Wärmepumpen-Blogserie: Was bewirkt der Heizstab?

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Haus mit Garten und Wärmepumpe
Wärmepumpen arbeiten auch mit einem Heizstab sowohl im Neu- als auch Altbau effizient / Foto: (c) BWP e.V.

Verringert ein Elektroheizstab beim Betrieb einer Wärmepumpe deren Effizienz? Diese Frage stellen Hausbesitzer:innen sich häufig vor dem Umstieg auf ein Wärmepumpensystem. Wir belegen in diesem fünften Teil unserer Blogreihe zum Thema Wärmepumpen im Bestand, dass Heizstäbe keinen negativen Einfluss auf die Energieeffizienz von Wärmepumpen haben.

Wie funktioniert ein elektrischer Heizstab in einer Wärmepumpe?

Heizungssysteme mit Wärmepumpen sind meistens mit einem direkt-elektrischen Heizstab ausgestattet. Üblicherweise übernimmt der Elektroheizstab die Wärmebereitstellung für den Pufferspeicher ab einer definierten Außentemperatur (zum Beispiel -5°C, auch „Bivalenzpunkt“ genannt) – entweder allein oder parallel zur Wärmepumpe. Dadurch lässt sich die erforderliche Größe (Leistung) von Außenluft-Wärmepumpen begrenzen.

Heizstab als ökonomisch sinnvolle Ergänzung zur Wärmepumpe

Die geringere Größe verbessert zum einen die Wirtschaftlichkeit des Systems, zum anderen optimiert sie die Arbeit der Wärmepumpen bei höheren Außentemperaturen. Ein zu großer Unterschied zwischen dem Heizbedarf des Gebäudes (sogenannte Heizlast) und der Leistung der Wärmepumpe führt dazu, dass der Verdichter der Wärmepumpe häufig eingeschaltet wird, was sich negativ auf dessen Lebensdauer auswirkt. Der Verdichter ist – wie der Name sagt – dazu da, das Kältemittel der Wärmepumpe zu verdichten. Bei diesem Vorgang entsteht Wärme. Bei leistungsgeregelten Wärmepumpen, die ihre Leistung entsprechend der herrschenden Bedingungen anpassen können, schaltet der Verdichter sich deutlich seltener ein.

Im Vergleich zur Wärmepumpe hat der Heizstab eine deutlich schlechtere Effizienz. Die Grundannahme ist, dass elektrische Heizer eine Einheit elektrische Energie in eine Einheit Wärme umwandeln. Die meisten Wärmepumpen liefern dagegen zwischen 3 und 4 Einheiten Wärme pro Einheit elektrischer Energie (siehe vorherige Folge der Serie). Sie sind also drei- bis viermal effizienter als die Heizstäbe.

Wie oft arbeiten Heizstäbe im Heizungssystem?

Kommt der Heizstab eines Wärmepumpensystems also häufig zum Einsatz, ist dies sowohl für die Betriebskosten als auch für die Ökologie ungünstig. Häufig besteht gegenüber Wärmepumpen das Vorurteil, dass der Heizstab oft genutzt werden müsse und die Heizkosten dadurch „explodieren“ würden. Felduntersuchungen widerlegen diese Annahme eindeutig.

Grafik: Energieeffizienz von Wärmepumpen

Die Grafik bildet eine Quer-Auswertung von insgesamt 266 im Feld untersuchen Wärmepumpenanlagen ab. Die 117 Luft/Wasser- und 149 Sole/Wasser-Wärmepumpen (auch als Erdwärmepumpen benannt) wurden in den letzten 15 Jahren im Rahmen von vier Forschungsprojekten getestet (jeweils zwei im Neubau und im Gebäudebestand).

Wie viel Energie verbraucht ein Heizstab?

Aus 100% elektrischer Energie (blaue Fläche) ließen sich 292% Wärmeenergie bei den Außenluft- bzw. 382% bei den Erdreich-Wärmepumpen (grüne Fläche) gewinnen. Das entspricht Effizienzwerten von 2,9 bzw. 3,8. Die orange Fläche bildet den Stromverbrauch der Heizstäbe ab. Bei den Luft/Wasser-Wärmepumpen betrug der Anteil der von Heizstäben benötigten elektrischen Energie lediglich 2,8%. Dabei ist zu beachten, dass bei etwa der Hälfte der Anlagen die Heizstäbe überhaupt nicht gearbeitet hatten (unabhängig davon, ob im Neubau oder Altbau).

Im letzten Monitoringprojekt in Bestandsgebäuden betrug die relative Heizstabarbeit bei Luft/Wasser-Wärmepumpen im Mittel lediglich 1,9%. Ein signifikanter Betrieb des Heizstabs wurde nur bei falscher Einstellung, bei Defekten oder infolge eines Legionellenschutzes bei der Warmwasserbereitung festgestellt.

Bei den Erdreichwärmepumpen war der Heizstabeinsatz deutlich geringer als bei den Außenluftwärmepumpen und betrug im Schnitt lediglich 1,2%. Bei ca. 75% der Anlagen brauchte der Heizstab überhaupt nicht zu arbeiten. Praktiker:innen überraschen diese Werte nicht: Bei den Erdreichanlagen dient der Heizstab lediglich als Absicherung für den Fall eines Defekts.

Wie teuer ist der Einsatz eines Heizstabs bei einer Wärmepumpe?

Der Heizstab kommt also in der Regel sehr selten zum Einsatz. Doch welche Kosten fallen dadurch dennoch an? Dies hängt von mehreren Faktoren ab. Für die folgenden Berechnungen wurde ein Haus mit 150 m² Heizfläche, einer Wärmepumpe mit einer Effizienz von 3,0 und ein Strompreis von 30 Cent pro kWh angenommen. Vorausgesetzt, dass der Heizstabanteil 1% beträgt, belaufen sich die jährlichen Kosten des Heizstabs bei einem nicht sanierten Altbau (Heizenergiebedarf von 150 kWh pro m² und Jahr) auf 45 €. Bei einem Neubau (Heizenergiebedarf von 50 kWh pro m² und Jahr) liegen sie bei 15 €! [redaktioneller Hinweis: Die ursprüngliche Berechnung (2021) ging von 25 Cent pro kWh aus. Aufgrund der aktuellen Strompreissituation haben wir diesen Wert angepasst.]

Wärmepumpe und Heizstab: Sinnvoll in Theorie und Praxis

Theorie und Praxis zeigen übereinstimmend, dass die Heizstabanteile im Betrieb von korrekt geplanten und ausgelegten Wärmepumpenanlagen drei Prozent nicht übersteigen. Ein größerer Anteil deutet in den meisten Fällen auf Optimierungspotential bei der Wärmepumpenanlage hin. Damit ist klar, dass der Einsatz des Heizstabs keinen relevanten Einfluss auf die Effizienz der Wärmepumpe hat.

Die bisherigen Folgen der Serie haben sich überwiegend mit grundlegenden Zusammenhängen und Mittelwerten aus Feldstudien zu einer Vielzahl von realen Wärmepumpenanlagen beschäftigt. In der nächsten Folge werden wir zwei Beispiele von konkreten Bestandsgebäuden mit Wärmepumpen genauer vorstellen.

Zum Weiterlesen:

Überblick über die verschiedenen Einsatzmöglichkeiten von Wärmepumpen.

Die Inhalte unserer jeweils am Samstag erscheinenden Wärmepumpen-Blogserie hat uns das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) zur Verfügung gestellt, wofür wir sehr herzlich danken!

 

Autor: Dr. Marek Miara, Wärmepumpen-Spezialist am Fraunhofer ISE (Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme)

Vorige Woche – in Folge 4 – haben wir das Thema behandelt, wie effizient Wärmepumpen auch im Altbau arbeiten können. Am kommenden Samstag beschäftigen wir uns in Folge 6 mit der Frage, wie gut sich Wärmepumpen in teilsanierten und unsanierten Gebäuden in der Praxis bewährt haben.

Links zu allen bisher erschienen Folgen finden Sie hier im Kasten am Ende von Folge 1.