Projekt Beschreibung

Umweltwärme nutzbar machen

Eine zentrale Herausforderung für das Gelingen der Energiewende ist der Umbau des Energiesystems im Wärmesektor („Wärmewende“). Derzeit werden in Wien Raumheizung, Warmwasser und Klimaanlagen noch zu 47% mit fossilen Energieträgern (42% Gas, 5% Öl) betrieben. Mit Wärmepumpen können Gebäude umweltschonend beheizt und gekühlt werden. Wärmepumpen beziehen ihre Energie im Schnitt zu etwa 75% aus frei verfügbarer Umweltwärme und können in Verbindung mit Effizienztechnologie einen wesentlichen Beitrag zur Senkung der Treibhausgasemissionen und der Erreichung des österreichischen Klimaziels, bis 2030 ausschließlich erneuerbaren Strom zu verbrauchen, leisten.

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Einfach erklärt

Wärmepumpen beziehen einen großen Anteil der Energie zum Heizen bzw. Kühlen aus der Umwelt. Die gängigsten Wärmequellen sind Luft, Erdreich, Wasser und auch Abwärme. Um die Umweltwärme nutzbar zu machen, benötigen Wärmepumpen Strom. Je nach Art der Wärmepumpe und des Gebäudes kann der Strombedarf sehr unterschiedlich sein.

Eine Wärmepumpe funktioniert im Prinzip wie ein Kühlschrank – nur umgekehrt. Beim Kühlschrank entsteht Abwärme durch den Kühlprozess, bei der Wärmepumpe ist diese Abwärme das gewünschte Endprodukt. Abgekühlt wird das Umweltmedium, also z.B. Luft, Wasser oder Erdreich.

Die Schlüsselrolle spielt ein Kältemittel, beispielsweise Propan. Dieses hat seinen Siedepunkt bei minus 42 Grad Celsius. Das bedeutet, flüssiges Propan ist extrem kalt und kann dazu verwendet werden, der Umgebung Wärme zu entziehen. Dabei erwärmt sich das Kältemittel und wird wieder gasförmig.

Das Kältemittel durchströmt einen geschlossenen Kreislauf und wechselt dabei seinen Aggregatzustand zwischen flüssig und gasförmig.

Der Verdichter ist ein meist elektrisch betriebener Kompressor. Durch die Verdichtung wird die Temperatur auf das gewünschte Niveau angehoben.

Anschließend gibt das erhitzte Kältemittel seine Wärme über einen Wärmetauscher an das Heizsystem ab. Das Heizungswasser bzw. das Warmwasser werden bereitet. Dabei sinkt die Temperatur des Kältemittels und es verflüssigt sich wieder. Diese Verflüssigung ist möglich, da dieser Teil des Prozesses dank des Kompressors unter hohem Druck stattfindet. Der Siedepunkt des Kältemittels ist hier weitaus höher.

Das Expansionsventil sorgt dafür, dass der Druck wieder abgebaut wird. Dabei kühlt das Kältemittel stark ab und kann so erneut Umweltwärme aufnehmen.

Als Kältemittel werden überwiegend teilfluorierte Kohlenwasserstoffe (HFKW) verwendet. Nachteil ist aber, dass sie bei der Entsorgung oder Entweichung ein hohes Treibhauspotential aufweisen. Somit sind sie bis zu mehrere tausend Mal klimaschädlicher als CO2. Aus diesem Grund sollen HFKW-Kältemittel schrittweise aus Kälteanlagen verbannt werden. So gilt besonders das Kältemittel R290 (Propan) als zukunftssicherer Ersatz für HFKW-Kältemittel. Auch die natürlichen Stoffe Ammoniak (NH3) oder Kohlendioxid (CO2) kommen als Alternativen infrage. Für private Anwendungszwecke dienen letztere aber nur bedingt.

Eine Wärmepumpe kann vielerlei Quellen nutzen. Im Wesentlichen handelt es sich dabei um Sonnenenergie, die Wasser, Luft oder die Erde oberflächennah erwärmt hat, oder Wärme aus dem Erdinneren. Erdwärme kann durch Tiefenbohrungen entnommen werden. Auch die Abwärme von Produktionsprozessen und technischen Anlagen (wie z.B. Serverräume), die Abwärme aus Lüftungsanlagen oder Abwasser können mit einer Wärmepumpe genutzt werden.

Grundsätzlich gilt: Je kleiner die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Heizungssystem ist, desto weniger Energie wird verbraucht.

  • Außenluft ist eine Wärmequelle, die überall verfügbar ist. Allerdings ist die Effizienz bei tiefen Außentemperaturen, also wenn die größte Heizleistung erforderlich ist, am geringsten. Bei der Außenaufstellung ist auf die Geräuschentwicklung bei der Luftansaugung zu achten.
  • Erdreich: Bei einem Erdkollektor werden Rohre in 100 bis 150 cm Tiefe im Erdreich verlegt und mit der Wärmepumpe verbunden. Die notwendige Fläche hängt von der benötigten Heizleistung und der Bodenbeschaffenheit ab. Je besser der thermische Standard des Gebäudes ist, desto weniger Fläche wird für den Flachkollektor benötigt. Als Orientierungswert kann mit einer Kollektorfläche von etwa 25 m² pro kW Heizleistung oder das 1 ½ bis 3-fache der beheizten Wohnfläche gerechnet werden.
  • Mit einer Erdwärmesonde wird das Erdreich bis zu einer Tiefe von etwa 300 m thermisch genutzt. Die Erdwärme wird durch Sonden entzogen und der Wärmepumpe zugeführt. Als grober Richtwert für die Länge der Erdwärmesonden kann mit ca. 25 m pro kW Heizleistung gerechnet werden.
  • Grundwasser: Wasser eignet sich auch im Winter gut als Wärmequelle, da Grundwasser eine konstante Temperatur von 7 °C bis 12 °C hat. Um Grundwasser für die Wärmepumpe zu nutzen, wird es über einen Förderbrunnen entnommen und zum Verdampfer der Wärmepumpe transportiert. Das abgekühlte Wasser wird über einen Schluckbrunnen zurück ins Erdreich geleitet. Vor der Nutzung ist eine wasserrechtliche Bewilligung einzuholen.

Im Raum Wien herrschen besonders günstige Bedingungen für die Nutzung von Grundwasser sowie oberflächennaher Erdwärme für Energiezwecke. Der Erdwärmepotentialkataster gibt über mögliche Anlagen-Standorte einen Überblick.

Bei vielen Wärmepumpen wird die aus einem Medium aufgenommene Wärme zunächst beispielsweise auf eine Sole (eine frostgeschützte Wärmeübertragerflüssigkeit) übertragen und in einem weiteren Wärmeübertrager auf das Kältemittel. Das verursacht aber einen Temperaturverlust von einigen Grad.

Die Direktverdampfung ermöglicht eine höhere Energieeffizienz. Bei der Direktverdampfung fließt das Kältemittel also direkt z.B. durch eine entsprechend konstruierte Erdwärmesonde (die Erdwärmesonde ist der Verdampfer).

Bei Luft/Wasser-Wärmepumpen wird meistens die Direktverdampfung genutzt, bei Erdwärmesonden und Erdregistern dagegen eher selten, da ein Austritt des Kältemittels problematisch wäre.

Brauchwasserwärmepumpen dienen der Bereitstellung von Warmwasser und haben keine Heizungsfunktion. Sie verfügen über einen eigenen Wasserspeicher, der typischerweise ein Fassungsvermögen von etwa 300 Litern hat. Meist kommt Umgebungswärme zum Einsatz, die z.B. durch einen Heizkessel oder elektrische Geräte in Kellerräumen entsteht, die oft ungewollt passiv beheizt werden.

Eine Brauchwasserwärmepumpe kann andere Methoden der Warmwasserbereitung ergänzen oder sie ersetzen. Konventionelle Heizungsanlagen mit Verbrennungskessel, die über einen kombinierten Warmwasser- und Heizspeicher verfügen, können im Sommer abgeschaltet werden, wenn die Wärmepumpe die Warmwasserversorgung übernimmt. Dadurch können die Energiekosten spürbar gesenkt werden, weil Kesselheizungen mit sehr schlechtem Wirkungsgrad arbeiten, wenn sie im Sommer nur gering ausgelastet sind.

Optimale Voraussetzung für den Einsatz einer Wärmepumpe bieten Niedertemperaturheizungssysteme (Vorlauftemperatur meist zwischen 28 und 35 Grad Celsius). Die Niedertemperaturheizungssysteme können als Fußbodenheizung, Deckenheizung oder Wandheizung ausgeführt werden. Vor allem im Neubau ist die Bauteilaktivierung eine Möglichkeit, mit einem Niedertemperatursystem auch die Speichermasse des Gebäudes zu nutzen.

Auch in bestehenden Bauten ist Heizen mit niedrigen Vorlauftemperaturen auf verschiedene Arten möglich: Nach einer thermischen Sanierung können vorhandene Heizkörper mit niedrigerer Temperatur betrieben oder Heizungsrohre direkt in den Estrich oder in den Wandputz eingearbeitet werden.

Aktive Kühlung: Ist eine hohe und individuell regelbare Kühlleistung erwünscht, empfiehlt sich die aktive Kühlung (active cooling). Das Funktionsprinzip der Aufnahme von Wärme aus der Umwelt und die Abgabe an das zu beheizende Gebäude wird in diesem Fall umgedreht und gleicht damit einem Kühlschrank. Die Wärmepumpe muss dazu mit einem reversierbaren bzw. umkehrbaren Kältekreislauf ausgerüstet sein. Der ursprüngliche Verdampfer wird zum Verflüssiger und der Verflüssiger wird zum Verdampfer. An Hitzetagen nimmt die Wärmepumpe die überschüssige Raumwärme auf und kühlt sie über den Verdichter ab. Wird ein zusätzlicher Wärmeübertrager installiert, lässt sich die entstehende Abwärme effizient nutzen, beispielsweise zur Trinkwassererwärmung.

Passive Kühlung (Temperierung): Bei passiven oder natürlichen Kühlungen (free cooling), nutzen erdgekoppelte Wärmepumpen die niedrige Temperatur des Erdreichs oder des Grundwassers zur Klimatisierung. Der Verdichter der Wärmepumpe ist dabei nicht in Betrieb, was die Stromkosten senkt. Nur die Umwälzpumpen im Quellen- und Kühlkreis arbeiten. In der Regel können Räume damit um rund 2 bis 5 Grad Celsius gekühlt werden. Die passive Kühlung profitiert davon, dass die Temperatur in der Erde ab einer Tiefe von 15 m ganzjährig bei rund zehn Grad Celsius liegt. Im Sommer stellt das Erdreich damit einen Kältespeicher und im Winter eine Wärmequelle dar.
Bei einzelnen Systemen – vor allem bei Kombinationen mit Tiefensonden – ist die Nutzung der passiven Kühlung obligatorisch zur Regeneration des Erdreiches.

Auch eine Kombination von aktiver und passiver Kühlung ist möglich: So empfiehlt es sich, bei geringerem Kühlbedarf zunächst die energiesparende passive Kühlung zu nutzen und bei größerer Hitze auf die aktive Kühlung umzuschalten.

Um die Energieeffizienz und die Qualität einer Wärmepumpe beurteilen zu können gibt es verschiedene Kennzahlen:

  • Die Jahresarbeitszahl (JAZ) kann im Betrieb ermittelt werden, wenn ein Wärmezähler und ein Stromzähler vorhanden sind. Sie gibt das Verhältnis zwischen produzierter Wärmemenge und Stromverbrauch einer Wärmepumpenheizung über das Jahr an. JAZ 4 bedeutet: aus einem Teil Strom bekomme ich vier Mal so viel Wärme (z.B. aus 5.000 kWh Strom bekomme ich 20.000 kWh Wärme). Die JAZ kann auch vorab errechnet werden, wobei aber auch Angaben über das Gebäude erforderlich sind.
  • Die Leistungszahl COP (Coefficient of Performance) bezieht sich ausschließlich auf die Wärmepumpe, nicht aber auf das gesamte Heizungssystem. Man misst den Coefficient of Performance unter Laborbedingungen und setzt dabei für verschiedene Typen von Wärmepumpen standardisierte Bedingungen an, z.B. Außentemperatur 7 °C, Wassertemperatur 35 °C.  Sie ist geeignet, um verschiedene Wärmepumpenfabrikate zu vergleichen.
  • SCOP steht für „Seasonal Coefficient of Performance“ und ermittelt die Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpe innerhalb verschiedener Betriebszustände, die nach Klimazonen gewichtet sind. Dabei werden für den Heizbetrieb die Außentemperaturen 12°, 7°, 2° und –7°C für die Messung herangezogen.

Die JAZ verhält sich zur COP und zum SCOP wie der tatsächliche Verbrauch eines Autos zum angegebenen Normverbrauch. Sie können erheblich voneinander abweichen.

Förderungsfähig sind in Wien:

  • Wasser/Wasser-Wärmepumpen für Raumheizung und Warmwasserbereitung
  • Sole/Wasser-Wärmepumpen für Raumheizung und Warmwasserbereitung z. B. mittels Tiefsonde(n), Horizontal-Kollektor
  • Luft/Wasser-Wärmepumpen für Raumheizung und Warmwasserbereitung ausschließlich im Rahmen von Dachgeschossausbauten oder einem Heizungstausch in einem bestehenden Gebäude

Nachstehende Grafik visualisiert den Aufbau einer Wärmepumpe.

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