Eine Wärmepumpe entzieht einer Wärmequelle wie Außenluft, Erdreich oder Wasser thermische Energie und hebt diese mithilfe elektrischer Energie auf ein nutzbares Temperaturniveau an. Die erzeugte Wärme kann für die Raumheizung, Warmwasserbereitung oder technische Prozesse verwendet werden. Einige Wärmepumpen können je nach Bauart zusätzlich zur Kühlung eingesetzt werden.

Wärmepumpen auf einen Blick

• Die Effizienz einer Wärmepumpe hängt insbesondere von der Temperatur der Wärmequelle und der benötigten Vorlauftemperatur ab.
• Die Leistungszahl (COP) beschreibt die Effizienz an einem bestimmten Betriebspunkt, während die Jahresarbeitszahl (JAZ) einen längeren realen Betriebszeitraum bewertet.
• Wärmespeicher und die thermische Speicherfähigkeit eines Gebäudes ermöglichen eine begrenzte zeitliche Verschiebung des Wärmepumpenbetriebs.
• Ein EMS kann den Betrieb einer steuerbaren Wärmepumpe mit PV-Erzeugung, Strompreisen und elektrischen Lastgrenzen koordinieren.

Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Die meisten Wärmepumpen arbeiten mit einem geschlossenen Kältemittelkreislauf. Ein Kältemittel nimmt im Verdampfer Wärme aus der Umgebung auf und verdampft. Anschließend erhöht ein elektrisch betriebener Verdichter den Druck und damit die Temperatur des Kältemittels. Im Verflüssiger wird die Wärme an das Heizsystem oder einen Wärmespeicher abgegeben. Danach senkt ein Expansionsventil den Druck, bevor der Kreislauf erneut beginnt.

Je geringer die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und benötigter Nutztemperatur ist, desto effizienter kann die Wärmepumpe arbeiten. Niedrige Vorlauftemperaturen, beispielsweise bei Flächenheizungen, sind deshalb in der Regel vorteilhaft. Bei niedrigen Außentemperaturen oder hohen Anforderungen an die Vorlauftemperatur sinkt meist die Effizienz, sodass für die Bereitstellung derselben Wärmemenge mehr elektrische Energie benötigt wird.

Die Leistungszahl, auch Coefficient of Performance (COP), beschreibt das Verhältnis von abgegebener Wärmeleistung zu aufgenommener elektrischer Leistung an einem definierten Betriebspunkt. Ein COP von 4 bedeutet vereinfacht, dass unter diesen Bedingungen mit 1 kWh elektrischer Energie etwa 4 kWh Wärme bereitgestellt werden.

Die Jahresarbeitszahl beschreibt das Verhältnis der innerhalb eines Jahres oder einer vollständigen Heizperiode bereitgestellten Wärmemenge zur dafür aufgenommenen elektrischen Energie. Ihre Aussagekraft hängt wesentlich davon ab, ob beispielsweise Umwälzpumpen, Regelung und elektrischer Heizstab in die betrachtete Systemgrenze einbezogen werden.

Typische Anwendungsfälle von Wärmepumpen

Wärmepumpen werden in Wohngebäuden sowie in Gewerbe- und Industriegebäuden zur Raumheizung und Warmwasserbereitung eingesetzt. In geeigneten Anwendungen können sie außerdem Prozesswärme auf einem technisch erreichbaren Temperaturniveau bereitstellen.

Bei Luft-Wasser-Wärmepumpen dient die Außenluft als Wärmequelle. Sole-Wasser-Wärmepumpen nutzen das Erdreich über Erdkollektoren oder Erdsonden. Wasser-Wasser-Wärmepumpen gewinnen Wärme üblicherweise aus Grundwasser. Die geeignete Bauart hängt unter anderem vom Standort, dem erforderlichen Temperaturniveau, den verfügbaren Flächen und den genehmigungsrechtlichen Bedingungen ab.

In Verbindung mit einer PV-Anlage kann ein Teil des Betriebs in Zeiten hoher eigener Stromerzeugung verschoben werden. Ein Warmwasser- oder Pufferspeicher nimmt dabei thermische Energie auf und entkoppelt die Wärmeerzeugung zeitlich vom unmittelbaren Wärmebedarf.

Zusammen mit einem BESS kann eine Wärmepumpe auch mit zuvor gespeicherter elektrischer Energie versorgt werden. Ob dies wirtschaftlich sinnvoll ist, hängt unter anderem von Strompreisen, Speicherverlusten, verfügbarer Kapazität und alternativen Einsatzmöglichkeiten des BESS ab.

Nutzen, Grenzen und technische Voraussetzungen

Wärmepumpen können Umweltwärme nutzbar machen und dadurch mehr Wärmeenergie bereitstellen, als sie elektrische Energie aufnehmen. Die tatsächliche Effizienz hängt jedoch stark vom Gebäude, der Wärmequelle, der Anlagendimensionierung, den erforderlichen Temperaturen und der Regelungsqualität ab.

Häufiges Ein- und Ausschalten, ein ungünstig dimensioniertes System und hohe Vorlauftemperaturen können die Effizienz reduzieren. Auch der intensive Einsatz eines elektrischen Heizstabs erhöht den Stromverbrauch. Bei Luft-Wärmepumpen können zusätzlich energieintensive Abtauvorgänge erforderlich sein.

Für einen flexiblen Betrieb müssen Wärmebedarf, Komfortgrenzen, Mindestlaufzeiten, Sperrzeiten und zulässige Schalthäufigkeiten berücksichtigt werden. Eine zeitliche Verschiebung ist nur möglich, wenn das Gebäude oder ein Wärmespeicher ausreichend thermische Flexibilität bietet.

Für die Einbindung in ein EMS wird außerdem eine geeignete Kommunikations- oder Steuerschnittstelle benötigt, beispielsweise Modbus, EEBus, eine freigegebene Hersteller-API oder ein dafür vorgesehener Steuerkontakt. Die reine Bereitstellung von Messdaten bedeutet nicht automatisch, dass die Schnittstelle auch steuernde Schreibzugriffe erlaubt.

Wie kann EcoPhi eine Wärmepumpe einbinden?

EcoPhi kann den elektrischen Verbrauch einer Wärmepumpe erfassen und gemeinsam mit Daten aus PV-Anlagen, BESS, Stromzählern und weiteren Verbrauchern darstellen. Temperaturen, Betriebszustände und interne Messwerte können nur einbezogen werden, wenn sie über die Geräteschnittstelle oder über zusätzliche Sensorik verfügbar sind.

Bei einer geeigneten und freigegebenen Schnittstelle kann das EMS Betriebsfreigaben oder Sollwerte anhand von PV-Überschuss, Strompreisen, Lastgrenzen und definierten Komfortbedingungen koordinieren. Die konkrete Funktionalität hängt von den unterstützten Datenpunkten, den verfügbaren Schreibzugriffen und den Anforderungen des Projekts ab.

Die Ansteuerung erfolgt über die vom Hersteller vorgesehenen Schnittstellen und innerhalb der zulässigen Betriebsgrenzen. Ein direktes hartes Schalten der elektrischen Versorgung ist keine reguläre EMS-Steuerung und kann technische Schutzfunktionen oder erforderliche Nachlaufzeiten umgehen. Die interne Wärmepumpenregelung bleibt für den Kältemittelkreislauf, den Verdichterbetrieb und die Sicherheitsfunktionen verantwortlich.

Wärmepumpen zusammengefasst

Eine Wärmepumpe nutzt elektrische Energie, um Umweltwärme auf ein nutzbares Temperaturniveau anzuheben. Ihre Effizienz wird wesentlich durch die Temperaturbedingungen, das Heizsystem und die Regelung beeinflusst. Mit geeigneten Schnittstellen und ausreichender thermischer Flexibilität kann ein EMS den Betrieb mit PV-Erzeugung, Strompreisen und weiteren Energieanlagen abstimmen.

Häufige Fragen zu Wärmepumpen

Was ist der Unterschied zwischen COP und JAZ?

Der COP beschreibt die Effizienz einer Wärmepumpe an einem festgelegten Betriebspunkt. Die JAZ bewertet das Verhältnis von bereitgestellter Wärme zu aufgenommener elektrischer Energie über ein Jahr oder eine vollständige Heizperiode.

Warum arbeitet eine Wärmepumpe bei niedrigen Vorlauftemperaturen effizienter?

Eine niedrige Vorlauftemperatur verringert den notwendigen Temperaturhub zwischen Wärmequelle und Heizsystem. Der Verdichter benötigt dadurch in der Regel weniger elektrische Energie je bereitgestellter Wärmeeinheit.

Kann eine Wärmepumpe nur bei PV-Überschuss betrieben werden?

In der Regel nicht vollständig, da Wärme und Warmwasser auch außerhalb der PV-Erzeugungszeiten benötigt werden. Ein EMS kann jedoch verschiebbare Betriebsanteile in Zeiten mit PV-Überschuss legen, sofern Komfortgrenzen und technische Vorgaben eingehalten werden.

Kann jede Wärmepumpe durch ein EMS gesteuert werden?

Nein. Die möglichen Funktionen hängen von den vorhandenen Schnittstellen und den durch den Hersteller freigegebenen Steuerbefehlen ab. Eine Schnittstelle kann ausschließlich lesbare Messwerte bereitstellen, ohne steuernde Schreibzugriffe zu ermöglichen.