Wie gut sind elektrische Wärmepumpen als Hallenheizung?

Elektrischen Wärmepumpen für Hallenheizung

Wir versuchen, ein „heiß“ diskutiertes Thema objektiv zu betrachten: Wärmepumpen als Industrieheizung! Denn jeder weiß, dass technische Lösungen, die im Wohnungsbau prima funktionieren, nicht gleich für Industrie- und Logistikhallen geeignet sein müssen. Hier gelten eigene Gesetzmäßigkeiten, allein schon wegen den enormen Hallenhöhen, Luftvolumen in der Halle und den allgemeinen Baukörperdimensionen.

Für die Dekarbonisierung von Hallenheizungen für Industrie und Logistik sind elektrische Wärmepumpen (EWP) eine Lösungsoption, die auch in der Gesetzgebung (GEG) als Erfüllungsoption anerkannt wird. Diese kann als alleiniges Heizungssystem oder auch in einem Hybridsystem bspw. mit Gas-Dunkelstrahlern zur Bereitstellung von mind. 65 % erneuerbarer Wärme angewandt werden.

Mit einem Vorurteil möchten wir gleich zu Beginn aufräumen: Auch bei Temperaturen, die deutlich unter dem Gefrierpunkt liegen, können Wärmepumpen ihrer Umgebung Wärme entziehen. Voraussetzung ist, dass die Temperatur der Wärmequelle (Luft) höher ist als der Siedepunkt des Kältemittels. Bei herkömmlichen Kältemitteln liegen diese bei -57 °C bis -15 °C. So hat selbst kalte Außenluft im Winter immer noch genug Wärmeenergie, um Hallen wirtschaftlich zu heizen.

1. Welche elektrischen Wärmepumpen gibt es?

Grundsätzlich entzieht eine elektrische Wärmepumpe Energie (Wärme) aus der Umgebung und gibt sie an den Innenraum der Halle wieder ab. Je nachdem welche Art des Wärmeabgabesystems genutzt wird und die Wärme in den Hallenraum eingebracht wird, unterscheidet man die Wärmepumpen (Energiequelle/Wärmeabgabe):

• Luft / Luft
• Luft / Wasser
• Wasser (Grundwasser, Abwasser) / Wasser
• Erdwärme (Sole) / Wasser
• Abwärme (Sole oder Wasser) / Wasser

Die häufigsten für die Industrie genutzten Wärmepumpen sind Luft/Luft- und Luft/Wasser-Wärmepumpen. Entscheidender Vorteil ist, Wärmepumpen nutzen als Wärmequelle die kostenlose Umweltwärme, die quasi überall und in unendlichen Mengen zur Verfügung steht.

1.1 Die Luft/Luft Wärmepumpe

Eine Luft/Luft-Wärmepumpe nutzt die Außenluft als Wärmequelle und gibt die Wärme an die Innenluft. Sie kann sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen verwendet werden, indem sie den Wärmefluss umkehrt. Darum wird eine Luft/Luft-Wärmepumpe auch Klimaanlage genannt. Die Luft/Luft-Wärmepumpe besteht aus einem Außengerät und einem oder mehreren Innengeräten, die über Kältemittelleitungen verbunden sind. Dank ihrer Flexibilität finden Luft/Luft-Wärmepumpe im Großteil der mit Wärmepumpen beheizten Hallenbauten Anwendung. Mit ihnen lassen sich Industriehallen und Logistikgebäude relativ preiswert und effizient beheizen. Und sie können bei Bedarf auch kühlen.

1.1.1 Einsatzbereiche

• Gewerbe-, Industrie-, und Logistikhallen
• Neubau und Sanierung
• Nennheizleistung je Gerät von 4 – 28 kW, bis zu 128 Geräte über eine zentrale Bedieneinheit steuerbar
• Höhenunterschied zwischen Innen- und Außeneinheit bis zu 15 m

1.1.2 Installation

Die invertergesteuerten Wärmepumpensysteme können dezentral vor der Gebäudehülle oder auf dem Dach montiert werden. Verbunden mit Kältemittelleitungen, übernimmt ein Innengerät die Verteilung der warmen oder kalten Luft. Ziel ist es, den Abstand vom Außengerät zum Innengerät möglichst klein zu halten. Somit bleiben die Installationswege kurz, um Verluste und Kosten gering zu halten und die Warm- oder Kaltluft kann zielgerichtet eingebracht werden. Die Wärmepumpen benötigen so nur geringe Kältemittelmengen, der Wartungsaufwand bleibt niedrig und preiswert.

1.1.3 Wärmeverteilung

Die Innengeräte können an eine große Auswahl von Luftverteilsystemen angebunden werden und bieten so eine passgenaue Lösung für die unterschiedlichsten Gebäudetypen und Nutzungszwecke. Weitwurfdüsen und Weitwurfgitter zeichnen sich unter anderem durch ihre kompakte Bauweise aus. Sie eignen sich für hohe Industriehallen und Logistikgebäuden und können hohe Luftmengen über weite Distanzen ausblasen. Die Düsen der Ausblasköpfe lassen sich individuell einstellen, womit alle Winkel bzw. Richtungen in der Halle versorgt werden können. Die Verwendung von Weitwurfdüsen und Weitwurfgittern reduziert den Installationsaufwand für das Luftverteilsystem und senkt dadurch die Investitionskosten.

Vorteile von Weitwurfdüsen und -gitter:

• äußerst kompakt
• hohe Luftmengen und Leistungen reduzieren Installationsaufwand
• geringer Wartungsaufwand
• variabel: Strahlwinkel und -richtung individuell einstellbar
• niedrige Investitionskosten

Foto: Elektrische Wärmepumpen – Innengeräte Weitwurfdüsen

Als weitere Variante bieten Textilluftschläuche die Möglichkeit, zielgerichtet Wärme oder Kälte in den Baukörper einzubringen. Textilschläuche können mit Perforationen oder Düsen in verschiedenen Dimensionen und Anordnungen ausgeführt werden, sie werden individuell an die Gegebenheiten angepasst. Textilluftschläuche lassen sich einfach montieren, demontieren und ebenso einfach reinigen. All dies macht den Textilluftschlauch zu einer guten Lösung für Hallengebäude niedriger (4 m) bis mittlerer (ca. 13 m) Höhen.

Vorteile von Textilschläuchen:

• niedrige Investition
• geringes Gewicht
• sehr hygienisch, leichte Reinigung
• hohe Eindringtiefe, auch für große Hallen >10 m lichte Höhe
• schallreduzierendes Material
• keine Kanalisolierung bei niedrigen Zulufttemperaturen erforderlich
• zugfreie Lufteinbringung über Perforationen oder Düsen
• für Kühl- bzw. Heizfall verstellbare Ausführung verfügbar
• reduziert Betriebskosten durch niedrige Druckverluste
• flexible Installation
• Farben wählbar

Foto: Elektrische Wärmepumpen – Innengeräte  Textilschlauch

1.1.4 Vorteile von Luft/Luft Wärmepumpen

• keine Hydraulik und reduzierte Installation im Gebäude erforderlich – dadurch niedrige Investitionskosten
• flexibel und kompakt: Kühlbetrieb mit geringem Mehraufwand realisierbar
• niedriges Gewicht: belastet Gebäudestatik nur gering
• umweltfreundlich: Leichte Umsetzung unternehmerischer Klimaziele mit dem Kältemittel R32
• hohe Ausfallsicherheit durch mehrere, unabhängige Geräteeinheiten

1.2 Die Luft/Wasser Wärmepumpe

Eine Luft/Wasser-Wärmepumpe nutzt ebenfalls die Außenluft als Wärmequelle, gibt die Wärme aber an ein Wassersystem ab, das zum Beispiel für die Fußbodenheizung (Industrieflächenheizung), Betonkernaktivierung oder die Warmwasserbereitung verwendet werden kann.

Luft-Wasser-Wärmepumpen werden insbesondere bei Neubauprojekten auf Grund des guten Preis-Leistungsverhältnisses eingesetzt. Luft-Wasser-Wärmepumpen nutzen ebenfalls die kostenlose Umweltwärme, um effizient warmes beziehungsweise kaltes Wasser zu erzeugen.

Moderne, gut gedämmte Gebäude benötigen für die Deckung des Heizbedarfs nur noch niedrige Vorlauftemperaturen zwischen 35 und 40 °C. In diesem Bereich arbeiten Wärmepumpen besonders effizient. Und selbst bei Heizungssanierungen schlecht gedämmter Gebäude, die höhere Vorlauftemperaturen benötigen, gibt es inzwischen geeignete Lösungen auf Wärmepumpenbasis. Mit ihnen lassen sich Vorlauftemperaturen bis zu 55°C realisieren.

1.2.1 Einsatzbereiche

• Gewerbe-, Industrie- und Logistikhallen
• Neubau und Sanierung
• Leistungen von 6 – 400 kW, kaskadierbar
• auch höhere Vorlauftemperaturen bis zu 55 °C

1.2.2 Installation

Eine Luft/Wasser-Wärmepumpe braucht ein Außengerät, das die Wärme aus der Umgebungsluft aufnimmt, einen Wärme- oder Pufferspeicher, der die Wärme im Innenraum speichert und eine Wärmeverteilung, die die Wärme an den gewünschten Ort bringt.

Foto: Wärmepumpe – Installation

Das Außengerät kann entweder als Monoblock oder als Splitgerät ausgeführt sein. Bei einem Monoblock befindet sich der gesamte Kältekreislauf im Außengerät, während bei einem Splitgerät ein Teil des Kältekreislaufs im Innenraum verbaut ist. So muss beim Monoblock darauf geachtet werden, dass die Wasserleitung zwischen dem Außengerät und dem Wärmespeicher nicht einfrieren kann. Wenn eine höhere Heizleistung benötigt wird ist ebenfalls eine Kaskadierung von mehreren Außengeräten möglich.

Foto: Elektrische Wärmepumpen – Monoblock- und Split-Bauweise

Die Wärmeverteilung selbst kann über verschiedene Systeme erfolgen, wie zum Beispiel eine Fußbodenheizung, eine Industrieflächenheizung, eine Betonkernaktivierung oder Deckenstrahlplatten. Letztere nutzen die Strahlungs- oder Konvektionswärme, um den Raum zu erwärmen.

1.2.3 Wärmeverteilung

• statische Heizkörper / Radiatoren
• Fußboden-/Industrieflächenheizung
• Betonkernaktivierung
• Deckenstrahlplatten
• RLT-Geräte
• Warmlufterhitzer / Ventilatorkonvektoren

1.2.4 Vorteile von Luft/Wasser Wärmepumpen

• im Vergleich zu Sole/Wasser-Wärmepumpen deutlich geringere Investitionskosten
• geringer Platzbedarf im und außerhalb des Gebäudes
• umweltfreundlich, insbesondere bei Nutzung von selbst erzeugtem oder Ökostrom
• leichte Umsetzung unternehmerischer Klimaziele mit dem zukunftsweisenden Kältemittel R32 oder dem natürlichen Kältemitteln R290
• Ersatzmaßnahme für einen mit fossilen Brennstoffen betriebenen Heizkessel durch Anschluss an das wassergeführte Heizsystem
• Reduzierung der Kältemittelmenge durch ein wassergeführtes Verteilsystem
• Kühlbetrieb möglich

2. Wie werden die Leistungsklassen von Wärmepumpen bewertet?

Es gibt unterschiedliche Parameter, die die Effizienz einer Wärmepumpe beschreiben. Nachfolgend wollen wir kurz zeigen, welche Kennzahlen es gibt, nicht alle sind für die Beurteilung beim Kauf wichtig.

Der COP-Wert (Coefficient of Performance) oder Leistungszahl beschreibt die momentane Wärmeerzeugung zur eingesetzten elektrischen Energie. Meistens ist dies der Laborwert und umfasst nicht zusätzliche Verbraucher, wie zum Beispiel die Heizungspumpen.

Der SCOP („Seasonal Coefficient of Performance“ oder in Deutsch saisonaler Leistungskoeffizient) einer Wärmepumpe ist ein Maß für die Effizienz einer Wärmepumpe über die gesamte Heizperiode hinweg. Er gibt an, wie viel Wärmeenergie die Wärmepumpe im Verhältnis zur zugeführten elektrischen Energie in einer Heizperiode produziert. Dieser Wert wird u. a. aus einzelnen COP-Werten für unterschiedliche gewichtete Außentemperaturen (12° C, 7° C, 2° C und -7° C) berechnet und ist für die Ermittlung der Energiekosten heranzuziehen. Je höher der SCOP, desto geringer sind die Stromkosten. Wärmepumpen mit einem SCOP zwischen 3 und 5 sind sehr wirtschaftlich, da sie die Stromkosten über das Jahr um diesen Faktor zum Wärmepreis verringern. Das bedeutet, dass man für jede Kilowattstunde Strom, den man bezahlt, drei bis fünf Kilowattstunden Wärme erhält. Beispiel: Ist eine Wärmepumpe mit einem SCOP von 4 angegeben und der Strompreis beträgt 0,30 Euro pro kWh, zahlt man lediglich 0,075 Euro pro kWh Wärme. Das ist mit Blick auf die reine Wärme oft günstiger als andere Heizsysteme auf Basis von fossilen Energieträgern.

Ein weiterer Bewertungsparameter ist die Jahresarbeitszahl (JAZ), welche meistens im Kontext der gesamten Heizungsanlage benutzt wird und den realen Verbrauch vor Ort darstellt. Konkret misst die Jahresarbeitszahl das Verhältnis von zugeführter Energie (Strom) zu erzeugter Energie (abgegebene Wärme). Die Jahresarbeitszahl wird im Gegensatz zu anderen Wärmepumpen-Kennzahlen nicht rechnerisch, sondern unter realen Bedingungen und über die Dauer eines ganzen Jahres gemessen. Zusätzlich wird die Effizienz des gesamten Heizsystems und des Gebäudes sowie das individuelle Nutzungsverhalten in die Berechnung der JAZ miteinbezogen. Daher kann die Jahresarbeitszahl nicht im Vorhinein von den Herstellern angegeben werden, sondern wird erst nach Kauf und Installation ermittelt.

Ein weiterer Kennwert, welcher als Mindestmaß für die Förderung im Programm Bundesförderung für effiziente Gebäude genutzt wird, ist die jahreszeitbedingte Raumheizungseffizienz (Ƞ_{s, h} -Wert). Dieser Wert beschreibt das Verhältnis von Primärenergieeinsatz zu erzeugter Wärmemenge. Er lässt sich aus dem SCOP ableiten. Hierzu wird der SCOP durch 2,5 dividiert, mal 100 multipliziert und von dem Ergebnis der Korrekturwert 3 abgezogen. Dies drückt schließlich den Wert in Prozent aus. Der Primärenergiefaktor von 2,5 steht für den derzeitigen europäischen Strommix.

Ƞ_{s, h} = (SCOP : 2,5 x 100) – 3

Äquivalent gibt es für die Kühlung folgende Kennwerte: EER statt COP, EER statt SCOP, SEER statt SCOP, Ƞ_{s, c} statt Ƞ_{s, h}

2.1 Welche Kennzahl spiegelt die Effizienz einer Wärmepumpe am besten wider?

Die wichtigste, weil tatsächliche Größe zur Angabe der Effizienz eines Wärmepumpensystems ist die JAZ. Da diese aber erst im Nachhinein ermittelt werden kann, also wenn die Wärmepumpe bereits ein Jahr im Betrieb ist, ist sie für die Beurteilung vorm Kauf ungeeignet.

Darum ist der SCOP-Wert derzeit am meisten verwendete, der ƞs,h-Wert ist normgemäß jedoch der korrekte Wert. Bereits mit Inkrafttreten der Öko-Design-Verordnung 2281/2016 im Jahr 2018 wurden SEER und SCOP abgelöst. Demnach sollte nur der Ƞ_{s, h} -Wert für die Beurteilung und dem Vergleich zwischen den Wärmepumpenmarken vor dem Kauf herangezogen werden. Wohlweislich, dass der Ƞ_{s, h} -Wert die nachgelagerten Verluste bei der Luft/Wasser Wärmepumpe nicht berücksichtigt.

3. Welche Förderungsmöglichkeiten gibt es für Wärmepumpen?

Der Einbau von Wärmepumpen in Bestandsgebäuden wird vom BAFA durch Zuschüsse gefördert. Für die Heizungssanierung beträgt der Förderungszuschuss 25% aller anfallenden Kosten der Sanierungsmaßnahme. Wird eine bestehende Öl-, Kohle- oder Nachtspeicherheizungsanlage vollständig ausgebaut und durch die Wärmepumpe ersetzt, erhöht sich die Förderung um weitere 10 %-Punkte. Förderfähig sind aktuell sowohl Luft-Wasser als auch Luft-Luft-Wärmepumpen. Bei Luft-Wasser-Wärmepumpen können zusätzlich weitere 5 %-Punkte durch Nutzung von natürlichen Kältemitteln, wie z.B. R290 (Propan) gefördert werden.

4. Worauf sollte man bei der Planung von Wärmepumpen achten?

Die Planung einer Wärmepumpenlösung für die Industrie und Logistik ist komplex und muss viele Parameter berücksichtigen. Angefangen von der Statik des Hallendachs über die anwedungsspezifischen Details (Lager, Produktion, Büroeinbauten), Lastberechnungen bis hin zu der elektrischen Anschlussleistungen oder Nutzung eigener Ressourcen wie Photovoltaik, Solarthermie-Anlagen oder gar bestehende Hallenheizungskonzepte wie Dunkelstrahler, die als Hybridlösung energetisch und wirtschaftlich sinnvoll mit eingebunden werden können. Ein vielschichtiges Thema also, weshalb die Planung immer in die Hände von Hallen-Profis gegeben werden sollte. Die gängigen Hersteller oder wie Schwank selbst ein Hersteller von speziellen Hallenheizsystemen sind in diesem Falle die besten Adressen.

Grundsätzlich gilt: Mit einer sorgfältigen Auslegung der Wärmepumpen und Kanalinnengeräten kann eine angenehme Hallenheizung realisiert werden, die den Anforderungen an Behaglichkeit und Energieeffizienz gerecht wird und darüber hinaus noch kühlen kann.

5. Was kostet eine Wärmepumpe?

Ein heikles Kapitel, das sich abschließend nicht objektiv beantworten lässt, ohne weit auszuholen. Grundsätzlich sind Luft/Luft Wärmepumpen für die Industrie deutlich günstiger in der Realisierung als Luft/Wasser Wärmepumpen. Überschlägig in etwa den Faktor 2. Grund: der technische Aufwand ist höher für Material und Montage, von z. B. Wasserleitungen, Pumpen und Ventilen, Pufferspeicher, hydraulischer Abgleich etc. Dafür lassen sich Luft/Wasser Wärmepumpen prima in bereits bestehende Warmwasserverteil-Systeme integrieren und können weitere regenerative Systeme einbinden, zum Beispiel Solarthermie oder Photovoltaik.

Dann sollten die TCO (Total Cost of Ownership) betrachtet werden. Welche Systeme bekomme ich gefördert, wo liegt mein angestrebter ROI (Return on Investment) und was brauche ich als zusätzliche Maßnahmen, um die Wärmepumpenlösung ans Laufen zu bringen? Wenn Sie nachfolgende Fragen beantwortet haben, lässt sich die Kaufentscheidung vereinfachen:

• Was kostet mich die Kilowattstunde Strom?
• Wie ist der SCOP-Wert der Wärmepumpe?
• Was kostet mich das Kilowatt Wärme?
• Brauche ich Zusatzmaßnahmen (Stromanschluss …)?
• Macht es aus wirtschaftlichen Gründen Sinn, die Spitzenlasten mit einer fossilen Heizung abzudecken?
• Macht es aus unternehmerischen Gründen Sinn, ein hybrides System zu planen?
• Wie viel ist mir mein „grüner“ Fingerabdruck wert?
• Wie hoch ist der Gerätepreis?
• Wie hoch belaufen sich die Installationskosten?
• Welche Förderungen bekomme ich?
• Kann ich selbst erzeugten Strom nutzen und meine Energiekosten reduzieren?
• Statik des Hallendaches

6. Fazit bzw. Welche Wärmepumpe eignet sich für Hallen am besten?

Jede Wärmepumpenart hat Stärken und Schwächen. So entscheiden der Baukörper und der jeweilige Anwendungsfall, welche Wärmepumpe die beste ist. Wessen Dachlasten zum Beispiel nahezu ausgeschöpft sind, sollte auf ein aufwendiges Kanalsystem verzichten und zwecks Verteilung besser auf mehrere kleine und damit leichtere Geräte setzen.

Luft/Wasser Wärmepumpen sind eine besonders flexible Lösung für die Heizung und Kühlung von Gebäuden. Sie können sowohl in Neubauten als auch in bestehenden Gebäuden zur Sanierung eingesetzt werden. Für Neubauten mit Fußbodenheizung bieten sie eine hohe Effizienz und einen geringen Platzbedarf. Zudem lassen sich Luft/Wasser Wärmepumpen mit Pufferspeichern kombinieren, um die Wärme zu speichern und bei Bedarf abzugeben. Mit Blick auf eine noch geringere Umweltbelastung können Luft/Wasser Wärmepumpen mit natürlichen Kältemitteln wie R290 (Propan) betrieben werden.

Luft/Luft Wärmepumpen sind vor allem für die Heizung und Kühlung in Neubauten mit hoher Bodenbelastung geeignet, wie zum Beispiel in der Logistik oder in Produktionshallen. Sie haben den Vorteil, dass sie keine Wasserleitungen (z.B. im Fußboden) benötigen und die Installation deutlich vereinfachen. Außerdem können sie schnell zwischen Heizen und Kühlen umschalten, je nach den klimatischen Bedingungen. Die dezentrale Aufstellung der Luft/Luft Wärmepumpen reduziert die Wärmeverluste über die Verteilung und ermöglicht eine individuelle Regelung der Raumtemperatur. Selbst in bestehenden Gebäuden können Luft/Luft Wärmepumpen eine kostengünstige und effektive Lösung sein.

Fazit: Wärmepumpen sind in Neubauten, aber auch in gut gedämmten Bestandsbauten eine effiziente und umweltfreundliche Art, Hallen zu beheizen. Sie ermöglichen die Reduzierung von Energiekosten und CO2-Emissionen und nutzen ganz im Sinne der Energiewende regenerative Energien. Sie bieten als Luft-Luft-Wärmepumpen die Möglichkeit zu Kühlen und zu Entfeuchten. Siehe Projektbericht Next Pharma.