Ausgabe 13 - Optimierung von Wärmepumpen - Teil 1
Mach es selbst, weil es sonst niemand macht.
Auf mehrfachen Wunsch überarbeite ich eine frühere Ausgabe meines Blogs zur Optimierung von Wärmepumpen und übersetze sie ins Deutsche.
In diesem Teil beginne ich mit den Grundlagen. Das ist trockener Stoff, aber es ist wichtig zu verstehen, an welchen Stellschrauben Sie drehen müssen, um Ihre Wärmepumpe möglichst effizient zu betreiben. In späteren Folgen werde ich immer wieder auf die Kapitel in dieser Ausgabe verweisen.
Vorausschicken möchte ich, dass dieser Blog bewusst einfach gehalten ist, damit er auch für Interessierte Laien verständlich bleibt. Deshalb nutze ich einige Vereinfachungen, die mir Profis hoffentlich nachsehen.
Warum Wärmepumpen?
Beginnen möchte ich mit einer grundlegenden Betrachtung, warum Wärmepumpen ein wichtiger Baustein bei der Dekarbonisierung des Gebäudesektors darstellen.
Wärmepumpen sind effizient. Um diesen Punkt darzulegen, nachfolgend ein Vergleich der Energieströme einer Wärmepumpe mit einer fossilen Heizung. Zur Vergleichbarkeit auf dieselbe Primärenergiequelle Erdgas bezogen.
Zunächst werden Sie sich vielleicht fragen, wie eine Gastherme einen Wirkungsgrad von 110% haben kann, aber in diesem Vergleich ist es tatsächlich so. Energieträger haben einen Heizwert und einen Brennwert, die Differenz steckt im Wasserdampf, der Teil des Abgases ist. Für weitere Details, siehe hier.
Eine moderne Gastherme kann durch Kondensation des Wasserdampfs im Abgas diese Energie nutzen. So kommen die 110% bezogen auf den Heizwert zustande. Man nennt diese Geräte deshalb auch Brennwertkessel.
Ein GuD-Kraftwerk nutzt nur den Heizwert. Trotzdem zeigt obige Grafik, dass es effizienter ist Gas in einem GuD-Kraftwerk zu verbrennen und mit dem Strom eine Wärmepumpe zu betreiben, als das Gas direkt zu verbrennen. Wärmepumpen sind also vergleichsweise effizient.
Dazu noch einige Anmerkungen.
In der Praxis gibt es verschiedene Kraftwerke im Stromnetz. Darunter solche mit hohen CO2-Emissionen (z.B. Braunkohle) und solche mit geringen CO2-Emissionen (z.B. Solar & Wind). Der Mix ändert sich zudem je nach Jahreszeit und Wetter. Eine weitergehende Betrachtung dieses Aspekts ist nicht Bestandteil dieses Blogs.
Das obige Beispiel zeigt die Hebelwirkung einer Wärmepumpe, ausgedrückt durch die Arbeitszahl. Ziel dieses Blogs ist es, Ihnen verehrte Leser, das Wissen und die Tricks zu vermitteln die Arbeitszahl Ihrer Wärmepumpe zu verbessern. Das führt direkt zu einer Verringerung Ihrer CO2-Emissionen und Ihrer Heizkosten.
Die in sozialen Medien gerne geteilte Behauptung Wärmepumpen wären “dreimal so effizient wie eine Gasheizung” ist falsch. Solche Vergleiche machen nur dann Sinn, wenn man die ganze Kette betrachtet.
Die Wärmepumpe im Betrieb.
In diesem Text werde ich mich aus Gründen der Einfachheit im Wesentlichen auf Luft-Wasser-Wärmepumpen in Kombination mit einer Fußbodenheizung konzentrieren. Das Prinzip lässt sich aber meistens auch auf Sole-Wasser bzw. Wasser-Wasser-Wärmepumpen und eingeschränkt auch auf Anlagen mit Heizkörpern übertragen.
Stark vereinfacht funktioniert eine Luft-Wasser-Wärmepumpe mit Fußbodenheizung wie nachfolgend gezeigt.
Die Wärmepupe schöpft Umweltwärme aus der Umgebungsluft, die in diesem Beispiel eine Temperatur von 8°C hat. Wie genau das funktioniert können Sie hier nachlesen.
Um den Wärmefluss in den Innenraum anzutreiben, muss der Fußboden eine etwas höhere Temperatur als die Raumluft haben. Die eigentlich Fußbodenheizung sind im Estrich eingelassene Wasserrohre unter dem Fußboden. Die Temperatur des einfließenden Wassers nennt man Vorlauftemperatur - der wichtigste Parameter in diesem Zusammenhang, weshalb sie diesen Begriff immer wieder hören werden.
Ein Thermostat sorgt dafür den Wasserfluss stoppen, sollte es im Innenraum zu warm werden. Es gibt auch elektronische Systeme, z.T. mit SmartHome-Anbindung. Im weiteren Verlauf diesen Blogs werde ich darauf eingehen, dass es noch viel smarter ist auf diesen Thermostat ganz zu verzichten.
In dem gezeigten Beispiel muss die Wärmepumpe die Umgebungswärme von 8°C auf 30°C, also um eine Differenz von 22°C, anheben. Dafür benötigt sie Strom. Je höher die Differenz ist, desto mehr Strom benötigt die Wärmepumpe dafür. Das Ziel jeder Optimierung ist es deshalb, diese Temperaturdifferenz so klein wie möglich zu halten.
Nun können wir die Außentemperatur leider nicht ändern. Das Ziel ist deshalb, die gewünschte Raumtemperatur mit einer möglichst niedrigen Vorlauftemperatur zu erreichen.
Vorgeschrieben, aber verzichtbar - der Thermostat.
In Deutschland ist es Vorschrift Räume mit einer “Einzelraumregelung” auszurüsten. Wie oben erwähnt, werde ich später beschreiben, warum es Sinn macht auf sie zu verzichten, aber nehmen wir zunächst mal an sie sind in Funktion um ihre Aufgabe zu verstehen.
Nachfolgendes Beispiel zeigt einen beheizten Raum, aber diesmal scheint die Sonne durch die Fenster und heizt den Raum zusätzlich auf.
Der Thermostat soll in diesem Fall den Wasserfluss unterbrechen, indem er das Ventil schließt. Dadurch wird der Raum nicht weiter beheizt, bis die Temperatur wieder auf den gewünschten Wert sinkt.
Der Thermostat hat also insbesondere die Aufgabe die Temperatur eines Raums zu begrenzen, wenn er durch zusätzliche Wärmequellen wie die Sonne oder auch einen Herd erwärmt wird.
Mit einer Wärmepumpe als Wärmequelle sollte man Thermostate niemals dazu benutzen die Raumtemperatur aktiv zu regeln. Stattdessen sollten die Ventile immer offen sein und die Raumtemperatur ausschließlich durch die Vorlauftemperatur geregelt werden.
Im weiteren Folgen dieser Blog-Reihe werde ich darlegen, wie man die Vorlauftemperatur so eingestellt, dass man im Idealfall auf die Thermostate verzichten kann.
Alles unterschiedlich - der Hydraulischer Abgleich.
Ein reales Haus hat mehrere Zimmer, die unterschiedlich groß sind, unterschiedliche Fensterflächen haben und ggf. größere Außenwände haben. Deshalb müssen sie unterschiedlich stark beheizt werden.
Wie im vorherigen Abschnitt beschrieben, sollen die Ventile aber stets offen sein und in die Fußbodenheizung aller Räume fließt das Wasser immer mit der gleichen Vorlauftemperatur. Um die Räume trotzdem unterschiedlich stark zu beheizen, dient der hydraulische Abgleich.
Dazu werden die Ventile bzw. Zuleitungen so eingestellt, dass in die Räume ein unterschiedlich großer Volumenstrom fließt, der genau so bemessen ist, dass jedes Zimmer gerade ausreichend beheizt wird. Durch ein großes Zimmer fließt also mehr Wasser als durch ein kleines.
Den Vorgang die notwendige Heizleistung für alle Räume zu berechnen und einzustellen nennt man hydraulischer Abgleich. Er ist die Voraussetzung dafür um ein Haus mit der minimale möglichen Vorlauftemperatur und damit so effizient wie möglich zu beheizen.
Jetzt wird’s kalt - die Heizkurve.
Sinkt die Außentemperatur, muss die Wärmepumpe mehr Wärme ins Haus fördern, um die Innentemperatur auf dem gewünschten Wert zu halten. Dazu wird zunächst der Volumenstrom erhöht, also das Wasser im Heizkreislauf schneller durch das Haus gepumpt.
Das allein genügt aber nicht um das Haus ausreichend zu heizen. Zusätzlich hebt die Wärmepumpe auch die Vorlauftemperatur an, wodurch mehr Wärme übertragen wird.
Bei dieser Anhebung der Vorlauftemperatur misst die Wärmepumpe über einen Sensor die Außentemperatur und folgt dann einer Art Programm, der sogenannten Heizkurve.
Die Heizkurve gibt vor, bei welcher Außentemperatur die Wärmepumpe welche Vorlauftemperatur fahren soll. Die hier gezeigte, beispielhafte Heizkurve, gibt bei einer Außentemperatur von +8°C eine Vorlauftemperatur von +30°C vor (erstes Beispiel ganz oben), bzw. bei -5°C Außentemperatur eine Vorlauftemperatur von +34°C. Bei kälteren Außentemperaturen wird also mit einer höheren Temperatur geheizt.
Die Heizkurve ist sehr individuell vom Gebäude abhängig, kann deshalb an dieses angepasst werden und ist das wichtigste Instrument, um die Effizienz einer Wärmepumpe zu beeinflussen.
Im Idealfall ist die Heizkurve so eingestellt, dass alle Räume bei geöffneten Thermostaten gerade so warm werden wie gewünscht und nicht wärmer. In der zweiten Folge dieser Blog-Reihe, wird es ausführlich darum gehen, wie man sich diesem Idealfall nähert.
Genau betrachtet - die Spreizung.
Zuletzt noch ein Abschnitt mit einer genaueren Betrachtung der Temperaturen in einer Fußbodenheizung.
Eine Fußbodenheizung besteht im Wesentlichen aus einer Rohrleitung, die in der Regel in den Estrich eingebettet ist - es gibt Varianten, aber die sollen hier aus Gründen der Einfachheit unberücksichtigt bleiben.
Wie aus einigen der obigen Grafiken hervorgeht, fließt warmes Wasser in einen Heizkreis hinein, erwärmt den Estrich und kühlt langsam ab, während es auf der anderen Seite wieder herausfließt. Der warme Estrich erwärmt den Bodenbelag, der wiederum die Raumluft erwärmt. Es entsteht also ein Wärmefluss vom Heizungskreislauf zur Raumluft, welche durch Temperaturdifferenzen angetrieben wird.
Dabei ist zu beachten, dass die Vorlauftemperatur etwas höher ist als die Temperatur an der Oberfläche des Fußbodenbelags. Mit zunehmender Abkühlung des Wassers im Heizkreislauf nehmen diese Temperaturen entlang des Wasserflusses ab. Damit der Boden sich nicht unterschiedlich warm anfühlt, werden die Leitungen deshalb häufig schneckenförmig verlegt.
Wichtig diesem Zusammenhang ist die Differenz zwischen der Vorlauf- und Rücklauftemperatur. Man nennt diese Differenz auch Spreizung.
Schlusswort dieser Ausgabe.
Hoffentlich sind Sie mir bis hierher gefolgt, verehrte Leser. In den weiteren Ausgaben werde ich auf die hier vorgestellten Prinzipien zurückkommen und erläutern, wie man sie für einen möglichst effizienten Betrieb einer Wärmepumpe nutzt.
Wie immer sind Kommentare willkommen, gerne öffentlich unter diesem Blogeintrag oder direkt per Email.
Mit sonnigen Grüßen,
Andreas Winckler