Wärmepumpen

Wärmepumpen werden im Energiesystem der Zukunft die dominierende Heizungstechnologie sein. Wissenschaftliche Studien belegen, dass ihnen eine Schlüsselrolle zukommt, Gebäude mit Wärme und Kälte zu versorgen und Treibhausgasemissionen zu senken.

Wärmepumpen kommen in vielfältigen Anwendungen zum Einsatz. Die technischen Anwendungsfelder sind die Beheizung von neuen und bestehenden Ein- und Mehrfamilienhäusern sowie von Nicht-Wohngebäuden. Großwärmepumpen können auch ganze Städte und Quartiere mit Fernwärme effizient und zuverlässig versorgen. In der Industrie finden Hochtemperaturwärmepumpen mit bis zu 200°C ihre Anwendung, etwa zur Bereitstellung von Prozesswärme. Mit Wärmepumpen können zudem der Stromverbrauch flexibilisiert und Stromnetze stabilisiert werden.

Wärmepumpen finden Anwendung in den Bereichen:

• Einfamilienhäuser
• Mehrfamilienhäuser
• Nah- und Fernwärme
• Industrie und Gewerbe

Herausforderungen für die Branche:

Die Bedeutung der Wärmepumpe für die Energiewende geht mit Herausforderungen für die Geräteherstellung, das SHK-Handwerk und die Wohnungswirtschaft einher. Es müssen Methoden, Komponenten und Produkte entwickelt und etabliert werden, die einen effizienten Einbau und Betrieb ermöglichen. Das schnelle Marktwachstum verlangt zudem effiziente, kostengünstige Produktionsmethoden, um konkurrenzfähig zu bleiben. Um die Installation von Wärmepumpen in verschiedenen Anwendungsszenarien zu vereinfachen und die Effizienz im Betrieb zu steigern, sind weitere Optimierungen nötig.  Diesen Herausforderungen begegnen wir mit unseren FuE-Leistungen in den folgenden Arbeitsgebieten.

Weitere Arbeitsgebiete zu diesem Thema:

• Kältekreise mit neuen Materialien und Fertigungsmethoden 
• Charakterisierung und Tests
• Installation und Betrieb von Wärmepumpen
• Wärmepumpen im Energiesystem

Wärmepumpen bieten ökologische, energetische und ökonomische Vorteile, die für Endnutzende interessant und für das Energiesystem der Zukunft wichtig sind. Keine andere Heizungstechnologie kann mit weniger Endenergie Wärme erzeugen.

Bei Einfamilienhaus-Neubauten haben Wärmepumpen in Deutschland seit 2017 den Gaskessel als beliebteste Heizungstechnologie überholt. Sie kommen inzwischen in über 70 Prozent der Neubauten für die Bereitstellung von Warmwasser und Raumwärme zum Einsatz.

Wärmepumpen können auch in Bestandsgebäuden gute Effizienzwerte erreichen, wie unsere Analysen zeigen. Sinnvoll ist es, eine Modernisierung ganzheitlich zu planen, den Energiebedarf des Gebäudes zu senken, die Sanierungsmaßnahmen miteinander zu verzahnen und die Wärmepumpen optimal für die jeweiligen Anforderungen auszulegen.

Vorteile:

• Unabhängigkeit von fossilen Energieträgern
• Höchste Effizienzklassen beim Energielabel für Heizgeräte
• Fähigkeit zu wärmen und zu kühlen
• Signifikante Reduktion der CO2-Emissionen gegenüber Gasheizungen
• Eigenverbrauch von Strom aus PV-Anlage
• Staatliche Förderung

Die Anforderungen an die Auslegung der Wärmepumpe und des Gesamtsystems sind bei Mehrfamilienhäusern komplexer als bei Einfamilienhäusern. Neben Fragen der Warmwasserbereitung und des Wärmeübertragungssystem gilt es, die Nutzung von Umweltenergie (Wärmequelle) am Standort in die Überlegungen einzubeziehen. Bei Wohngebäuden dient meist Erdwärme oder die Außenluft als Wärmquelle. Sofern verfügbar, ist Abwärme aus Abwasser eine interessante Option. Photovoltaisch-thermische-Kollektoren (PVT), die auf Hausdächern installiert gleichzeitig als Wärme- und Stromquelle für Wärmepumpen dienen, können gerade im urbanen Raum, wo Flächen knapp sind, eine echte Alternative sein.

Vorteile:

• Wärmepumpen in Mehrfamilienhäusern rentieren sich langfristig eher als Gasheizungen
• Kopplung mit Photovoltaik, Solarthermie und Wärmenetzen möglich
• Hoher Anteil erneuerbarer Energie durch Nutzung lokaler Umweltwärme
• Klimaneutralität für einen sehr großen Gebäudesektor

Die Wärmeversorgung wird in den kommenden Jahren in Städten und Quartieren zunehmend auf klimafreundliche Technologien umgestellt. Durch intelligente Lösungen kann die Wärmepumpe einen wichtigen Beitrag zur Modernisierung und Dekarbonisierung von Städten, Quartieren und Wärmenetzen leisten, indem auch die bestehende Infrastruktur genutzt wird.

Drei Arten von Wärmenetzsystemen bieten sich für die Integration von Wärmepumpen in Städten und Quartieren an: (1) kalte Nahwärme, (2) klassische Nahwärme und (3) Fernwärme. Dabei unterscheiden sich die drei Varianten in ihren Anwendungsfeldern. Beim Konzept der kalten Nahwärme wird die Wärme dezentral gewonnen und in ein Netz gespeist, das mit einem geringen Temperaturniveau von 8 bis 20°C betrieben wird. Ein klassisches Nahwärmenetz wird in der Regel um eine einzelne Heizzentrale in einem Quartier oder einem Wohnkomplex errichtet. Zunehmend übernehmen große Wärmepumpen-Anlagen diese Rolle und ersetzen oder ergänzen den fossilen Wärmeerzeuger. Fernwärmenetze sind bestehende Systeme – effiziente Großwärmepumpen können hier gasbetriebene Anlagen klimaneutral ersetzen.

Vorteile:

• Bei kalten Nahwärmenetzen können Systemtemperaturen niedrig gehalten werden, sodass eine Dämmung der Leitungen nicht nötig ist.
• Klassische Nahwärme eignet sich aufgrund der höheren Systemtemperatur besonders für die Umstellung bestehender Quartiersnetze (Gebäudebestand).
• In Fernwärmesystemen können Wärmepumpen flexibel eingesetzt werden, zum Beispiel zur Absenkung der Rücklauftemperatur.

Für die Industrie sind Wärmepumpen in verschiedener Hinsicht interessant. So werden etwa 20 Prozent des Endenergiebedarfs in Deutschland für Prozesswärme aufgebracht, davon ein großer Teil bei Temperaturen unter 150°C. Der größte Teil dieser Wärme wird noch durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugt. Um hier in den kommenden Jahren eine Reduktion der erzeugten Treibhausgase zu erreichen, ist ein Wechsel zur strombasierten Wärmeerzeugung notwendig. Wärmepumpen können schon heute mit guten Wirkungsgraden diese Temperaturen erzeugen und stabil Prozesswärme bereitstellen, auch in großen Leistungsklassen.

Wärmepumpen können auch Nicht-Wohngebäude mit Wärme und Kälte versorgen. In Gewerbeimmobilien, Bürogebäuden, Krankenhäusern, Hotels oder Schulen dienen sie der Bereitstellung von Warmwasser, Raumwärme und Kälte. Bei der Verwendung in Nicht-Wohngebäuden sind niedrige Systemtemperaturen und damit eine hohe Energieeffizienz möglich.

Vorteile:

• Hohe Effizienz bei niedrigen Systemtemperaturen
• Bereitstellung von Wärme und Kühlung in einem System
• Gut mit Photovoltaik, Solarthermie und Wärmenetzen verbindbar
• Hoher Anteil erneuerbarer Energien durch Nutzung lokaler Umweltwärme

Alle Forschungsprojekte zum Thema »Wärmepumpen«