HLK Exklusiv : Die Wärmepumpe: Geschichte – Technologie – Markt

Funktionsprinzip einer WP - © Bild: Bundesverband Wärmepumpe (BWP) e.V.

Funktionsprinzip einer WP

- © Bild: Bundesverband Wärmepumpe (BWP) e.V.

Was Sie erwartet:

  1. Die Geschichte der Wärmepumpe
  2. Funktionsprinzip
  3. Die verschiedenen Wärmepumpensysteme
  4. Kältemittel
  5. Wärmeabgabesystem
  6. Kühlung: aktive/passive Kühlung mit WP
  7. Marktüberblick: Zahlen, Marktentwicklung
  8. Klima- und Energiepolitisches Feld

1. Die Geschichte der Wärmepumpe

Die Geschichte der Wärmepumpe ist spannend, differenziert und umfasst historische Ereignisse der Physik und Innovationen der Technik. Die Wirklichkeit wird am ehesten berührt, werden Theorie und Praxis gleichermaßen beleuchtet. So gälte wichtigen Entdeckungen der Wissenschaft gleiche Beachtung wie aus der Praxis gewachsenen Erfindungen. Für einen Einblick soll aber genügen, mit Praxisbezug ein grobes Bild zu zeichnen. Es wird sich dabei an der im Juni 2022 herausgebrachten Festschrift „165,32 und 10 Jahre – Gemeinsame Erfolge feiern“, des Verbandes Wärmepumpe Austria orientiert. Ein knapper Zeitstrahl (resp. ein Auszug) mit größerem Praxisbezug sieht die Geschichte demnach folgendermaßen:

1824 - Nicolas Léonard Sadi Carnot, französischer Ingenieur, formulierte als erster eine präzise Beziehung zwischen Temperatur und Arbeit. Bereits im Jahr 1824 schrieb dieser von der grundsätzlichen Möglichkeit einer Maschine, die aus Bewegung einen Temperaturunterschied erzeugt. (vgl. hierzu: Wärmepumpe Austria 2022: 18)
1853 - William Thomson, auch 1. Baron Kelvin genannt und späterer Namensgeber der SI-Einheit Kelvin, konnte 1852 nachweisen, dass Kältemaschinen eher zum Heizen als zum Kühlen eingesetzt werden können.
1853 - Im Salzkammergut (AT), in der Ebenseer Saline, lässt sich die Geschichte weitertragen. Für die Gewinnung von Salz wurden hier gewaltige Mengen für die Verdampfung von Sole verbraucht, was schließlich, selbst in dieser holzreichen Region, zu einer Holzknappheit führte. Der Physiker und Mathematiker Peter Ritter von Rittinger wusste über die Energieineffizienz Bescheid und konnte für ein von ihm erfundenes „Abdampfsystem“ 1853 ein Patent anmelden. Aufbauend auf den Erkenntnissen u.a. von Carnot versprach das neue Abdampfsystem, das in Bezug auf den Salzsiedeprozess entwickelt worden war, eine Energieeinsparung von 80 Prozent gegenüber der herkömmlichen Eindampfprozesse mit Holz. Diese „Anlage zum Verdampfen der Salzsole“ machte ihn zum Schöpfer der ersten Wärmepumpe. (vgl. hierzu: ibid.)
1856 - „Nach seinem Verfahren konnte der Abdampf für die Heizung oder für eine neuerliche Abdampfung verwendet werden. In der Saline Ebensee wurde 1856 mit dem Bau eines Versuchsapparates begonnen.“ (ibid.)

Dampfzentrale Steyr
Dampfzentrale Steyr. - © Bild: Wärmepumpe Austria

Wer hat die erste Wärmepumpe erfunden?

Der Physiker und Mathematiker Peter Ritter von Rittinger gilt mit seiner 1853 patentierten Lösung für ein energiesparenderes Abdampfverfahren und einer Anlage zum Abdampfen der Salzsole in der Ebenseer Saline in Österreich also als Schöpfer der ersten Wärmepumpe. Allerdings stützt sich seine Erfindung u.a. auf früheren Erkenntnissen von Carnot, Thompson und Perkins.

1857 – Der weltweit erste Einsatz einer „Wärmepumpe“ ging 1857 mit einem Prototyp der neuen - von Rittinger sogenannten – „Dampfpumpe“ in der Saline Ebensee in Betrieb. (Vgl. hierzu: Wärmepumpe Austria 2022: 18)
„Bei zusätzlichem Antrieb mit Wasserkraft rechnete Rittinger für alle österreichischen Salinen mit einer jährlichen Ersparnis von 32.000 Kubikklaftern Holz (ca. 293.000 m3).“ (ibid.)
1912 – Der schweizerische Ingenieur Heinrich Zoelly erlangte 1912 das Patent für eine elektrisch angetriebene Erdwärmepumpe. (Vgl. hierzu: ibid.)
1918
– Nach dem Siegeszug des Kühlschrankes in die Privathaushalte wurden in der USA Klimaanlagen mit Heizfunktion konzipiert. (Vgl. hierzu: ibid.)
1938
– Es kam im Züricher Rathaus eine 100-kW-Wärmpumpe zum Heizen und Kühlen zum Einsatz. Das Flusswasser diente damals als Wärmequelle. (Vgl. hierzu: ibid.)
1970
– In Österreich begannen innovative Pioniere damit, Wärmepumpen zu installieren. (Vgl. hierzu: ibid.)*

*Anm. der Red.: Für einen umfangreicheren Einblick in die Geschichte verweisen wir einerseits auf die erwähnte Festschrift. Die Hintergründe dazu finden Sie unter: https://www.waermepumpe-austri...
Für einen detaillierten Einblick in die Geschichte verweisen wir andererseits auf einen Bericht, der aus den Wünschen des Schweizerischen Bundesamts für Energie entstanden ist: https://ub.unibas.ch/digi/a125...

Wie kam es also zur ersten Wärmepumpe und wo ging sie in Betrieb?

Es war die Neugier und der schöpferische Geist der Wissenschaft, der mit Praxisbezug und effizienzorientierter Lösungssuche 1857 in der Saline Ebensee zum Einsatz der ersten Wärmepumpe führte.

2. Funktionsprinzip

Eine Wärmepumpe wird üblicherweise mit der Umkehrung eines Kühlschrankes verglichen. Prinzipiell stimmt das auch und für einen Anriss der Funktionsweise wird es reichen.

Wie funktioniert die Wärmepumpenheizung?

Während der Kältemittelkreislauf eines Kühlschrankes seinem Inneren Wärme entzieht und diese an die Umgebung abgibt, entzieht das im Kreislauf zirkulierende Kältemittel einer Wärmepumpe der Umgebung Wärme, die im Gerät auf ein höheres Temperaturniveau gebracht und anschließend zum Heizen oder zur Warmwasseraufbereitung genutzt wird.

Funktionsprinzip einer Wärmepumpe (WP).

- © Bild: Wärmepumpe Austria

Vergleichende Graphik zum Funktionsprinzip einer WP

- © Bild: Bundesverband Wärmepumpe (BWP) e.V.

Allem Voran steht nun also die Wärmequelle resp. Hauptenergiequelle der Wärmepumpe, von welcher her die Umgebungswärme genommen wird. Hier gibt es drei Hauptquellen: die Luft, den Boden und das Wasser. Dies gliedert sich feiner in: Außen- und Abluft, Erdwärme und Grund- oder Abwasser.

In weiterer Folge kommt das bereits angeklungene Kältemittel ins Spiel. Jeder Techniker möchte sich spätestens jetzt thermodynamischen Begriffen bedienen, was auch nötig wird, will man in die Tiefe steigen. Es soll aber auch hier reichen, bloß auf die Essenz zu verweisen. Was Nicolas Léonard Sadi Carnot mit der Beziehung zwischen Temperatur und Arbeit gemeint hat, bildet die Grundlage der Verwendung eines Kältemittels. Es braucht einen Trägerstoff bzw. ein reales (geschlossenes) System, in welchem das Verhältnis zwischen Temperatur und Arbeit über die makroskopischen Eigenschaften und das Verhalten der Moleküle dieses Stoffes ausgespielt werden kann. Druck, Temperatur, Volumina, Masse, Teilchenzahl – nur einige wenige Faktoren dir hier mitmischen.
Die Kaskadenabfolge im Kältemittelkreislauf beginnt mit dem Verdampfen des Kältemittels bei vergleichsweise kalten Temperaturen der Wärmequelle durch seinen niedrigen Siedepunkt – das Kältemittel nimmt damit Wärme auf. In Form von Antriebsenergie – üblicherweise Strom – findet die Arbeit ihre Anwendung und es wird das dampfförmige Kältemittel im Verdichter komprimiert. Die Temperatur steigt dadurch auf das benötigte Niveau. Das Kältemittel wird anschließend im Kondensator wieder verflüssigt, die zugeführte Antriebsenergie und die aufgenommene Umweltwärme werden hierbei auf einem höheren Temperaturniveau an das Heizmedium abgegeben – es sinkt also die Temperatur. Im Expansionsventil verringert sich der Druck und im Verdampfer beginnt der Kreislauf von Neuem.
Die Schlüsselstellen bildet hier jeweils der Wärmetausch, in dem sich der Aggregatzustand des Kältemittels ändert – einmal im Verdampfer über die Aufnahme von Wärme aus der Wärmequelle, das andere Mal im Verflüssiger über die Abgabe von Wärme an das Heizmedium. Über den Verdichter kommt aber gerade die eingesetzte Arbeit in den Kreislauf, die schließlich der Beziehung zwischen Temperatur und Arbeit folgend die Effizienz des Kreislaufes auszeichnet.

Wärmequellen Wärmepumpe
Wärmequellen der Wärmepumpe - © Bild: Wärmepumpe Austria

Was erzeugt eine Wärmepumpe?

Eine Wärmepumpe dient als Heizquelle, indem sie der Wärmequelle Temperatur entzieht, diese mit der Aufwendung von Energie auf ein höheres Temperaturniveau bringt und dem Heizmedium/Wärmeverteilsystem abgibt. Entscheidend ist hier die Effizienz, ausgedrückt im Verhältnis von eingesetzter Energie zu erzeugter Energie. Bei effizienten Wärmepumpen ergibt sich die Wärmeleistung durch 75% kostenloser Umweltenergie und 25% aufgewandter Energie.
Um verschiedene Bauarten und Modelle vergleichen zu können, ermittelt man im Labor unter Normalbedingungen den sog. SCOP-Wert (Seasonal Coefficient of Performance). Der Wert drückt die Höhe des Energiegewinns im Vergleich zum Energieeinsatz aus.*
*In Kap.5 wird dies näher beleuchtet.

3. Die verschiedenen Wärmepumpensysteme

Die bekanntesten Wärmepumpensysteme lassen sich einteilen, zieht man die schon angeklungenen Wärmequellen und das jeweilige Heizmedium/Wärmeverteilsystem heran.

Woher kommt die Energie für die Wärmepumpe?

Je nach Effizienz des Wärmepumpensystems kommt der überwiegende Teil der Heizleistung aus der kostenlosen Umgebungswärme der jeweiligen Wärmequelle: Außen-/Abluft, Erdwärme oder Grund-/Abwasser. Die fehlende Energie muss in Form von Antriebsenergie – üblicherweise Strom – hinzugefügt werden.*
*Für die fehlende Antriebsenergie bieten sich auch erneuerbare Energieträger an - eine zusätzliche "Energieeinsparung" wird so möglich. Über eine gekonnte Fusion von Wärmepumpentechnologie und Photovoltaik lesen Sie hier: https://hlk.co.at/heizung/waer...

Wärmepumpensysteme - Fokus auf Wärmequelle.

- © Bild: Dirk Schumann - stock.adobe.com

Die bekanntesten Wärmepumpen (WP) sind: Luft-/Wasser-, Luft-/Luft-, Wasser-/Wasser- und Sole-/Wasser-Wärmepumpen:

  • Luft-/Wasser-WP: Österreichweit zählen Luft-Wasser-Wärmepumpen zu den meist verwendeten Wärmepumpen. Dieses Heizsystem eignet sich vor allem gut für Neubauten und sanierte Gebäude – aber auch gut gedämmte Bestandsgebäude können damit beheizt werden. Das System ist vergleichsweise günstig in der Anschaffung, in der Installation simpel und eignet sich auch für Gebäude ohne Garten – das erklärt ihre Beliebtheit. Von den eingebauten Wärmepumpen-Typen dominiert die Luft-/Wasser-Wärmepumpe eindeutig das Marktgeschehen mit 83,1 % der installierten Heizungswärmepumpen in Österreich im Jahr 2021 (vgl. HLK 4/22: S. 18).
    Die Funktionsweise ist relativ einfach: ein Ventilator saugt Frischluft an – es dient also Luft als Wärmequelle – und gibt diese an den Verdampfer (Wärmetauscher) weiter. Dem zuvor erklärten Funktionsprinzip folgend gibt der Kältemitteldampf bei Wärmetausch im Kondensator die gewonnene Wärmenergie an den Wasserkreislauf des Heizsystems resp. an das Wärmeabgabesystem im Gebäudeinneren ab. Meist wird mit der Luft-/Wasser-WP nicht nur geheizt, sondern auch das Warmwasser bereitet (das in einem Speicher bevorratet wird). Bei diesem System werden Kältemittel verwendet, die eine Anwendung bis minus 20 Grad ermöglichen.
  • Luft-/Luft-WP: Auch diese Art von Wärmepumpensystem ist vielseitig einsetzbar, sowohl für Modernisierungsprojekte wie für Neubau. Luft-/Luft-Wärmepumpen entziehen die zum Heizen benötigte Wärmeenergie der Außenluft. Auch der Kühl- und Entfeuchtungsbetrieb ist in der Regel damit möglich. Das Gros der Luft-/Luft-WP ist mittlerweile mit Invertertechnologie ausgestattet, welche die Drehzahl des Verdichters genau an die Wärmelast anpasst. Dadurch sinkt der Energieverbrauch. Luft-/Luft-Wärmepumpen erreichen Energieeffizienzklassen von bis zu A+++.
    Es gibt auch Luft-/Luft-Wärmepumpen, die in Kombination mit einer kontrollierten Wohnraumlüftung (KWL) arbeiten. Hier wird die Wärme der Abluft aus der Lüftung verwendet, um Frischluft zu erwärmen. Dabei tritt der Spezialfall ein, dass dadurch ein üblicher Kältemittekreislauf entfällt und nur ein Wärmetauscher wie eine Klein-Wärmepumpe benötigt wird. Grund sind u.a. die niedrigen Temperaturunterschiede zwischen Wärmequelle „Abluft“ und zu heizendem Medium „Frischluft“. Je nach Ausstattung können derartige Luft-/Luft-Wärmepumpensysteme auch für die Warmwasserbereitung genutzt werden. Anders als bei den restlichen Wärmepumpen gibt es für dieses System in Österreich keine Förderung.
  • Wasser-/Wasser-WP: Bei diesem Wärmepumpensystem dient das Grundwasser als Wärmequelle – so auch der Name „Grundwasserwärmepumpe“. Dafür muss zunächst ein sogenannter Förderbrunnen bis zum Grundwasserspiegel gebohrt/geschlagen werden. Über eine Pumpe und Rohre wird das Grundwasser dann an die Wärmepumpe geleitet, wo dem Wasser mithilfe eines Kältemittels die Wärme entzogen wird. Wieder dem Grundprinzip folgend wird die thermische Energie beim Wärmetauscher an das Heizungswasser als Heizmedium und somit in den Heizkreislauf abgegeben.
    Das erkaltete Grundwasser wird dann über den sogenannten Schluckbrunnen zurückgeführt. Die Temperatur im Grundwasser liegt im Jahresverlauf konstant zwischen sieben und elf Grad, wodurch die Wasser-/Wasser-Wärmepumpe meist unabhängig von den Außentemperaturen genutzt werden kann und sehr effizient arbeitet.
  • Sole-/Wasser-WP: Auch für die Sole-/Wasser-Wärmepumpe muss die Tiefe erschlossen werden. Jedoch wird hier nicht die Wärme aus dem Grundwasser, sondern die Erdwärme genutzt. Das gelingt durch verschiedene Varianten. Ab einer bestimmten Tiefe, die abhängig von der Region ist, weist das Erdreich eine Grundtemperatur von zehn Grad Celsius auf. In der Regel werden für die Geothermie zwei 100 Meter tiefe und 50 bis 60 Zentimeter große Löcher in einem Abstand von mindestens sechs Meter senkrecht in den Boden gebohrt. Ein Garten ist für dieses Heizsystem ebenso unerlässlich wie für die Wasser-Wasser-Wärmepumpe. Durch die Löcher verlaufen dann die Erdwärme-Sonden. Bei den Sonden handelt es sich um Rohre, in denen eine Sole, ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel, zirkuliert. Die Sole nimmt die Erdwärme auf und gibt sie über einen Wärmetauscher an die Wärmepumpe ab. Die Wärmepumpe erhöht die Temperatur mechanisch und gibt sie an das Heizsystem weiter.
    Anstelle von Erdsonden können auch Erdkollektoren für die Wärmegewinnung verwendet werden. Dabei wird ein Rohrsystem waagrecht unterhalb der Frostgrenze im Boden – je nach Region und Seehöhe, in unseren Breiten ca. 1,5 m – verlegt. In den Rohren zirkuliert wie in den Sonden Sole, die die thermische Energie aufnimmt und an den Wärmetauscher übergibt. Ob Erdsonden oder -kollektoren, beide Systeme sind in der Anschaffung erst einmal teuer und aufwendig. Dafür überzeugt die Geothermie mit sehr niedrigen Betriebskosten und einem sehr guten Wirkungsgrad. Es will jedoch speziell mit Erdkollektoren wohlüberlegt sein, ob die unterirdische Nutzung der Gartenfläche zukünftig entfallen darf.

Eine Grundregel ist auch wichtig:

Jenen Flächen, wo die Kollektoren liegen, dürfen unter keinen Umständen versiegelt/betoniert werden. Bei dem Betrieb der WP entziehen die Kollektoren dem Boden kontinuierlich seine Wärme. Werden die darüber liegenden Flächen versiegelt, hemmt dies die über mehrere Faktoren bedingte Regeneration der Erdwärme über die Oberfläche. Im ersten Schritt sinkt dadurch die Effizienz, in weiterer Folge wird eine überreichliche Vereisung begünstigt, was schwerwiegende Folgen hat.

Im folgenden Video wird speziell auf Flächenkollektoren, was dabei für deren Planung um Umsetzung zu beachten ist und auf weitere wichtige Aspekte, die es zu beachten gilt, eingegangen:

4. Kältemittel

Die genannten Systemarten bedürfen eines Kältemittelkreislaufes und damit eines Kältemittels. Das sind Fluide, welche besondere physikalische Eigenschaften besitzen – u.a. einen hohen Wärmeleitkoeffizenten. Im geschlossenen Kältemittelkreislauf kulminiert durch sie die angesprochene Beziehung zwischen Temperatur und Arbeit. Sie dienen dem Funktionsprinzip der WP folgend beim Wärmetausch zur Übertragung der thermischen Energie. Durch geringe Siedepunkte verdampfen diese, nehmen sie die Energie der Wärmequelle auf, und verflüssigen sich wieder, geben sie diese (und Hinzugenommene) an das Wärmeverteilsystem ab.

Notabene

Unterschied zw. Kühl- und Kältemittel: Im Gegensatz zu Kühlmitteln kann ein Kältemittel die aufgenommene thermische Energie im Kältemittelkreislauf entgegen eines Temperaturgradienten von der Wärmequelle zum Wärmeverteilsystem transportieren. Unter Anwendung von zugeführter Energie im Kompressor darf dadurch die Wärmeabgabetemperatur sogar höher sein, als die der Wärmequelle – vgl. hierzu nochmal Kap.2.

Synthetische-/Natürliche Kältemittel:
Die Einteilung von Kältemitteln ist komplex und umfangreich, da sehr viele Faktoren mitspielen. Eine sich im Branchenbereich etablierte, recht allgemeine Einteilung geschieht über die Rubriken „synthetische-“ und „natürliche Kältemittel“:

  1. Synthetische Kältemittel: Solche werden künstlich erzeugt. Chemisch betrachtet werden sie auch als halogenierte Kohlenwasserstoffe bezeichnet. Grob bedeutet das, dass mindestens ein Wasserstoffatom durch eines der Halogene Fluor, Chlor, Brom oder Iod ersetzt wurde. Man wird gebräuchliche Abkürzungen wie sogenannte Hydrogen-Fluor-Chlor-Kohlen-Wasserstoffe (HFCKW), Hydrogen-Fluor-Kohlen-Wasserstoff (HFKW), Fluor-Chlor-Kohlen-Wasserstoff (FCKW), Fluor-Kohlen-Wasserstoff (FKW) kennen. Es fallen also die sogenannten F-Gase unter diese Rubrik.Die meisten synthetischen Kältemittel haben einen erhöhten Einfluss auf die Ozonschicht und den Treibhauseffekt.
  2. Natürliche Kältemittel: Diese kommen auch in der Natur vor, werden teilweise sowohl von Mikroorganismen und Pflanzen wie auch infolge vulkanischer Aktivität freigesetzt – deshalb ihr Name. Zudem tragen sie nicht zum Abbau der Ozonschicht bei und haben nur einen relativ geringen direkten Einfluss auf den Treibhauseffekt. Hierzu werden Kohlenwasserstoffe (typisch: Ethan = R-170, Propan = R-290, Butan = R-600, Isobutan = R-600a, Pentan = R-601), Kohlenstoffdioxid (CO2 ) (= R-744), Ammoniak (NH3) (= R-717), Wasser (R-718) und Luft gezählt.

Was bedeutet R bei Kältemitteln?

Die Bezeichnung von Kältemitteln ist aus mehreren Gründen genormt. Die Normierung folgt einem rigiden Zahlenprinzip und der Kältemittelkennzahl wird das Kürzel „R“ vorangestellt, was für „Refrigerant“ – englisch für Kältemittel – steht.

GWP/ODP:
Der Einfluss auf den Treibhauseffekt wie der zu erwartende Abbau der Ozonschicht variieren zwischen den einzelnen Kältemitteln. Um auch hier einen Vergleichsmaßstab zu erreichen, hat sich in der Praxis das sogenannte Treibhauspotential (GWP = engl. Global Warming Potential) wie das Ozonabbaupotential (ODP= engl. Ozone Depletion Potential) durchgesetzt.

Was versteht man unter Treibhauspotential (GWP)?

Das Treibhaus- rep. Erderwärmungspotential, im GWP-Wert ausgedrückt, ist eine Maßzahl für den relativen Beitrag einer chemischen Verbindung zur globalen Erwärmung in Bezug auf Kohlenstoffdioxid über einen bestimmten Zeitraum. Im Falle von Kältemitteln gibt der GWP-Wert also Auskunft über dessen relativen Beitrag zum Treibhauseffekt. Konkret bedeutet das: Wieviel eine bestimmte Masse eines Stoffes im Vergleich zur gleichen Masse CO2 zur globalen Erwärmung beiträgt. Die Klimawirkung einzelner Kältemittel lässt sich damit vergleichend darstellen. Einheit des GWPs ist: CO2-Äquivalente (CO2e), wobei der GWP-Wert von CO2 mit 1 gesetzt ist.

Was versteht man unter Ozonabbaupotential (ODP)?

Das Ozonabbaupotential, im ODP-Wert ausgedrückt, ist eine Maßzahl für den relativen Effekt des Abbaus der Ozonschicht, der durch eine chemische Verbindung ausgelöst werden kann in Bezug auf das FCKW Trichlorfluormethan (R-11), mit dem festgesetzten ODP-Wert 1.

Im folgenden Podcast-Teaser wird auf das GWP abgehoben – hören Sie bei Interesse gerne rein:

GWP- resp. ODP-Werte spielen mittlerweile nicht nur für etwaige Förderung von Anlagen eine Rolle, sie bieten auch für einige gesetzliche Bestimmungen Kontroll-/Richtwerte.
Folgende Tabellen
zeigen ein paar wenige, ausgewählte Kältemittel(-Arten) mit ihren jeweiligen GWP- und ODP-Werten im Vergleich:

Synthetische Kältemittel: GWP ODP
FCKW 4.680 – 10.900 1
HFCKW 76 – 2.270 0,02 – 0,06
HFKW 122 – 14.310 0
Natürliche Kältemittel: GWP ODP
R-717 (Ammoniak) 0 0
R-744 (Kohlenstoffdioxid) 1 0
R-290(Propan)/R-600(Butan) 3 0*

*Quellen: https://cold.world/de/know-how... , https://de.wikipedia.org/wiki/..., https://de.wikipedia.org/wiki/...

Bei den synthetischen Kältemitteln sind deutlich höhere GWP-Werte zu verzeichnen, was auch deren Klimaschädlichkeit untermauert. Die Verordnung (EU) Nr. 517/2014 über fluorierte Treibhausgase (F-Gase-Verordnung) kann hier als gesetzte Maßnahme verstanden werden, die der sogenannten F-Gase-Emission entgegenwirken soll.*
*Anm. der Red.: Zur F-Gase-Verordnung und im Speziellen zum Entwurf einer neuen F-Gase-Verordnung, die Verschärfungen für die gesamte Klima-Kälte-Wärmepumpen-Branche und alle Betreiber mit sich brächte, hat HLK-Chefredakteur Eberhard Hermann ein exklusives Interview mit namhaften Branchenvertretern geführt. Wollen Sie dazu mehr erfahren, empfiehlt es sich, folgenden Artikel zu lesen: https://hlk.co.at/heizung/was-...

Brennbarkeit:
Für Kältemittel spielt nebenbei ihre Brennbarkeit eine wesentliche Rolle – da im Falle, wenn diese höher liegt, für diverse Anlagen erhöhte Sicherheitskriterien gelten. In der Praxis kommen deshalb immer öfter Mischformen von Kältemitteln zum Einsatz – u.a. um die Brennbarkeit von Reinformen zu minimieren. Z.B. ist R-404A ein Gemisch aus: Pentafluorethan (R-125, 44 %), 1,1,1-Trifluorethan (R-143a = brennbar, 52 %) und 1,1,1,2-Tetrafluorethan (R134a, 4 %), das nicht brennbar ist.* Sein GWP-Wert ist mit 3922, zwar geringer als der von R-143a in Reinform mit 4470, jedoch ist das der F-Gase-Verordnung entsprechend immer noch viel zu hoch (2500 gilt dabei als Richtwert).
*
Anm. der Red.: Zu brennbaren Kältemitteln will auf ein 2020 erschienenes Fachbuch hingewiesen werden. Über diesen Link kommen Sie zum Fachbuch: https://www.ögkt.at/product-page/brennbare-kältemittel
Außerdem widmet sich eine HLK-Podcast-Folge diesem Thema: https://hlk.co.at/podcasts/hlk...

Kältemittel für Wärmepumpen:
Es brennt nun die Frage, welche Kältemittel besonders für den Einsatz bei Wärmepumpen geeignet sind. Bei hocheffizienten Wärmepumpen kommen heutzutage hauptsächlich synthetische Kältemittel wie R-410A zum Einsatz. Dieses zeotrope Kältemittelgemisch der FKWs Difluormethan (R-32, 50%) und Pentafluorethan (R-125, 50%) eignet sich durch seine Eigenschaften besonders gut zum Heizen und zur Warmwasseraufbereitung. Sein GWP-Wert liegt bei 2088, es gilt als sicher (u.a. im Sinne der Brennbarkeit) und wird als optimal nutzbar für Wärmepumpen angesehen.*
Aber auch natürliche Kältemittel finden ihre Berechtigung. Beispielsweise gilt Propan (R-290) aufgrund seines besonderes niedrigen GWP-Wertes als äußerst klimafreundlich. Zudem ermöglicht es hohe Vorlauftemperaturen von bis zu 75°C im Wärmepumpenbetrieb – was relevant wird, wenn das Wärmeabgabesystem keine Flächenheizung ist.
*vgl. hierzu: https://www.vaillant.de/heizun...

5. Wärmeabgabesystem

Den vier Systemarten von Wärmepumpen entsprechend, lässt sich die gewonnene Wärme einmal mittels (Heiz-)Wasser, ein andermal mittels Luft im Gebäude verteilen. (Vgl. hierzu Kap. 3)
Im Speziellen bezogen auf einen Heizwasserkreislauf arbeiten Wärmepumpen umso effektiver, je geringer die Vorlauftemperaturen des Wärmeverteilsystems sind. Das Wärmeverteilsystem beginnt ab dem Wärmetausch beim Verflüssiger und ist jener gebäudetechnische Bestandteil, der das erhitzte Heizungswasser im Gebäude über ein Heizrohrsystem zum Wärmeabgabesystem führt – das sind bei Wärmepumpen im Besonderen Flächenheizsysteme (Wand-, Fußbodenheizung), aber auch Wärmepumpenradiatoren(/Gebläseradiatoren).
Da die Vorlauftemperaturen bei Wärmepumpensystemen üblicherweise zwischen 30 und 45 Grad liegen (Hochtemperatur-Wärmepumpen ausgenommen), muss das entsprechende Wärmeabgabesystem diesem Umstand genügen. Bei Flächenheizsystemen erfolgt die Wärmeabgabe überwiegend über Wärmestrahlung – die niedrigen Vorlauftemperaturen sind in diesem Fall kein Problem. Konventionelle Radiatoren scheiden durch die geringen Vorlauftemperaturen jedoch aus und so bedarf es sogenannten Wärmepumpenradiatoren(/Gebläseradiatoren). Ein Heizkörpergebläse im jeweiligen Radiator steigert für Niedrigtemperaturen dabei die Effizienz der Wärmeabgabe/-Verteilung im Raum.

Was ist eine Hochtemperatur-Wärmepumpe?

Darunter versteht man sowohl Wärmepumpen, die hohe Heizwasser-/Vorlauf- und Brauchwassertemperaturen erzeugen können (teilweise bis zu 90°C im Vorlauf), wie auch Wärmepumpen, welche hohe Wärmequellentemperaturen nutzen können.*1 In diesem Fall können konventionelle Radiatoren mutatis mutandis als Wärmeabgabesystem genutzt werden.*2
*1Ein entsprechendes Kältemittel, das hohe Vorlauftemperaturen möglich macht, wird dabei aber benötigt. (Vgl. Kap. 4) Auch muss die Kompressortechnik darauf abgestimmt sein.
*2Anm. der Red.: Zum Thema Hochtemperatur-Wärmepumpe finden Sie unter https://hlk.co.at/heizung/hoch... einen interessanten Artikel, der ein gelungenes Referenzprojekt belichtet.

Dem Wärmeabgabesystem im Gebäudeinneren kommt eine wichtige Bedeutung zu. Es ist nicht nur für die Behaglichkeit entscheidend, sondern auch für die Investitionshöhe. Das ist bei der Entscheidung für ein Wärmepumpen-System unbedingt vorher zu berücksichtigen und einzuplanen. Im Neubau liegen hier weniger die Probleme. Aber vor allem bei der Sanierung kann der Aufwand für das neue Flächenheizsystem (Fußboden oder/und Wandheizung), das im gesamten Gebäude neu verlegt und installiert werden muss, ins Geld gehen. Es geht oft auch anders (wenn es „günstiger“ sein soll) – dort, wo die alten Radiatoren sind, können Wärmepumpenradiatoren(/Gebläseradiatoren), die für niedrigere Temperaturen ausgelegt sind, installiert werden.

Einige Vorteile/Nachteile von Flächenheizsystemen:
+ aufgrund der hohen Wärmestrahlung ein behagliches Raumklima und ein gesteigerter Wohnkomfort durch große Heizflächen mit niedrigen Oberflächentemperaturen; weniger Luft- und Staubbewegungen; hohe Effizienz; in Verbindung mit einer reversiblen Wärmepumpe ideal für die Raumkühlung geeignet (dann entfällt auch das Thema "Hygiene bei konventionellen Klimageräten")
- je nach baulicher Ausführung träge Temperaturregulation der Räume; bei Wandheizungen müssen die entsprechenden Flächen frei von Verbauten und/-oder großen Möbeln gehalten werden; eher ungeeignet für Neuinstallationen im Zuge einer Sanierung

Einige Vorteile/Nachteile von Wärmepumpenradiatoren:
+ rasche Temperaturregulierung der Räume; einfacher Tausch bei Sanierungsarbeiten; höhere Vorlauftemperaturen sind im Gegensatz zu einer Fußbodenheizung möglich
- Heizkörpergebläse benötigt zusätzlichen Strom; Betriebsgeräusche (wenn auch gering, so doch vorhanden); höhere Luft- und Staubbewegungen; Hygiene

Effizienz:
Spricht man über Effizienz bei Wärmepumpen, kommt einem mindestens der sogenannte SCOP-Wert – im Falle des Kühlmodus der sogenannte SEER-Wert – unter.

Was ist Scop bei Wärmepumpen?

Oberflächlich, aber auf den Punkt gebracht, geben der "Seasonal Coeffizient of Performance" (SCOP)- und der "Seasonal Energy Efficiency Ratio" (SEER)-Wert das Verhältnis von nutzbarer Wärme- resp. Kälteleistung zu eingesetzter Leistung bei Kälteanlagen und Wärmepumpen an. SCOP steht dabei für den saisonalen Energieverbrauch des Gerätes im Heizmodus und es gilt: je höher dieser Wert ist, desto geringer ist der Verbrauch. Bei SCOP = 3,5 gilt also: Das 3,5-fache der eingesetzten Energie ist als Wärme nutzbar. SEER steht hingegen für den saisonalen Energieverbrauch des Gerätes im Kühlmodus. Es gilt dabei auch: je höher, desto geringer der Verbrauch.

6. Kühlung: aktive/passive Kühlung mit WP

Wärmepumpen können Kühlen, insofern sich der Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe umkehren lässt (Vgl. hierzu Kap.2). An dieser Stelle muss man aber korrigieren und differenzieren. Es gibt nämlich zwei Arten der Kühlung mit Wärmepumpen: die Aktive- und die Passive Kühlung. Bloß bei ersterer kann man faktisch von einer Umkehrung des Kältemittelkreislaufes sprechen – deshalb auch der Name reversible Wärmepumpe.

Wie funktioniert eine Wärmepumpe im Sommer?

Ob nun Aktive- oder Passive Kühlung - Wärmepumpen können kühlen. Der Unterschied zu herkömmlichen Klimaanlagen liegt darin, dass beim Kühlen mit Wärmepumpe der Raum über das Wärmeabgabesystem, meist mit einer Flächenkühlung(Fußboden-/Wand-/Deckenkühlung), gekühlt wird. Einfach erklärt gelingt dies durch:

  • Aktive Kühlung ist prinzipiell mit jeder Wärmepumpen-Art möglich, sowie es sich um eine reversible Wärmepumpe handelt. In der Umkehrung des Wärmepumpen/-Kältemittelkreislaufes liegt die Möglichkeit einer Kühlung im Sommer mit diesen Systemen. Es wird dabei der Innenluft über das Heizsystem mithilfe des Verdichters aktiv Wärme entzogen und zur „ursprünglichen Wärmequelle" abgeführt.
  • Passive Kühlung gelingt mit einer Erdwärme- resp. Sole-/Wasser-WP oder mit einer Wasser-/Wasser-WP, wenn im Sommer die Raumtemperaturen höher als die des Erdreiches/Grundwassers sind. Die Wärme des Hauses kann mit Hilfe des Wärmetauschers über die/den/das Erdsonde/-kollektor/ Brunnensystem ins Erdreich/Grundwasser abgegeben werden. Ein dazu nötiges Ventil dient hierzu als Bypass für die Wärmepumpe und die Wärme wird sodann durch das Betreiben des Sole- und Heizwasserkreislaufes dem Raum entzogen. Passiv deshalb, weil in diesem Fall lediglich die Umwälzpumpe betrieben werden muss. Hier liegt auch der Grund einer immensen Energieeinsparung.
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Wärmepumpen-/Kältemittelkreislauf - © Bild: arahan - stock.adobe.com

Vorteile einer Wärmepumpe gegenüber einer konventionellen Klimaanlage:

  • Konventionelle Klimageräte sind üblicherweise in unseren Breiten nur wenige Wochen im Jahr zum Kühlen in Betrieb. Wärmepumpen können hingegen zum Heizen und je nach Ausstattung auch zum Kühlen verwendet werden. Man spart sich demnach ein Gerät, das im Verhältnis wenig genutzt wird.
  • Wird das Heizungssystem mit Flächenkühlung genutzt, so entfällt die Zugluft, wie sich diese bei klassischen Klimageräten findet.
  • Das Thema "Hygiene bei konventionellen Klimageräten" entfällt.
  • Klimageräte werden ausschließlich mit Strom betrieben, ohne die Möglichkeit einer passiven Kühlung. Aber gerade eine passive Kühlung senkt die Energiekosten und nutzt die kostenlose Umweltenergie.
  • Mit dem Programm „Raus aus Öl und Gas“ fördert der Staat den Einbau von Wärmepumpen mit bis zu 7.500 Euro.

7. Marktüberblick: Marktentwicklung, Zahlen

An dieser Stelle könnte man einzelne Wärmepumpenhersteller in Österreich heranziehen und diese u.a. anhand der Marktverteilung gegenüberstellen. Wir sehen dies aus mehreren Gründen aber kritisch und möchten dieses Vorhaben der Marktforschung überlassen. Was sich jedoch anbietet und durchaus sinnvoll scheint, ist ein grober Umriss/Überblick der Marktentwicklung in Österreich. Daten, Zahlen und Graphiken wurden hierbei der kürzlich herausgebrachten Festschrift „165,32 und 10 Jahre – Gemeinsame Erfolge feiern“, des Verbandes Wärmepumpe Austria entnommen. (für einen tieferen Einblick vgl. ibid.)

Marktentwicklung:
Die Entwicklung des Wärmepumpenmarktes in Österreich sei durch:

[...] ein historisches Diffusionsmaximum im Jahr 1986, eine Umstrukturierung des Marktes von der Brauchwasserwärmepumpe zur Heizungswärmepumpe und ein deutliches Wachstum des Marktes ab dem Jahr 2000 gekennzeichnet.
Wärmepumpe Austria, Festschrift:„165,32 und 10 Jahre – Gemeinsame Erfolge feiern“

Die folgende Graphik, aus der Festschrift „165,32 und 10 Jahre – Gemeinsame Erfolge feiern“, der Wärmepumpe Austria, untermauert dies:

Graphik – Festschrift „165,32 und 10 Jahre – Gemeinsame Erfolge feiern“, der Wärmepumpe Austria, S.38 – Quelle: BMK Bericht Erneuerbare Energien in Zahlen; Datenquelle: Biermayr et. al.(2021).

- © Bild: Wärmepumpe Austria

Wie in der Festschrift pointiert, habe es durch die Auswirkungen der Finanz- und Wirtschaftskrise nach 2008 nur eine geringe Dämpfung der wachsenden Verkaufszahlen von Heizungswärmepumpen gegeben. Bereits 2012 seien diese wieder deutlich übertroffen worden. Die Entwicklung des Inlandsmarktes für Heizungswärmepumpen zeige 2021 eine starke Dynamik, die weit über das Wachstum der vergangenen Jahre hinausgehe. An dieser Stelle interessant, wie sich ein Drei-Szenarien Diagramm der Entwicklung bis 2030, anhand historischer Daten bis 2015, zeichnet (Vgl. hierzu: die folgende Graphik):

Graphik – Festschrift „165,32 und 10 Jahre – Gemeinsame Erfolge feiern“, der Wärmepumpe Austria, S.39

- © Bild: Wärmepumpe Austria

Für die Zukunft lässt sich, ohne Rücksicht auf diverse Studien und Prognosen festhalten, ein hohes Potenzial von Wärmepumpen für die Wärmewende ist gegeben und kann erheblich zur Dekarbonisierung des Wärmemarktes beitragen.*
*Anm. der Red.: In der angeklungenen Festschrift wird ein Ausblick bis 2050 gegeben, der sich auf div. Studien und Klima-/Energiepolitischen Strategien stützt. Vgl. hierzu: Wärmepumpe Austria 2022: 39.

Zahlen:
Zahlen/Bilder sagen nicht immer mehr wie tausend Worte, im gegebenen Fall, im Kontext des Gesagten aber schon:

Graphik – Festschrift „165,32 und 10 Jahre – Gemeinsame Erfolge feiern“, der Wärmepumpe Austria, S.40

- © Bild: Wärmepumpe Austria

Graphik – Festschrift „165,32 und 10 Jahre – Gemeinsame Erfolge feiern“, der Wärmepumpe Austria, S.41

- © Bild: Wärmepumpe Austria

8. Klima- und Energiepolitisches Feld

Hier muss man zwei große Felder trennen, wenngleich sie verwoben gelten und ihre Intentionen in der Praxis mit teilweise gemeinsamen institutionellen Mitteln forciert werden. Einerseits stehen energiepolitische Themen im Raum, wie aktuell u.a. die Resilienz und Autarkie der österreichischen Energieversorgung/-verteilung. Andererseits werden klimapolitische Bestreben – so z.B. das Pariser (Klima-)Abkommen – diesem Gebiet zugeschrieben. In der Öffentlichkeit wird hier viel mit dem Begriff „Krise“ gespielt – so die „Klimakrise“ oder die „Energiekrise“. Von diesen Begriffen wollen wir min. hier Abstand nehmen, da sie die Komplexität der Lage verwischen, die jeweiligen Bezugssysteme nivellieren und wohl andere Intentionen verfolgen.
Institutionelle Werkzeuge für die Umsetzung energie-und klimapolitischer Bestreben sind in Österreich u.a. das sogenannte Erneuerbaren-Wärme-Gesetz (EWG) und das Erneuerbaren-Ausbau-Gesetz (EAG).*
*Zum Diskurs rund um diese beiden Gesetze finden Sie einige Artikel auf https://hlk.co.at – beispielsweise: https://hlk.co.at/heizung/zu-h..., https://hlk.co.at/heizung/wie-... oder: https://hlk.co.at/heizung/was-...

Wir wollen an dieser Stelle nicht zu tief in die politische Thematik eintauchen – auch würde dies den Rahmen dieses Artikels sprengen. Was wir jedoch für sinnvoll erachten, ist der Fokus auf Förderprogramme, wenn es um Wärmepumpen geht.

Förderungen für Wärmepumpen:
Für Private, aber auch für Betriebe und Vereine bietet das Förderprogramm „raus aus öl und gas“ eine Förderleistung von bis zu 7.500 Euro bei der Umrüstung einer alten Kohle-, Öl- oder Gasheizung auf eine Wärmepumpenheizung. Nicht jede Wärmepumpe wird gefördert, auch kann es je nach nachdem, welche Kältemittel eingesetzt werden, zu einer Reduktion der Förderhöhe um 20 % kommen. Eine Liste der förderfähigen Geräte finden Sie hier: https://www.umweltfoerderung.a... *

*Luft-/Luft-WP werden hierbei nicht gefördert.

Überdies finden Sie unter: https://www.waermepumpe-austri... eine umfangreiche Auflistung verschiedener Förderprogramme in Österreich.

Apropos Förderkriterien

Bei der Förderung spielt neben dem verwendeten Kältemittel auch das Wärmeabgabesystem eine Rolle. So braucht man, wenn zum Beispiel im Zuge der Sanierung ein Flächenheizsystem ungeeignet ist und für die Variante mit Wärmepumpenradiatoren entschieden wird, dementsprechende neue Radiatoren, um eine Förderung bekommen zu können. Dies gilt es bei der Planung jedenfalls einzukalkulieren.