SIEMENS

Energiequellen schlummern manchmal an Orten, wo man sie am allerwenigsten vermutet. Zum Beispiel knapp unter der Erdoberfläche: Dort, ab etwa zehn Metern Tiefe, herrscht das ganze Jahr über eine relativ konstante Temperatur. In Deutschland sind es ungefähr zehn Grad Celsius – ein riesiges Reservoir an Wärmeenergie, das nur darauf wartet, genutzt zu werden.

Aber wie kann man mit einer Ausgangstemperatur von nur zehn Grad ein Haus auf 20 Grad heizen? Hier kommen Wärmepumpen ins Spiel. In ihnen zirkuliert ein Medium mit sehr niedriger Siedetemperatur. Meist sind das Fluorkohlenwasserstoffe, die schon zwischen -47 und -26 Grad Celsius verdampfen und dabei dem Wärmereservoir Energie entziehen. Ein Kompressor verdichtet das Gas und erhitzt es dadurch auf eine deutlich höhere Temperatur – er pumpt sozusagen die Wärmeenergie aus dem Boden auf ein höheres Niveau.

Jetzt ist das Gas so warm, dass es seine Energie über Wärmetauscher an die Heizung oder den Warmwasserkreislauf abgeben kann. Dabei kühlt es ab und kondensiert. Schließlich wird die Flüssigkeit zur Druckverringerung durch ein Expansionsventil gepresst, strömt zurück zum Wärmereservoir und verdampft dort erneut – der Kreislauf beginnt von vorn. Das Wärmereservoir – in diesem Fall das Erdreich – hat dabei zwar Energie verloren. Es ist aber so groß, dass seine Temperatur nicht spürbar sinkt.

Wärmepumpen sind ökonomisch und ökologisch interessant, denn sie benötigen nur wenig Antriebsenergie für den Kompressor, um eine große Menge an Wärme zu erzeugen – theoretisch können Geräte mit einer Kilowattstunde (kWh) elektrischer Energie deutlich mehr als vier kWh Wärme liefern. Wie gut eine Anlage in der Praxis arbeitet, beschreibt die Jahresarbeitszahl: Das ist das Verhältnis von gewonnener Wärme zum eingesetzten Strom, bezogen auf ein Jahr. Je höher die Jahresarbeitszahl, desto effektiver das System.

„Dabei sollte die Temperatur des Wärmereservoirs hoch und die Vorlauftemperatur des Heizungssystems möglichst niedrig sein – das ist diejenige Temperatur, mit der das warme Wasser in die Heizung strömt“, erklärt Reinhard Imhasly von Siemens Building Technologies im schweizerischen Zug. „Weil Fußbodenheizungen mit nur 35 Grad Vorlauftemperatur auskommen, sind sie für Wärmepumpen besser geeignet als herkömmliche Heizkörper, die heute noch mindestens 50 Grad brauchen.“

Eine niedrige Vorlauftemperatur setzt aber auch eine gute Dämmung voraus – darum lassen sich Wärmepumpen in modernen Niedrigenergie- und Passivhäusern besonders effektiv einsetzen. Kein Wunder also, dass sich ihr Marktanteil in Deutschland bei neuen Wohnungen von unter einem Prozent im Jahr 2000 auf rund 23 Prozent im Jahr 2010 deutlich erhöht hat. Auch Altbauten kommen infrage, wenn sie zuvor umfassend modernisiert wurden. „Es macht aber keinen Sinn, einfach die kaputte Ölheizung durch eine Wärmepumpe zu ersetzen und sonst alles beim Alten zu lassen“, warnt Imhasly. Bei Renovierungen haben Wärmepumpen einen Marktanteil von sechs Prozent. Insgesamt wurden vergangenes Jahr in Deutschland rund 51.000 Wärmepumpen installiert, ihre Gesamtzahl stieg auf 400.000.

Richtige Dimensionierung. „Wichtig ist auch, dass die Regelung der Heizung bedarfsabhängig arbeitet, zum Beispiel mit Temperatursensoren in jedem Raum. Siemens hat entsprechende Produkte für alle Gebäudetypen im Programm“, erklärt Imhasly. Bei der Planung kommt es darauf an, dass die Anlage richtig dimensioniert wird – ist sie zu schwach, muss der Nutzer zusätzlich heizen. Ist sie zu leistungsfähig, schaltet sich die Wärmepumpe ständig ein und aus – das verschlechtert ihren Wirkungsgrad. Am besten sind Modelle, deren Leistung sich dynamisch an den Heizbedarf anpassen lässt.

Entscheidend für die Jahresarbeitszahl ist die Wärmequelle, denn Wärmepumpen können nicht nur das Erdreich, sondern auch das Grundwasser und die Luft anzapfen. Erd-Wärmepumpen nutzen dazu entweder eine Sonde – im Schnitt in rund 100 Metern Tiefe – oder einen Flächenkollektor, der anderthalb Meter unter der Oberfläche verlegt wird. Wasser-Wärmepumpen verwenden die Wärme des Grundwassers, während Luft-Wärmepumpen ihre Energie aus der Umgebungsluft beziehen.

Luft-Wärmepumpen sind einfach zu installieren, da sie nur einen Wärmetauscher für die Umgebungsluft benötigen – das macht sie preiswert, aber auch wenig effektiv, weil die Außentemperatur im Winter stark fallen kann. Grundwasser- und Erd-Wärmepumpen erfordern höhere Investitionen, liefern aber auch mehr Wärme bei gleichem Stromeinsatz. „Erd-Wärmepumpen haben bei unseren Untersuchungen im Schnitt eine Jahresarbeitszahl von 3,9 erreicht“, berichtet Marek Miara vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg. „Luft-Wärmepumpen kamen nur auf 2,9.“

Beim aktuellen Strommix in Deutschland vermeiden Wärmepumpen laut dem Umweltbundesamt im Vergleich zu Gas-Brennwertkesseln CO₂-Emissionen, wenn ihre Jahresarbeitszahl drei oder mehr beträgt. Bei weiter steigendem Anteil erneuerbarer Energien ist der Effekt noch stärker: In einer Studie für den Bundesverband Wärmepumpe (BWP) kommt die TU München zum Ergebnis, dass Wärmepumpen mit einer Jahresarbeitszahl von 3,0 im Jahr 2030 rund 40 Prozent Primärenergie im Vergleich zu konventionellen Systemen wie Gas-Brennwertkesseln einsparen könnten. Bei einer Jahresarbeitszahl von 4,5 soll die Einsparung sogar 60 Prozent betragen.

Wer eine Wärmepumpe betreibt, tut aber nicht nur etwas für die Umwelt – er spart auch bares Geld: Zwar können die Investitionskosten für eine Wärmepumpe einige tausend Euro über denen konventioneller Gas-Brennwertkessel liegen, aber nach zehn bis 20 Jahren hat sich die Investition amortisiert. Manchmal geht es auch wesentlich schneller: Vor fünf Jahren hat Siemens am Forschungsstandort München-Neuperlach zwei Wärmepumpen installiert, die erwärmtes Kühlwasser mit einer Temperatur zwischen 14 und 17 Grad als Energiequelle nutzen. „Schon nach einem Jahr hatten wir die Kosten durch Einsparungen wieder hereingeholt“, freut sich Thomas Braun von Siemens Real Estate. „Heute liefern die beiden Wärmepumpen ein Viertel des Wärmebedarfs von 30 Gebäuden, in denen bis zu 10.000 Menschen arbeiten.“

Wie die Zukunftsperspektiven für den breiten Einsatz von Wärmepumpen aussehen könnten, zeigt ein Blick in die Schweiz: Dort haben sie bei neuen Einfamilienhäusern bereits einen Marktanteil von rund 90 Prozent. Dank viel Wasser- und Kernkraft ist der Strommix der Eidgenossen mit 127 Gramm pro Kilowattstunde (g/kWh) sehr CO₂-arm – in Deutsch land sind es 563 g/kWh –, so dass Wärmepumpen-Heizungen dort schon heute sehr umweltfreundlich Wärme produzieren.