Warmwasserbereitung mit einer Wärmepumpe
Wird das Haus mit einer Wärmepumpe beheizt, sollte auch die Warmwasserbereitung mittels Wärmepumpe erfolgen. Hierfür gibt es verschiedene Möglichkeiten. Die Heizungswärmepumpe kann die Warmwasserbereitung direkt übernehmen oder eine separate Brauchwasserwärmepumpe. Letztere kann auch einen alten Boiler unabhängig von der Heizung ersetzen.
Inhaltsverzeichnis
Warmwasserbereitung mit der Heizungswärmepumpe
Eine Heizungswärmepumpe kann genauso gut auch Warmwasser bereiten, es braucht nur eine entsprechende hydraulische Einbindung. Allerdings schafft man mit Wärmepumpen die nur 55 °C warmen Vorlauf bereitstellen können, nur Warmwasser Temperaturen um max. 50 °C. Diese reichen aber für die meisten Fälle aus und energetisch ist eine tiefe Warmwassertemperatur sowieso besser. Will man höhere Warmwassertemperaturen gibt es Wärmepumpen mit alternativem Kältemittel so dass auch 65 °C Vorlauf erreicht werden. So sind auch Trinkwarmwasser Temperaturen um 60 °C möglich, z.B. zur Verhinderung von Legionellen. Alternativ kann auch ein Zusatzheizstab verwendet werden um den fehlenden Temperaturhub am Schluss noch zu leisten.
Einbindung, Arten des Warmwasserspeichers
Um das Warmwasser möglichst effizient zu bereiten, sind tiefe Ladetemperaturen erforderlich. Der Wassererwärmer sollte vor einem Ladevorgang maximal auskühlen wobei er immer noch die geforderte Zapftemperatur bereitstellen können muss. Eine sehr gute Schichtung ist daher nötig. Die verschiedenen Systeme bewältigen diese Aufgabe unterschiedlich. Damit der Speicher optimal auskühlen kann, wird empfohlen [ FAWA04 ] diesen für einen Tagesbedarf zu dimensionieren und ihn einmal am Tag aufzuladen.
Die Warmwasserbereitung kann auf verschiedene Arten ins Heizsystem eingebunden werden. Laut der FAWA Studie [ FAWA04 ] haben sich die klassischen, separaten Wassererwärmer mit innenliegendem Wärmetauscher am besten bewährt (Bild 1). Diese bestehen aus einem isolierten Behälter in dem das Trinkwarmwasser bevorratet wird. Darin befindet sich ein Wärmetauscher (meist spiralförmiges Rohr) durch den das Heizwasser zirkuliert und das Trinkwarmwasser aufwärmt. Wichtig ist eine genügend grosse Fläche dieses Wärmetauschers, so dass eine möglichst geringe Temperaturdifferenz zwischen Heizungswasser und Brauchwarmwasser entsteht. Als Richtwert werden mindestens 0.35 m2 Tauscherfläche pro kW Heizleistung der Wärmepumpe gefordert [ HUMM06 ].
Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung eines aussenliegenden Wärmetauschers (Bild 2). Während des Ladevorgangs zirkuliert das Trinkwarmwasser durch einen Wärmetauscher der mit dem Heizungswasser beschickt wird. Das kalte Trinkwasser wird dem Wassererwärmer unten entnommen und das erwärmte oben wieder eingespiesen. Ähnlich funktionieren sog. Frischwasserstationen, mit dem Unterschied, dass im Speicher Heizungswasser statt Trinkwasser bevorratet wird (Bild 3). Während eines Zapfvorgangs wird das Speicherwasser durch den Wärmetauscher im Gegenstrom gepumpt und so das Trinkwasser erwärmt. Vorteil dieser Einbindung ist, dass sehr wenig warmes Trinkwasser bevorratet wird und dadurch die Legionellengefahr sehr gering ist. Nachteilig bei beiden Varianten ist die Notwendigkeit einer zusätzlichen Pumpe. Bei der Variante aussenliegender Wärmetauscher wurden höhere Ladetemperaturen gemessen [ FAWA04 ]. Bei der Frischwasserstation ist ein leistungsfähiger Wärmetauscher nötig um auch bei hohen Zapfmengen mit möglichst geringer Übertemperatur die gewünschte Warmwassertemperatur nicht zu unterschreiten.
Spiraboiler besitzen einen innenliegenden Wärmetauscher (Spiralrohr) der sich über die gesamte Höhe des Speichers erstreckt und durch den das Trinkwasser fliesst (Bild 4). Der Boiler selbst ist mit Heizungswasser gefüllt. Bei Rossnagel Speichern befindet sich statt des Spiralrohrs ein weiterer Tank im innern des Speichers (Bild 5). Dieser Tank ist gefüllt mit Trinkwasser. Die Wärmeübertragung vom umliegenden Heizungswasser findet über die Wandung des Tanks statt. Dieser ist im obersten Bereich breiter um eine grössere Menge an Trinkwasser auf hohem Temperaturniveau zu bevorraten und setzt sich bis nach unten mit geringerem Umfang fort um das Trinkwasser vorzuwärmen. Beide Speicherarten werden auch als Heizungspuffer verwendet, sog. Kombispeicher. Dabei wird der Heizungsvorlauf ungefähr mittig entnommen und von der Wärmepumpe im Heizbetrieb mittig eingespiesen. So soll das wärmere Wasser für die Trinkwassererwärmung im oberen Speicherbereich verbleiben. In vielen Fällen ist wegen den hohen Volumenströmen bei Wärmepumpen diese Schichtung nicht stabil zu halten. Der Trinkwasserbereich kühlt dann durch Verwirbelungen mit dem kühleren Heizungswasser zu stark ab. Als Folge erfolgt eine häufige Umschaltung der Wärmepumpe auf die Trinkwasserbereitung mit entsprechendem Mehrverbrauch. Oft wird auch der komplette Speicher auf zu hohem Temperaturniveau gehalten und für die Heizung wieder runtergemischt. Wärmepumpe arbeitet dann besonders ineffizient. Wenn die Schichtung nicht stabil gehalten werden kann sollte vom Einsatz eines Kombispeichers in einer Wärmepumpenanlage abgesehen werden. Kombispeicher sind gut für solare Einbindung mit einem Heizkessel.
Brauchwasserwärmepumpe
Die Warmwasserbereitung kann auch unabhängig von der Heizung mittels einer Brauchwasserwärmepumpe erfolgen. Dadurch kann die Heizung in den Sommermonaten ganz ausgeschaltet bleiben, dafür laufen im Winter zwei Geräte parallel.
Üblicherweise entzieht eine Brauchwasser Wärmepumpe der Umgebungsluft die Wärme (Kellerluft). Dadurch wird der Keller etwas ausgekühlt, dafür aber auch entfeuchtet durch die Kondensation von Wasser beim Abkühlen der Luft. Seltener sind Systeme im Einsatz die dem Heizungsrücklauf die Wärme entziehen.
Vergleich der Systeme
Energetische Effizienz
Die Effizienz einer Brauchwasserwärmepumpe hängt im Wesentlichen von der Lufttemperatur ab aus der sie die Wärme bezieht. Für den Vergleich zwischen Heizungs-Luftwärmepumpe und Brauchwasserwärmepumpe kann die Lufttemperatur herangezogen werden. Im kühlen Keller ist im Sommer die Effizienz eher tiefer als bei einer Luft Wärmepumpe die die warme Aussenluft nutzt. Im Winter ist es jedoch umgekehrt, da die Kellerluft gewöhnlich wärmer ist. Allerdings kühlt die Brauchwasserwärmepumpe die Kellerluft ab, was zu einem erhöhten Wärmefluss durch die Kellerdecke führt. Indirekt nutzt die Brauchwasserwärmepumpe also zum Teil Raumwärme. Wie hoch dieser Anteil ist, hängt von der Raumgrösse, der Temperatur des Kellerbodens, der Beschaffenheit der Kellerwände u.a. ab. Im beheizten Keller ist eine Brauchwasserwärmepumpe sinnlos, da dann die ganze Wärme über die Heizung wieder zugeführt werden muss. Hier kann nur eine Brauchwasserwärmepumpe eingesetzt werden, die die Aussenluft oder Abluft nutzt.
Je nach Aufstellung und Raumgrösse kann es manchmal zu Luftkurzschluss kommen. Dabei wird die abgekühlte Luft von der Wärmepumpe wieder angesaugt ohne dass sie sich signifikant erwärmen konnte. Dies führt zu einer Verschlechterung der Arbeitszahl. Die Gefahr ist besonders bei engen Raumverhältnissen gross. Es empfiehlt sich dann die ausgeblasene Luft weiter weg zu führen.
Bei gleicher Quellentemperatur arbeitet eine Luft Wärmepumpe schlechter als eine Sole Wärmepumpe. Die Gründe liegen im zusätzlichen Energiebedarf für das Abtauen und der geringen Wärmekapazität und schlechten Wärmeübergang von Luft. Der COP einer Luft/Wasser Wärmepumpe liegt bei A20W50 etwa im Bereich von einer Sole Wärmepumpe bei B5W50, d.h. bei 50 °C Vorlauftemperatur ist die Luftpumpe bei Lufttemperaturen von 20 °C etwa gleich gut wie eine Sole Wärmepumpe bei 5°C Soletemperatur (aus Vergleich Prüfresultate WPZ). Der COP einer Brauchwasser Wärmepumpe wird im ähnlichen Bereich liegen wie eine Luft Wärmepumpe für die Heizung bei selben Betriebsbedingungen.
Im Sommer liegen die Soletemperaturen bei Flächenkollektoren um 15 °C, bei Erdsonden sind sie gewöhnlich ebenfalls im zweistelligen Bereich. Die Arbeitszahl wird also höher liegen als bei einer Brauchwasserwärmepumpe die 20 °C warme Luft nutzt, selbst mit dem zusätzlichen Verbrauch der Solepumpe. Im Winter liegen die Soletemperaturen um 0°C, die Kellertemperaturen sind in den allermeisten Fällen aber auch deutlich unter 20 °C. Der COP B0W50 liegt etwa im Bereich vom A7W50 bei Luftwärmepumpen. Dies wird etwa den Kellertemperaturen entsprechen. Eine gut ausgelegte Sole Wärmepumpe hat auch im Winter Soletemperaturen um 5 °C oder darüber. Bei einer solchen Anlage sind daher auch im Winter höhere Arbeitszahlen verglichen mit der Brauchwasserwärmepumpe zu erwarten.
Grundwasserwärmepumpen haben im Sommer ähnliche Quellentemperaturen wie Sole Anlagen. Durch die meist starken Förderpumpen mit hoher Leistungsaufnahme (mehrere 100 W) liegt deren Effizienz hinter Soleanlagen zurück. Im Winter machen sie diesen Nachteil durch die konstant hohe Grundwassertemperatur wieder wett, so dass ähnliche Jahresarbeitszahlen resultieren wie bei Sole Anlagen [ FAWA04 ] (Heizung + WW). Da im Gegensatz zum Heizbedarf der Warmwasserbedarf über das Jahr hinweg ungefähr gleich bleibt und der Sommerbetrieb damit stärker zum Tragen kommt als beim Heizen, ist deren Effizienz bei der Warmwasserbereitung in vielen Fällen schlechter als bei Sole Anlagen.
Ein Vorteil der Brauchwasserwärmepumpe ist, dass der Kondensierer direkt im Boiler untergebracht ist und dadurch ein zweiter Wärmetauscher entfällt. Die Kondensation erfolgt dadurch nur wenige K über der Brauchwassertemperatur. Heizungswärmepumpen benötigen einen Zwischenkreis aus Wasser (ausser Spezialmodelle). Ist der Wärmetauscher im Wassererwärmer knapp dimensioniert, resultiert ein hoher Temperaturgradient und damit verminderte Effizienz. Eine Übertemperatur von 1 K vermindert die Arbeitszahl um 1.8%.
Aufgrund der vielen verschiedenen Faktoren kann nicht generell gesagt werden, welche Variante die effizientere ist. Dies muss von Fall zu Fall unter den genannten Aspekten beurteilt werden. Es kann aber erwartet werden, dass in vielen Fällen die Warmwasserbereitung durch die Heizungswärmepumpe effizienter sein wird.
Kosten
Welche Variante die preislich günstigste ist, muss im Einzelfall entschieden werden. Wird eine Brauchwasser Wärmepumpe verwendet, kann bei der Heizungswärmepumpe entfallen:
- Wassererwärmer
- Ladepumpe oder Umschaltventil (je nachdem wie die Umschaltung zwischen den Betriebsarten funktioniert)
In manchen Fällen kann man auch die Heizungswärmepumpe eine Nummer kleiner wählen, da der Zuschlag für die Warmwasserbereitung wegfällt. Die Leistungsstufen zwischen den Wärmepumpenmodellen sind gewöhnlich zwischen 1-2 kW. Als Zuschlag wird 0.25 kW pro Person für die Warmwasserbereitung gerechnet. Der Leistungsunterschied zum kleineren Modell entspricht also etwa dem Bedarf für 4-8 Personen. Damit man ein kleineres Modell wählen kann muss also entweder der Warmwasserverbrauch gross sein oder bei der Wahl des Modells wurde aufgerundet.
Als Zusatzkosten zur Brauchwasser Wärmepumpe kommt der zusätzliche elektrische Anschluss hinzu.
Die Betriebskosten gehen einher mit der energetischen Effizienz. Die Servicekosten können bei der Variante mit zwei Geräten höher ausfallen. Bei zwei Wärmepumpen ist die Wahrscheinlichkeit dass eine eine Störung hat höher als bei nur einem Gerät.
