Doppelt profitiert!

Jetzt war es amtlich. Was Irgendwer aufgrund der mageren Eisbilanz schon vermutet hatte, hatten die Wetterfrösche nun wissenschaftlich bestätigt: Pannonien hatte den zweitwärmsten Winter der fast 250jährigen Messgeschichte erlebt, wobei als ‚meteorologischer Winter‘ die Monate Dezember, Jänner und Februar zu verstehen waren.

Schneeglöckchen

Auch die Schneeglöckchen hatten den milden Winter für eine frühe Blüte genutzt…

Während der letzte Winter (2012/2013) als normal eingestuft werden konnte, lagen die Durchschnittstemperaturen in diesem Winter (2013/2014) ca. 2,5°C über dem langjährigen Mittelwert.

Das hatte sich natürlich auch auf die Heizkosten positiv ausgewirkt. Nach akribischer Durchsicht seiner Aufzeichnungen stellte Irgendwer fest, dass er diesen Winter um exakt 6,4 % weniger Heizenergie für seine Siedlerhütte benötigt hatte als letztes Jahr. – Er hatte sich aber 14 % seiner Heizkosten erspart!

Wie ging denn das?!

Gegenüberstellung Winter 2012/2013 und 2013/2014

Gegenüberstellung der Messwerte für den ’normalen‘ Winter 2012/2013 und den außergewöhnlich warmen Winter 2013/2014.

Was zuerst wie ein Widerspruch aussah, ließ sich bei genauerem Hinsehen aber rasch erklären. Für ein Wärmepumpensystem – wie LEO_2 – war ja auch wichtig, wie effizient es die Energie aus der Umwelt gewonnen hatte. Dafür spielten im wesentlichen zwei Parameter eine Rolle:

  • Die Heizungsvorlauftemperatur: Der Mittelwert war in diesem Winter um 1,5°C niedriger als 2012/2013. Das war eine unmittelbare Folge der höheren Außentemperaturen.
  • Die Soleeintrittstemperatur:  Der Mittelwert lag in diesem Winter um 1,8°C höher als 2012/2013. Das war der ausgeklügelten Wärmequelle von LEO_2 zu verdanken, die über den Kollektor die höheren Außentemperaturen direkt nutzbar gemacht hatte.

Zusammen ergab das dann für 2013/2014 mit einem Wert von 4,4 eine um 10% bessere ‚Winterarbeitszahl‘ im Vergleich zu 2012/2013.

Das hieß in knallharten Zahlen: Innerhalb der 3 Wintermonate hatte Irgendwer 327 kWh weniger elektrische Energie ‚verheizt‘ und dadurch fast € 20,– pro Monat gespart!

Das Wärmequellen-Paradoxon

Manchmal fragte sich Irgendwer, warum sich eigentlich ein Großteil der Wärmepumpenbenutzer für eine Luft-Wasser Wärmepumpe entscheidet, obwohl das im Vergleich das ineffizienteste Wärmepumpensystem ist.

Wahrscheinlich, weil man sich einfach keine Gedanken über die Erschließung der Wärmequelle machen muss, und weil es prinzipiell ‚eh funktioniert‘. – Also die einfachste Lösung, wenn auch – auf Dauer gesehen – nicht die günstigste

Kostenentwicklung bei verschiedenen Jahresarbeitszahlen

Entwicklung der Betriebskosten mit der Zeit.
Die höhere Investition in ein effizientes Wärmepumpensystem mit einer ‚guten‘ Wärmequelle und damit einer höheren Jahresarbeitszahl (JAZ) wird auf Dauer durch die niedrigeren Betriebskosten mehr als ausgeglichen.
Eine JAZ = 2,8 entspricht der durchschnittlichen Jahresarbeitszahl von Luftwärmepumpen, die in Feldtests ermittelt wurde. Mit einer guten Wärmequelle (z.B. LEO_2) lassen sich auch in der Praxis Jahresarbeitszahlen größer als 4 erreichen.

Und warum Wärmepumpen auch mit einer schlechten Wärmequelle ‚prinzipiell eh funktionieren‘ hängt mit dem Wärmequellen-Paradoxon zusammen, das man wie folgt formulieren kann:

„Je ineffizienter ein Wärmepumpensystem ist, umso unwichtiger ist eine gute Wärmequelle.“

Ein ineffizientes Wärmepumpensystem bedeutet, dass dessen Jahresarbeitszahl klein ist. Damit erntet (bzw. benötigt) die Wärmepumpe weniger Umweltenergie und es steigt der Anteil der elektrischen Energie an der von der Wärmepumpe abgegebenen Wärmeenergie.

Wenn also das Wärmepumpensystem nur ineffizient genug ist, braucht man sich um die Wärmequelle kaum noch Gedanken zu machen. Der ‚einzige Nachteil‘ ist eine hohe Stromrechnung.

Umgekehrt muss eine Wärmequelle für ein effizientes Wärmepumpensystem sehr viel (kostenlose) Umweltenergie liefern. Das macht die Auslegung etwas schwieriger und den Bau etwas aufwändiger.

Im Endeffekt passt sich eine Wärmepumpe – oft unbemerkt vom Betreiber –  aber immer sehr flexibel an die Wärmequelle an: Ist die Wärmequelle gut, braucht die Wärmepumpe wenig Strom, ist die Wärmequelle schlecht und liefert wenig Umweltenergie, verbraucht die Wärmepumpe umso mehr Strom.

Eine weitere Formulierung des Wärmequellen-Paradoxons lautet:

„Je schlechter die Wärmequelle, umso ’stärker‘ wird die Wärmepumpe ausgelegt.“

Eine schlechte Wärmequelle ist durch eine im Mittel niedrige Wärmequellentemperatur gekennzeichnet. Da die Heizleistung einer Wärmepumpe mit sinkender Wärmequellentemperatur stark sinkt, muss eine Wärmepumpe mit höherer Nennleistung gewählt werden, damit die benötigte Heizleistung auch noch bei einer niedrigen Wärmequellentemperatur erbracht werden kann.

Was bewirkt also das ‚Wärmequellen-Paradoxon‘:

  • Wärmepumpensysteme funktionieren prinzipiell auch mit einer schlechten Wärmequelle, wenn auch ineffizient und entsprechend überdimensioniert.
  • Eine vermeintlich günstigere Investition wird über die Jahre mit einer höheren Stromrechnung teuer bezahlt.

Schade, eigentlich …

Kleine Wärmepumpenkunde: JAZ & COP

Irgendwer schüttelte ungläubig den Kopf, nachdem er in einer Pannonischen Postille folgende, etwas dreiste Werbebotschaft für eine Wärmepumpe gelesen hatte:

„… die leiseste Luft-Wasser Wärmepumpe mit einer Jahresarbeitszahl (JAZ) > 4 … „

Stihl kettensaegeStarker Tobak. Ganz abgesehen davon, dass auch die ‚leiseste‘ Motorsäge noch immer ziemlichen Lärm verursachen konnte, war er doch etwas verwundert, dass dieser Wärmepumpen-Verkäufer eine Behauptung über eine (für eine Luft-Wasser-Wärmepumpe nicht zu kleine!) Jahresarbeitszahl aufstellte …

Zum Hintergund:

Eine mit Strom betriebene Wärmepumpe entzieht einer Wärmequelle bei niedriger Temperatur Wärmeenergie und gibt diese bei hoher Temperatur wieder an das Heizsystem ab.

Prinzip Wärmepumpe

Eine Wärmepumpe muss immer im Zusammenhang mit der Wärmequelle und dem Wärmeabgabesystem betrachtet werden.
Entscheidende Größen für ihre Effizienz sind: Eintrittstemperatur der Wärmequelle in die Wärmepumpe (T.WQ.EIN), Vorlauftemperatur des Heizkreises (T.HZG.VL) und der damit verbundene Temperaturhub (ΔT).

Dabei steigt sowohl die Heizleistung als auch die Effizenz der Wärmepumpe mit

  • steigender Eintrittstemperatur der Wärmequelle in die Wärmepumpe (T.WQ.EIN)
  • sinkender Vorlauftemperatur auf der Heizungsseite (T.HZG.VL)

Seriöse Leistungsangaben einer Wärmepumpe müssen sich daher immer auf diese beiden Temperaturen beziehen.

Um Wärmepumpen verschiedener Hersteller vergleichen zu können, verwendet man die Leistungszahl (= Coefficient Of Performance = COP). Dabei wird bei genau definierten Laborbedingungen das Verhältnis von abgegebener Wärmeleistung zu aufgenommener elektrischer Leistung gemessen:

COP = Wärmeleistung / Elektrische Leistung (bei Normbedingungen)

Unter realen Betriebsbedingungen ändern sich Wärmequellentemperatur und Heizungsvorlauftemperatur und damit die Leistungsdaten der Wärmepumpe ständig. Das ist von vielen Faktoren der Gesamtanlage abhängig, wie z.B.:

  • Dimensionierung und Zustand der Wärmequelle
  • Wärmeabgabesystem (Fußbodenheizung, Radiatoren, Warmwasserspeicher)
  • Nutzungsverhalten (Raum- und Warmwassertemperatur)
  • Regelung (Heizkurve, Positionierung von Temperatursensoren, Abschaltbedingungen)
  • Art und Größe der verwendeten Pufferspeicher und Warmwasserspeicher
  • etc …

Um die Qualität der Gesamtanlage im Realbetrieb beurteilen zu können, verwendet man daher die Jahresarbeitszahl (JAZ). Es wird die gesamte in einem Jahr von der Wärmepumpe gelieferte Wärmeenergie ins Verhältnis zur gesamten eingesetzten elektrischen Energie gesetzt:

JAZ = Gewonnene Wärmeenergie pro Jahr / Eingesetzte elektrische Energie pro Jahr

Dabei werden bei der elektrischen Energie auch Zusatzaggregate (Ventilatoren, Solepumpe, Ladepumpe), sowie der Bedarf für elektrische Notheizung und Abtauen berücksichtigt.

Für die Effizienz und damit die Sparsamkeit einer Wärmepumpenanlage ist die Jahresarbeitszahl die entscheidende Größe. Sie muss für jede Gesamtanlage individuell bestimmt werden und kann niemals die Eigenschaft einer Wärmepumpe alleine sein.

Und wie eine Reihe von Feldstudien zeigt, ist es (besonders für Luft-Wasser-Wärmepumpen) in der Praxis absolut nicht einfach, eine Jahresarbeitszahl > 4 zu erreichen …

Weiterführende Links:

Warum eigentlich keine Solaranlage ?

Es begab sich, dass ein Siedler-Freund folgende leicht provokante Frage an Irgendwen richtete:

„Warum mocht so a Öko-Fuzzi wia Du sei Woamwossa eigentlich ned mid ana Solaraunlog?“

(Übersetzt: Warum hast Du, der Du so viel für Deine Umwelt übrig hast, eigentlich keine solarthermische Anlage zur Warmwasserbereitung?“.

Solaranlage zur Warmwasserbereitung (pixabay.com)

Warum sollte sich Irgendwer zusätzlich zu seiner ‚Erfindung‘ eine Solaranlage auf dem Dach installieren?

Woraufhin Irgendwer genauso lapidar wie überzeugt zurückgab:

„Weu’s ma nix bringt!“

(Übersetzt: Weil ich mir, als Betreiber ‚Der Erfindung‚ weder einen ökonomischen noch einen ökologischen Zusatznutzen davon verspreche!“).

Daraufhin entspann sich ein angeregter Dialog zwischen den beiden, in dem ‚die Sonne, die keine Rechnung schickt‚ genau so thematisiert wurde, wie ‚die kostenlose Umweltenergie‚. Solare Deckungsgrade und Arbeitszahlen wurden einander an den Kopf geworfen, jedes Für und Wider haarklein diskutiert. Da dieser Dialog auch zeitweise den Boden der Sachlichkeit verließ, ist er hier nicht im Detail wiedergegeben …

Angeregte Diskussion (pixabay.com)

Es entspann sich eine angeregte Diskussion über Für und Wider von Solaranlagen oder Wärmepumpen zur Warmwasserbereitung …

Schließlich kamen sie zum Schluss, dass es übers Jahr gesehen für einen Öko-Fuzzi‘ nicht wirklich einen Unterschied machte, welche der beiden Alternativen man für die Warmwasserbereitung einsetzte:

Der Besitzer der Solaranlage mit einem (typischen) solaren Deckungsgrad von 70% musste 30% seiner Warmwasserenergie mit einer konventionellen Heizung (oder mit einem Heizstab – also Strom) erzeugen.

Der Besitzer der ‚Erfindung‘ (Wärmepumpe) benötigt für die Warmwasserbereitung mindestens eine Jahresarbeitszahl von 3,33, um 70% seines Warmwasserbedarfes über Umweltenergie decken zu können. Das war mit ‚Der Erfindung‘ leicht zu schaffen!

Deckung Energiebedarf mit Umweltwärme

Warmwasser mit Wärmepumpe oder Solaranlage: Übers Jahr gesehen benötigt eine Solaranlage genausoviel ‚konventionelle‘ Zusatzenergie wie ‚Die Erfindung‘, um den gesamten Warmwasserbedarf zu decken.

Mit einer zusätzlichen Solaranlage könnte ‚Die Erfindung‘ zwar noch etwa 2% des Wärme-Energie-Jahresbedarfs einsparen. Das stünde aber in keinem Verhältnis zu den zusätzlichen Kosten…

Abgesehen davon war Irgendwer auch von den folgenden Vorteilen seiner ‚Erfindung‘ gegenüber einer Solaranlage überzeugt:

  • Warmwasser exakt dann, wenn er es benötigte, unabhängig vom Sonnenschein und mit einer Menge und Temperatur, die seinen Bedürfnissen entsprach.
  • keine Probleme mit einer Überhitzung der Anlage an heißen, sonnigen Sommertagen
  • EINE übersichtliche und robuste Anlage für Heizen, Kühlen und Warmwasserbereitung
  • an heißen Sommertagen konnte er die Kälte, die die Wärmepumpe bei der Warmwasserbereitung erzeugte, direkt für das Kühlen seiner Siedlerhütte verwenden

Und die Dachfläche hatte er eigentlich auch schon für etwas Anderes verplant …

Eine gute Investition!

Wo sind die Zeiten, als Irgendwer für sein Taschengeld, das er in die Sparbüchse gesteckt hatte noch soviel Zinsen von der Bank bekommen hatte, dass es sich ‚ausgezahlt hatte‘, zu sparen. Davon konnte man heute nur mehr träumen, denn inzwischen nagte die Inflation unbarmherzig an seinem Ersparten.

Die Geschichte des Sparefroh

Früher – ganz früher – hatte der Sparefroh dafür gesorgt, dass sich sein Taschengeld auf der Bank vermehrte. Heute nagte die Inflation an seinem Ersparten …
Bild: Sparkasse

Vor allem die Energie- und damit die Heizkosten waren in den letzten Jahren so stark gestiegen, wie nie zuvor. Umso mehr erfüllte ihn seine letzte Investition, mit der er seine bisherige Gasheizung durch die Erfindung (ein Wärmepumpensystem) ersetzt hatte, mit Genugtuung.

Nachdem er folgende  Rechnung für die Heizkosten-Ersparnis angestellt hatte, war es ihm sehr schnell klar geworden, dass es zwei wesentliche Faktoren gab, die für eine möglichst hohe Heizkostenersparnis ausschlaggebend waren:

  • eine hohe Jahresarbeitszahl (JAZ) seiner Wärmepumpenanlage
  • das Verhältnis von Strompreis / Gaspreis
Heizkostenersparnis: Wärmepumpe vs. Gas-Brennwert

Wenn man davon ausgeht, dass die Energiepreise für Strom und Gas zukünftig im gleichen Ausmaß steigen (Verhältnis Strompreis / Gaspreis bleibt über die Zeit unverändert), bestimmen die Jahresarbeitszahl (JAZ) und die (bisherigen) Heizkosten der Gasheizung (HK) die Ersparnis.

Was Irgendwem an dieser Rechnung besonders gefiel, war die Tatsache, dass seine Jährliche Ersparnis (in Euro) automatisch mit steigenden Gaspreisen steigen würde und damit die Inflation automatisch abgegolten war: dafür sorgte der Vor-Faktor ‚Heizkosten Gasheizung‘ (HK) in seiner Rechnung.

Wenn sich Irgendwer die Ersparniskurve grafisch veranschaulichte, wurde auch noch ein weiterer Aspekt der Rechnung augenfällig: Es gab eine minimale Jahresarbeitszahl, ab der sich seine Investition überhaupt erst lohnte!

Heizkosten Ersparnis: Grafische Darstellung

Mit einer Wärmepumpe kann man gegenüber einer Gas-Brennwert Heizung erst dann Heizkosten sparen, wenn die Jahresarbeitszahl größer ist als das Verhältnis von Stromkosten / Gaskosten.
Das gilt sinngemäß auch für andere Energieträger (Öl, Pellets, …)

Nach seinen bisherigen Messungen lag die Jahresarbeitszahl der Erfindung mit JAZ = 4,2 aber wesentlich über diesem minimalen Wert und daher deutlich in der Gewinnzone.

Und das war nur die reine Heizkosten-Ersparnis. Wenn er daran dachte, dass er sich zukünftig auch die jährliche Wartung seiner Gasheizung sparen würde, wurde ihm ganz warm ums Herz …

Eiszeit in Pannonien …

Nur selten wurde es so richtig kalt in Pannonien, aber jetzt war es wieder einmal soweit:  der sibirische Frost sickerte von Osten in die Tiefebene und ließ die Eiszapfen von den Dächern wachsen…

Eiszapfen

Nur selten wurde es so kalt in Pannonien, dass die Eiszapfen meterlang von den Dächern hingen.

So mancher Siedler verheizte Öl, um seine Siedlerhütte warm zu halten. Aber Irgendwer begann nun, da die Kollektorernte nicht mehr ausreichte, Wasser aus dem Tank zu Eis zu verheizen.

Während der Vorrat der Öl-Siedler ‚dahin schmolz‘, machte sein Wasservorrat genau das Gegenteil: er ‚gefror dahin‚. Wenn er an einem kalten Wintertag seine Hütte alleine durch das Gefrieren von Wasser in seinem Tank heizen wollte, musste seine Wärmepumpe ca. 750 Liter Wasser zu Eis machen. Der Öl-Siedler musste für den gleichen Zweck mindestens 10 Liter Öl verheizen.

Wenn Irgendwer das so durchrechnete, kam er schnell zum Schluss, dass seine Wärmepumpe ein Monat lang ausschließlich Energie aus dem Wassertank entnehmen musste, damit dieser komplett durchgefroren und der größte Eiswürfel Pannoniens Wirklichkeit geworden war.

Status Wassertank

Nach mehr als der Hälfte der Heizperiode waren erst weniger als 20% des Wasservolumens gefroren. Genügend Vorrat für weitere kalte Tage und Wochen …

Wenn er so auf den aktuellen Wasserstand blickte, war das im heurigen Winter wohl nicht mehr zu schaffen. Nach mehr als der Hälfte der Heizsaison waren erst ca. 20% seines Wasservorrates gefroren und der Wetterfrosch hatte das nächste Tauwetter schon angesagt.

Doch Irgendwer war nur ein bisschen traurig, dass sein Rekordversuch so gut wie gescheitert war. Vielmehr erfüllte es ihn mit Gelassenheit, wenn er daran dachte, dass das Tauwetter das Eis im Tank dahin schmelzen und seinen Energievorrat wie von selbst wieder auffüllen würde.

Etwas, das sich der Öl-Siedler nur wünschen konnte. Ihm würde die Rechnung nach der nächste Füllung seines Öltanks wahrscheinlich wieder die Tränen in die Augen treiben …

Eine Glühbirne und ein Vergleich …

Eine Glühbirne kann sich jeder vorstellen. Die 100-Watt-Glühbirne ist ein weltbekannter Klassiker, der zwar inzwischen verboten ist, aber immer noch gerne für Vergleiche strapaziert wird.

Light bulb , Castle Schönfeld

Der klassische Russenluster, angebracht an einer klassischer Kassettendecke.

Schwieriger wird es schon, wenn man sich 270.000 (in Worten: zweihundertsiebzigtausend) 100-Watt-Glühbirnen vorstellen soll. Gut. Das sind halt sehr viele Glühbirnen. Um einen anderen klassischen Vergleich zu bemühen: Würde man diese 270.000 Glühbirnen, eine neben der anderen in ein Fußballfeld einschrauben, würden nicht einmal beide Strafräume bedeckt sein …

So, das war die Pflicht, aber jetzt kommt die Kür!

Stellen wir uns vor, diese 270.000 100-Watt-Glühbirnen brennen genau 18.800 ( in Worten: achzehntausendachthundert) Stunden, also sehr lange. Vielleicht kann man sich als Normalsterblicher 2 Jahre und 2 Monate besser vorstellen (= 18.800 Stunden).

So, wenn man das schließlich verinnerlicht hat, ist man für den folgenden Vergleich bestens gerüstet, den Irgendwer Schwarz auf Weiß in einer Pannonischen Postille gefunden hat:

Vergleich 100-Watt-Glühbirne

Nicht alles, was hinkt, ist ein Vergleich …

Weiterführende Informationen zu diesem Thema:

Hilfreiche Umrechnungen: Die Chinesische Mauer entspricht 3.599.550 Giraffenhals-Längen.

Weitere Informationen zum Thema, insbesondere für Liebhaber der Einheiten ‚Badewannen‘ und ‚Fußballfelder‘.