Wärmepumpe: Prinzip, Funktionsweise und Grenzen

Teil 2 der Reihe „Energiewende und Wärmepumpe“

Zusammenfassung

Die grundsätzliche Wirkungsweise von Wärmepumpen wird erläutert. Dazu wird der COP-Wert als der wichtigste Effizienzfaktor von Wärmepumpen eingeführt und es werden die theoretisch möglichen und die in der Praxis erreichbaren Effizienzwerte abgeleitet und mit aktuellen Studien verglichen.

Heizen mit Wärmepumpe – der Carnot-Prozess

Das Prinzip der Wärmekraftmaschine ist bekannt: Die in einem Trägermedium mit hoher Temperatur enthaltene thermische Energie wird aufgenommen und zum Teil in Bewegung (mechanische Energie) umgewandelt. Dabei kühlt sich das Medium ab. Die verbleibende Restwärme wird an die Umwelt abgegeben. Ausgeführt als Kreislaufprozess kann so kontinuierlich aus Wärme Bewegung erzeugt werden. Diesem Vorgang liegt der Carnot-Prozess zugrunde. In einer Wärmepumpe wird dieses physikalische Prinzip umgekehrt: Die eingesetzte mechanische Energie wird dazu verwendet, Wärmeenergie aus der Umgebung an ein Trägermedium zu übertragen. Die aufgenommene thermische Energie wird anschließend zielgerichtet abgeleitet (also z.B. für die Erwärmung von Wasser benutzt), dabei kühlt sich das Trägermedium wieder ab. Danach kann der Prozess unter erneutem Einsatz von mechanischer Energie wiederholt werden. Es ist auch hier ein Kreislaufprozess.

Abbildung 2-1: Prinzip der Wärmepumpe als Umkehrung der Wärmekraftmaschine (Carnot-Kreisprozess)

Abhängig vom dafür eingesetzten Trägermedium ist es mit der Wärmepumpe im Grundsatz möglich, bei nahezu jeder Temperatur der Umwelt thermische Energie zu entziehen und diese zur Aufheizung eines zu verwenden. Dazu muss man sich vergegenwärtigen, dass z.B. auch Außenluft mit einer Temperatur von unter Null Grad Celsius noch Wärmeenergie enthält. Der Bezugspunkt dafür ist der absolute Nullpunkt von -273 °C = Null Grad Kelvin. Bei 250 Grad Kelvin (= -23 °C) enthält ein Stoff erheblich mehr thermische Energie als bei 200 °K (= -73 °C). Wenn ihm diese entzogen wird, so kann sie prinzipiell an anderer Stelle zum Aufheizen verwendet werden. Erst beim absoluten Nullpunkt ist die thermische Energie null.

Es ist daher auch ohne Weiteres durchführbar, der kalten Außenluft, die z.B. im Winter deutlich unter 0 ° Celsius liegen kann, Wärmeenergie zu entziehen und diese als Heizquelle zu verwenden.

Grundsätzliches zur Effizienz von Wärmepumpen

Die Effizienz der Wärmeerzeugung hängt ab vom verwendeten Trägermedium (typischerweise ein Gas mit einer niedrigen Verdampfungstemperatur, z.B. Propan), der Umwelttemperatur und der Zieltemperatur der Heizwärme. Je höher die Temperatur der Umwelt und je niedriger die gewünschte Heiztemperatur, desto größer der Effizienzfaktor der Wärmepumpe, meist Coefficient of Performance (COP) genannt. Theoretisch sind COP-Werte von bis zu 10 möglich. Aufgrund von unvermeidlichen Verlusten werden in der Praxis Werte von etwa 2 (niedrige Außentemperatur, hohe Heiztemperatur, z.B. bei der Brauchwassererwärmung) bis 5 (hohe Außentemperatur, niedrige Heiztemperatur, z.B. Fußbodenheizung) erreicht.

Grundsätzlich kann der Effizienzfaktor (COP) im zugrundeliegenden Carnot-Prozess wie folgt bestimmt werden:

\begin{equation} COP = \frac{T_{H}} {T_{H} – T_{U}} \end{equation}

Dabei ist z.B. \(T_H\) die Temperatur im Heizkreis (Vorlauftemperatur) und \(T_U\) die Umwelttemperatur. Man sieht hier unmittelbar: Je kleiner die Temperaturdifferenz zwischen Heizkreis und Umwelt, desto größer der Effizienzfaktor. Die Temperaturen sind hierbei in Kelvin anzugeben.

Abbildung 2-2: Prinzip der Wärmepumpe: Aus Umweltwärme wird unter Einsatz von mechanischer Arbeit (elektrische Antriebsenergie) Heizwärme. Die Effizienz der Wärmeerzeugung hängt ab vom verwendeten Trägermedium (typischerweise ein Gas mit einer niedrigen Verdampfungstemperatur, z.B. Propan), der Umwelttemperatur und der Zieltemperatur der Heizwärme. Je höher die Temperatur der Umwelt und je niedriger die gewünschte Heiztemperatur, desto größer der Effizienzfaktor COP.

Es ist daher auch ohne Weiteres durchführbar, der kalten Außenluft, die z.B. im Winter deutlich unter 0° Celsius liegen kann, Wärmeenergie zu entziehen und diese als Heizquelle zu verwenden.

Haben Wärmepumpen einen Wirkungsgrad von mehr als 100 %?

Da man aus dem Einsatz von 1 kWh Strom teilweise 3 oder 4 kWh Wärmeenergie erhält, scheint der Wirkungsgrad der Wärmepumpe größer als 1 zu sein, sogar deutlich größer als 1. Manchmal liest man daher, der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe liege bei 300 oder 400 Prozent. Das ist Unsinn. Rein physikalisch ist auch der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe, wie der eines jeden technisch-physikalischen Systems, auf jeden Fall kleiner als 1 (also <100 %), weil in die Energiebilanz auch die der Umwelt entnommene Wärmeenergie einbezogen werden muss. Der COP-Wert darf nicht mit dem Wirkungsgrad verwechselt werden. Er beschreibt lediglich das Verhältnis zwischen der erhaltenen Heizwärme und der investierten elektrischen Energie.

Realistische COP-Faktoren

Mit der oben angegebenen Formel wird indes nur eine theoretische Effizienz bestimmt. In der Praxis gibt es eine Reihe von Verlusten, so dass der tatsächliche COP-Faktor sogar unter Laborbedingungen den Wert

\begin{equation} COP = \eta \cdot \frac{T_{H}}{T_{H} – T_{U}} \end{equation}

in der Regel nicht übersteigt, wobei \(\eta \approx 0.35 \dots 0.5 \).

Wenn man die Temperaturen in Celsius angibt, lautet die Formel wie folgt:

\begin{equation} COP = \eta \cdot \frac{273 + T_{H}}{T_{H} – T_{U}} \end{equation}

Unter günstigen Bedingungen, also bei vergleichsweise hohen Umwelttemperaturen und niedrigen Vorlauftemperaturen im Heizkreis, werden COP-Werte über 4 erzielt. Um vier Kilowattstunden Heizwärme zu erzeugen, muss dann nur eine Kilowattstunde elektrische Energie eingesetzt werden. Anders sieht es aus, wenn die Umwelttemperaturen niedrig (unter null Grad Celsius) und die erforderlichen Heizkreis-Vorlauftemperaturen hoch sind. Letzteres ist dann der Fall, wenn mit klassischen Radiatoren geheizt wird und der Wärmebedarf (z.B. bei vielen Gebäuden im Bestand) eher höher anzusetzen ist. Dann muss man mit COP-Werten zwischen 2 und 3 rechnen.

In Abb. 2-3 ist der prinzipielle Zusammenhang zwischen Außentemperatur und COP-Wert dargestellt.

Abbildung 2-3: Theoretisch möglicher und praktisch erzielbarer Effizienzfaktor COP in Abhängigkeit von der Umwelttemperatur. Dabei wurde eine Heizkreisvorlauftemperatur von 40 °C bei 0 °C und 45 °C bei -10 °C Außentemperatur zugrunde gelegt. Der blau verschwommene Bereich um die durchgezogene Kurve soll die Schwankungsbreite der real erzielbaren COP-Werte symbolisieren.

Der Einfluss der Heizkreistemperatur

Neben der Außentemperatur hat insbesondere auch die Zieltemperatur – im Falle der Heizung also die Vorlauftemperatur – einen maßgeblichen Einfluss auf die resultierenden COP-Werte. In Abb. 2-4 wird das exemplarisch für drei unterschiedliche Vorlauftemperaturen aufgezeigt.

Abbildung 2-4: Praktisch erzielbare Effizienzfaktoren COP in Abhängigkeit von der Umwelttemperatur und unterschiedlichen konstanten Vorlauftemperaturen im Heizkreis. Der farblich verschwommenen Bereiche um die durchgezogenen Kurven sollen die Schwankungsbreite der real erzielbaren COP-Werte symbolisieren. Man erkennt dennoch unschwer, dass eine Vorlauftemperatur von 65 °C höchst ineffizient ist. Dabei tritt dieser Fall bei der Warmwasseraufbereitung durchaus auf. Aber auch eine Vorlauftemperatur von 50 °C ist bei den üblicherweise zu erwartenden Wintertemperaturen von unter 0 °C kaum wirklich günstig zu nennen, da der resultierende COP-Faktor unter 3 fällt.

Effizienz von Wärmepumpen in der Praxis

Nachfolgend werden die typischerweise erreichten COP-Werte für die drei diskutierten Vorlauftemperaturen übersichtlich in einem Säulendiagramm dargestellt. Im konkreten Falle können die tatsächlichen COP-Werte davon abweichen. Das hängt von der jeweiligen Wärmepumpe und vom Aufstellungsort ab. Als Orientierung können die Werte dennoch dienen.

Abbildung 2-5: Praktisch erzielbare Effizienzfaktoren in Abhängigkeit von der Umwelttemperatur und unterschiedlichen konstanten Vorlauftemperaturen im Heizkreis. Man erkennt unschwer, dass die hohe Vorlauftemperatur T_V von 65 °C ein Effizienzkiller ist. Aber auch bei einer Heizkreistemperatur von 50 °C und Außentemperaturen von unter 0 °C erreicht man bei niedrigen Außentemperaturen kaum COP-Werte über 3. Auf der anderen Seite erweist sich die niedrige Vorlauftemperatur von T_V = 35 °C, wie man sie in Verbindung mit einer Fußbodenheizung regelmäßig antrifft, noch bis hinunter zu einstelligen Minustemperaturen als sehr effizient.

Vergleich mit Ergebnissen aus Studien

Dazu sei an dieser Stelle auf die aktuelle Studienlage zu den in der Praxis erzielbaren Effizienzfaktoren von Luft-Wasser-Wärmepumpen hingewiesen. Vom Fraunhofer-Institut für Bauphysik (IBP) nennt eine Studie aus 2017 COP-Werte von 1,9 – 3,3 mit einem Mittelwert von 2,6 (s. Zukunft Bau: Effizienz von Wärmepumpen). Davon nicht gänzlich verschieden berichtet eine Studie von Agora Energiewende 2022 (s. A-EW_273_Waermepumpen_WEB.pdf (agora-energiewende.de) Werte von 2,5 – 3,8 mit einem Mittelwert von 3,1. Durchgeführt wurde diese Studie von Fraunhofer ISE und dem Öko-Institut e.V. In älteren Studien (s. WP-Bericht-2006-07 (pro-dx.de)) wurden eher geringere Werte gemessen, z.B. COP 2,1 – 3,3 mit einem Mittelwert von 2,8 beim Betrieb mit Fußbodenheizung (also niedriger Vorlauftemperatur) und 1,4 – 2,8 mit einem Mittelwert von 2,3 beim Betrieb mit Radiatoren, also klassischen Heizkörpern (und damit höherer Vorlauftemperatur).

Anmerkung: Da diese Studien vornehmlich eher von Lobbyverbänden und ihnen nahestehenden Instituten durchgeführt wurden, stehen die Ergebnisse nach Ansicht des Autors nicht im Verdacht einer ausgesprochen negativen Berichterstattung. Jedenfalls darf bzw. muss man wohl davon ausgehen, dass die tatsächlichen COP-Faktoren in Bestandsgebäuden im Mittel kaum über den in den Studien genannten Werten liegen werden.

Diskussion zu den COP-Faktoren

Wie man Abb. 2-5 entnehmen kann, ist die Wärmepumpe bei hohen Außentemperaturen sehr effizient. Mit einem geringen Einsatz an elektrischer Energie erzielt man hohe Wärmeleistungen. Aber natürlich benötigt man eine Heizung vor allem dann, wenn es kalt ist. Sofern der Heizkreis auf niedrige Vorlauftemperaturen ausgelegt ist (z.B. Fußbodenheizung), sind für das Heizen mit Wärmepumpe auch Frosttage mit Temperaturen bis -10 °C und darunter kein ernsthaftes Problem. Anders sieht es aus bei hohen Vorlauftemperaturen, wie das bei Gebäuden im Bestand und klassischen Radiator-Heizungen zu erwarten ist. Bei Temperaturen unter -10 °C und Vorlauftemperaturen von 50 °C und mehr sinkt die Wärmepumpen-Effizienz schnell unter die klimapolitisch sinnvolle Schwelle von COP = 3, entsprechend steigen die Betriebskosten. Glücklicherweise sind solche niedrigen Temperaturen nur selten zu erwarten (in Deutschland regional unterschiedlich mit etwa 1 % Wahrscheinlichkeit [2 – 5 Tage pro Jahr]).

Bei der Bewertung der Effizienzfaktoren aus Abb. 2-5 muss man noch berücksichtigen, dass der größte Wärmebedarf eben bei niedrigen Außentemperaturen anfällt, so dass bei der gewichteten Mittelwertbildung übers Jahr gerade die niedrigeren COP-Werte das Gesamtergebnis stark beeinflussen. Die bei den hohen Außentemperaturen sehr günstigen COP-Faktoren von 3,5, 4,5 oder 6 klingen gut, sind in der Gesamtbetrachtung aber eher von nachrangiger Bedeutung, weil bei höheren Temperaturen von 10 °C und mehr nur ein geringer Teil der erforderlichen Jahresheizwärme erzeugt werden muss. Allenfalls kann die ganzjährig nötige Warmwasseraufbereitung davon profitieren.

Wie steht’s mit der Wirtschaftlichkeit?

Verglichen mit einer reinen Elektroheizung ist gewiss jeder COP-Wert über 1 von Vorteil. Aber: Die absehbaren Betriebskosten liegen dann schnell in Bereichen über den Kosten für die klassischen fossilen Energieträger Öl, Gas und Holz (Pellets) – und dies bei nicht unerheblichen Investitionen für die Installation der Wärmepumpe. Dieser Themenkreis wird im Hinblick auf Erdgas als Energieträger in den Teilen 4 und 5 näher beleuchtet.

Bereits an dieser Stelle kann man aber Folgendes vorwegnehmen: Bei energetisch nicht sanierten Bestandsgebäuden mit klassischen Radiator-Heizungen und hohen Vorlauftemperaturen ist der Einsatz einer Wärmepumpe im Allgemeinen unwirtschaftlich, weil die Betriebskosten absehbar höher liegen als bei den alternativen Heizsystemen. Mittels einer durchgreifenden energetischen Sanierung kann man die Effizienz steigern und damit die Heizkosten deutlich senken, allerdings können die dafür erforderlichen hohe Zusatzinvestitionen leicht einige 10.000 € ausmachen und teilweise gar sechsstellig werden. Und wenn dabei die Strompreise im Vergleich zum heutigen Niveau nicht erheblich nachgeben, dann ist es fraglich, ob sich die Investitionen überhaupt je amortisieren werden. Mehr dazu in Teil 4.

Ausblick auf Teil 3

Wir betrachten die zu erwartenden CO2-Emissionen von Luft-Wasser-Wärmepumpen im Bestand anhand einer Modellrechnung auf Basis realer Verbrauchwerte mit und ohne Photovoltaik. Es wird die Frage beantwortet: Was bringt das Heizen mit Wärmepumpe gegenüber dem Heizen mit Gas an CO2-Einsparung? Neben der grundsätzlichen Analyse wird eine bespielhafte Modellrechnung für ein Bestandsgebäude (Baujahr 2000) durchgeführt.

Link: CO2-Emissionen von Gasheizung und Wärmepumpe – Vergleich für ein Bestandsgebäude