie viel Strom sie dafür braucht, hängt vom Temperaturhub zwischen Quelle und Vorlauf ab und nicht von einer festen Gerätekonstante.

Funktionsprinzip

Ein Kältemittel verdampft auf der kalten Seite bei der Temperatur der Wärmequelle, wird vom Verdichter auf höheren Druck und höhere Temperatur gebracht, gibt die Wärme auf der warmen Seite an Heizung oder Warmwasser ab und entspannt zurück auf das Ausgangsniveau. Wie viel Wärme je eingesetzter Kilowattstunde Strom entsteht – die Leistungszahl (COP) – folgt aus dem Carnot-Grenzwert: Je kleiner der Temperaturhub, desto höher die erreichbare Leistungszahl; reale Maschinen erreichen davon etwa 40 bis 50 Prozent, und als Faustwert kostet jedes Grad höhere Vorlauftemperatur rund 2,5 Prozent Leistungszahl. Hersteller weisen diesen Zusammenhang als Kennfeld aus – Leistungszahl und Wärmeleistung zu jeder Quell- und Vorlauftemperatur. Über das Jahr gemittelt und durch Betriebsweise, Regelung und Speicher beeinflusst, ergibt sich daraus die Jahresarbeitszahl (JAZ) – kein Gerätewert, sondern das Ergebnis des ganzen Systems.

Wärmepumpe mit Wärmequelle, Kreisprozess, Pufferspeicher und Heizkreis; Energieflüsse bei 50 kW Heizlast. Prinzipbild, Beispielwerte gerundet.

Die Heizwärme ist die Summe aus Umweltwärme und Strom, die Leistungszahl COP ist Heizwärme durch Strom. Sie hängt am Abstand zwischen Quelle und Vorlauf: Eine Sole-Wasser-Wärmepumpe am Erdreich arbeitet im Winter mit Sole um 0 °C, eine Luft-Wasser-Wärmepumpe am kältesten Tag mit der kalten Außenluft. Der Pufferspeicher entkoppelt Laufzeit und Bedarf und überbrückt Sperrzeiten.

Beispiel. Ein Gebäude braucht am kältesten Tag (−12 °C) 50 kW. Eine Sole-Wasser-Wärmepumpe mit 35 °C Vorlauf erreicht im Prinzipbild einen COP von rund 4,0: Sie nimmt 12,6 kW Strom auf und 37,4 kW Umweltwärme aus dem Erdreich. Mit der Außenluft als Quelle sinkt der COP auf rund 3,0, mit 55 °C Vorlauf auf 2,7 (Erdreich) und 2,2 (Außenluft).

Leistungszahl über der Quelltemperatur für drei Vorlaufstufen, Betriebslinie mit Heizkurve und Bivalenztemperatur; rechts die Vorlaufwahl über die Heizkurve. Prinzipbild nach dem Carnot-Modell mit Gütegrad 0,45, keine Herstellerkennlinie.

Das Kennfeld nennt COP und Wärmeleistung je Vorlaufstufe an einigen Stützstellen der Quelltemperatur. EPOS-Plan interpoliert dazwischen linear, kappt über der obersten Stützstelle und verlängert unter der untersten, wenn die Projekteinstellung es erlaubt. Mit Anlagenkopplung folgt der Vorlauf der Heizkurve, und die Wärmepumpe rechnet zwischen den zwei Vorlaufstufen, die ihn einschließen. Unter der Bivalenztemperatur schalten Teilparallel- und Alternativbetrieb die Wärmepumpe ab, und der Kessel heizt.

Beispiel. Bei 0 °C Quelltemperatur sinkt der COP im Prinzipbild von rund 4,0 bei 35 °C Vorlauf über 3,2 bei 45 °C auf 2,7 bei 55 °C. Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe mit einer Heizkurve von 55 °C bei −12 °C bis 35 °C bei +10 °C fährt bei 0 °C Außentemperatur 44 °C Vorlauf und erreicht einen COP von rund 3,3, bei +10 °C rund 5,6.

Kennzahlen

Kennzahl	Bedeutung	typischer Bereich
Leistungszahl (COP)	Verhältnis Wärmeleistung zu Stromaufnahme in einem Betriebspunkt	2,5 – 5,0
Jahresarbeitszahl (JAZ)	Wärmeertrag zu Strombedarf über ein ganzes Jahr, Kennzahl des Systems statt des Geräts	3,0 – 4,5
Bivalenzpunkt	Außentemperatur, unterhalb derer ein zweiter Erzeuger oder ein Heizstab benötigt wird	−5 bis 0 °C
Heizstabanteil	Anteil elektrischer Zusatzheizung an der Jahreswärme bei sinnvoller Auslegung	< 5 %

Typische Größen

Einsatzfall	Heizlast	übliche Vorlauftemperatur	Betriebsweise
Einfamilienhaus (Neubau)	6 – 10 kW	30 – 35 °C, Fußbodenheizung	monovalent
Mehrfamilienhaus (Bestand)	40 – 80 kW	45 – 55 °C, Heizkörper	meist bivalent mit Kessel
Gewerbe / Bürogebäude	80 – 150 kW	35 – 45 °C, Flächenheizung	monovalent oder bivalent, oft reversibel

Einsatz und Grenzen

Am wirtschaftlichsten arbeitet eine Wärmepumpe bei niedriger Vorlauftemperatur, also mit Flächenheizung im Neubau oder sanierten Bestand; hohe Vorlauftemperaturen unsanierter Heizkörperanlagen (etwa 70/55 °C) mindern die Leistungszahl deutlich. Die Wahl der Wärmequelle ist ein Kompromiss: Außenluft ist überall verfügbar, liefert aber ausgerechnet an kalten Tagen die schlechtesten Temperaturen; Erdreich und Grundwasser bleiben übers Jahr nahezu konstant, verlangen dafür Erschließung und Genehmigung (siehe Grundlagen/Wärmequelle Erdreich); Abwärme aus Prozessen ist die günstigste Quelle, steht aber nicht überall zur Verfügung. Ob eine Anlage möglichst lange am Stück oder bevorzugt bei verfügbarem Solarstrom läuft, ist eine Frage der Betriebsstrategie und wird je Maschine festgelegt. An sehr kalten Tagen deckt üblicherweise nicht eine überdimensionierte Wärmepumpe die Spitze, sondern ein bivalent zugeschalteter zweiter Erzeuger oder ein Heizstab, mitunter zeitlich begrenzt durch Sperrzeiten des Netzbetreibers. Ein hoher Trinkwarmwasseranteil auf höherem Temperaturniveau lässt sich über eine getrennte Wärmesenke oder ein zweistufiges Booster-Konzept von der eigentlichen Heizung entkoppeln, damit die Hauptmaschine im effizienten Bereich bleibt. Für die Planung solcher Anlagen in Ein- und Mehrfamilienhäusern ist die VDI 4645 die einschlägige Richtlinie.

Luft-Wasser-Wärmepumpe mit Spitzenlastkessel und Pufferspeicher. Prinzipbild, Beispielwerte gerundet.

In EPOS-Plan

EPOS-Plan rechnet die Wärmepumpe mit dem vollständigen Herstellerkennfeld. Im Projekt stellt die Kachel Wärmepumpe der Startseite die Maschinen in der „Wärmepumpen Verwaltung“ aus dem Katalog zusammen; den Katalog pflegt man unter Administration → Wärme- und Kälteerzeugung → Wärmepumpen. In der Verwaltung wählt die Detailansicht unter „Auslegung für Verteilung“ den Vorlauf und damit die Kennlinie, mit der ohne Anlagenkopplung gerechnet wird; Wärmequelle, Wärmesenke, Betriebsmodus und die übrigen Laufparameter stellt die Simulationskonfiguration (Menü Projekt → Simulation…) je Anlage ein. Einbindung, ein durchgerechnetes Beispiel, das Zusammenspiel mit anderen Erzeugern und die Fallstricke stehen auf Programm Dokumentation/Wärmepumpe, Abschnitte Einbindung, Beispiel, Zusammenspiel und Fallstricke; der Rechenweg steht unter Berechnung: Wärmepumpe. Wie die Wärmepumpe mit Anlagenkopplung am gerechneten Vorlauf, mit Sperrzeiten und mit der Übergabegrenze ihrer Einbindung rechnet, erklärt Anlagenkopplung und Regelung.

Siehe auch

Grundlagen/Wärmequelle Erdreich – Erdwärmesonde und -kollektor als Wärmequelle
Grundlagen/Pufferspeicher – Speicher als Wärmequelle und zur Bewirtschaftung
Grundlagen/Anlagenkopplung und Regelung – Heizkreis, Heizkurve, Fahrplan und Übergabegrenze
Erzeuger und Speicher auswählen – der zugehörige Schritt im Programmablauf