Effizienz und Heizleistung von Wärmepumpen

Die Auswirkungen von Wärmepumpen auf das Stromnetz hängen von deren elektrischem Leistungsbedarf ab. Dieser ist temperaturabhängig. So hängt die Leistungszahl (engl. Coefficient of Performance (COP)) einer Wärmepumpe ganz entscheidend vom Temperaturhub zwischen Wärmequelle (TQ) (Umweltwärme) und Wärmesenke (Vorlauftemperatur TV des Heizungssystems) ab. Je niedriger dieser Temperaturhub, das heißt, je höher die Temperatur der Wärmequelle und/oder je niedriger die Vorlauftemperatur des Heizungssystems ist, desto größer ist die Effizienz des Wärmepumpen-Systems. Nach der Formel von Carnot (siehe rechts oben auf dieser Seite).

steigt die Effizienz eines Wärmepumpen-Systems um ca. 3,5 %, wenn z.B. die Vorlauftemperatur um lediglich 1° C abgesenkt oder um 2,5 %, wenn die Quellentemperatur um 1°C angehoben wird. Da für die Beheizung von Gebäuden – im Gegensatz zur industriellen Wärme – selten zwingenderweise hohe Temperaturen benötigt werden, ist der Einsatz von Wärmepumpen hier grundsätzlich bestens geeignet.

Wesentlich unbekannter als die Senkung der Wärmepumpen-Effizienz mit sinkender Quelltemperatur ist die Tatsache, dass damit auch die Heizleistung der Wärmepumpe erheblich sinkt. Ursache für diesen Leistungsverlust ist, dass bei abfallender Quellentemperatur die Verdampfungstemperatur abgesenkt werden muss. Damit sinken auch der Verdampfungsdruck und damit die Dichte des verdampfenden Kältemittels. Da der geförderte Volumenstrom des Verdichters bei konstanter Drehzahl nahezu konstant bleibt, sinkt auf Grund der geringeren Dichte der geförderte Massenstrom und damit auch die Heizleistung der Wärmepumpe.

Auf die verschiedenen Arten von Wärmepumpen wirken sich die oben beschriebenen Effekte unterschiedlich stark aus. Dies hängt im Wesentlichen von der jeweiligen Wärmequelle ab (Luft, Erdreich, Grundwasser), da hier bei Schwankungen der Außentemperatur unterschiedlich starke Schwankungen der Quellentemperatur entstehen. Der geringste Einfluss zeigt sich bei Grundwasser-Wärmepumpen. Bei günstigen Grundwasserströmungen sinkt hier die Quellentemperatur von ca. 12 °C im Sommer lediglich auf 8 °C im Winter. Schlechter sieht das bei Erd-Wärmepumpen aus, die das Erdreich als Wärmequelle nutzen. Hier kommt es zu einem Absinken der Temperatur von ca. 12 °C auf Temperaturen knapp unter dem Gefrierpunkt am Ende des Winters. Am ungünstigsten schneiden allerdings die Luft-Wärmepumpen ab, da die Außenluft im Winter auch deutlich unter -10 °C abfallen kann.

Abb. 3 zeigt exemplarisch den maximalen Leistungsverlauf einer Luft-Wärmepumpe sowie die Heizlast des Gebäudes über der Außentemperatur. Aus dieser Abbildung wird die ungünstige Konstellation des Anstieges der Gebäudeheizlast und des Abfalls der Wärmepumpen-Heizleistung mit sinkender Außentemperatur ersichtlich. Im Bestreben, die Investitionskosten sowie die Takthäufigkeit der Wärmepumpe, welche Auswirkungen auf die Lebensdauer hat, gering zu halten, gestaltet sich hier die Leistungsauslegung als nicht einfach. Gelöst wird dieses Problem häufig durch eine „Unterdimensionierung“ der Wärmepumpe und den zusätzlichen Einsatz einer leistungsstarken Elektroheizung „für kalte Tage“.

Werden solche „monoenergetisch bivalenten Wärmepumpensysteme“ zum Standard – was sich derzeit durchaus abzeichnet (derzeitiger Anteil am Absatz über 90 %) – könnten an sehr kalten Wintertagen viele Gebäude gleichzeitig direkt elektrisch beheizt werden. Dies könnte in selten auftretenden, sehr langen und kalten Winterperioden zu einer starken Erhöhung der Lastspitzen und damit einem noch weiter verstärkten Netzausbaubedarf führen.