Wie funktioniert eine Wärmepumpe in kaltem Klima?

Die Wärmepumpe ist eine der effizientesten Methoden, um Häuser in verschiedenen Klimazonen zu heizen und zu kühlen. Aber können Wärmepumpensysteme auch bei Temperaturen unter 20 Grad Fahrenheit (ca. -6,7 Grad Celsius) noch betrieben werden? Entgegen der weit verbreiteten Meinung können moderne Wärmepumpen für kaltes Klima auch bei Temperaturen unter -10 Grad Celsius (14 Grad Fahrenheit) effektiv Häuser heizen. Selbst bei diesen niedrigen Temperaturen sind die besten Wärmepumpen für kaltes Klima immer noch energieeffizienter als Heizungen und Kessel.

 

Man muss nur die Millionen von Hausbesitzern auf der skandinavischen Halbinsel fragen, um dies zu verstehen. Die Installationsrate von Wärmepumpen in Norwegen, Finnland und Schweden wächst schneller als in jedem anderen Land in Europa. Vielleicht denken Sie: „Skandinavier machen wirklich alles besser als der Rest der Welt.“ In einigen US-Bundesstaaten jedoch wurden Wärmepumpen sogar schneller eingeführt als in den oben genannten Ländern, sogar in einigen der kältesten Regionen. Im vergangenen Jahr wurden im US-Bundesstaat Maine 50 Einheiten pro 1.000 Haushalte verkauft, etwas mehr als im führenden europäischen Land Norwegen. Zum Vergleich: In anderen Regionen der USA wurden 23 Einheiten pro 1.000 Haushalte verkauft.

 

Überzeugende Beweise zeigen, dass Wärmepumpen den meisten Hausbesitzern auch eine erhebliche Menge Geld sparen können. Daten aus dem ResStock-Modell des National Renewable Energy Laboratory (NREL) zeigen, wie viel Geld Hausbesitzer in verschiedenen Staaten durch den Umstieg auf Wärmepumpen sparen können. Zum Beispiel kann der durchschnittliche Hausbesitzer in Maine 718 US-Dollar pro Jahr sparen. Im kalten und bevölkerungsreichen Bundesstaat New York kann der durchschnittliche Hausbesitzer jährlich 637 US-Dollar sparen. Millionen von Hausbesitzern in diesem Staat, die Öl für die Heizung verwenden, können 976 US-Dollar pro Jahr sparen. Pennsylvania: 935 US-Dollar. Massachusetts: 838 US-Dollar. Ohio: 676 US-Dollar. Sie bekommen die Idee. In Regionen mit vielen kalten Gebieten ist die Nutzung von Wärmepumpen der kostengünstigste Weg, um Häuser zu heizen und gleichzeitig Geld zu sparen.

 

       

 

Drei Mythen über Wärmepumpe im kalten Klima

Aber warum glauben viele Auftragnehmer und Hausbesitzer immer noch, dass Wärmepumpen in kalten Klimazonen unwirksam sind? Meine Theorie ist, dass drei Mythen dafür verantwortlich sind:

• Mythos der Kapazität: Wärmepumpen können nicht genug Wärme erzeugen, um Ihr Zuhause bei kaltem Wetter komfortabel zu halten.
• Mythos der Effizienz: Wärmepumpen verlieren ihren Effizienzvorteil, wenn die Temperaturen sinken.
• Mythos der Kosten:Wärmepumpen sind aufgrund geringerer Effizienz zu teuer im Betrieb bei kaltem Wetter.

Es ist wichtig, klarzustellen, dass all diese Mythen falsch sind. Doch wie viele Lügen haben sie ihren Ursprung in einem wahren Kern. Manchmal passt die Kapazität einer Wärmepumpe nicht zu den Bedürfnissen eines Hauses, was sie für bestimmte Klimazonen und Häuser ineffizient machen kann.

 

Im weiteren Verlauf dieses Artikels werde ich diese Mythen entkräften und untersuchen, warum manche Wärmepumpen in kalten Klimazonen funktionieren, während andere dies nicht tun.

 

 

Wie funktionieren Wärmepumpe im Winter?

Bevor wir uns mit der Entlarvung dieser Mythen befassen, ist es hilfreich, die Grundlagen zu verstehen, wie Wärmepumpen bei kaltem Wetter arbeiten. Im Gegensatz zu herkömmlichen Heizmethoden wie Heizöfen oder elektrischen Fußleistenheizungen erzeugen Wärmepumpen nicht direkt Wärme durch Verbrennung von Brennstoffen. Stattdessen nutzen sie eine kleine Menge Energie, um einen Kompressor zu betreiben, der Wärme von einem Ort zum anderen überträgt. Selbst an kalten Tagen enthält die Außenluft immer noch etwas Wärme, auch wenn sie auf den ersten Blick nicht erkennbar ist. Wärmepumpen nehmen diese Wärme auf und übertragen sie in Ihr Zuhause. Dieses grundlegende Prinzip ermöglicht es Wärmepumpen, mit einer Energieeinheit (in Form von einem Watt Strom) drei oder vier Wärmeeinheiten (meistens in British Thermal Units oder BTUs gemessen) zu erzeugen. Technisch gesehen können Wärmepumpen mit ein wenig Energie, um den Kompressor zu betreiben, einen Leistungskoeffizienten (COP) von über 1 erreichen.

 

Wichtige Punkte, die zu beachten sind:

• Selbst an kalten Tagen enthält die Außenluft Energie.
• Wärmepumpen bringen diese Energie in Ihr Zuhause.
• Das Ergebnis ist ein hocheffizientes Heizsystem.

 

Mit diesem Verständnis können wir nun beginnen, die Mythen zu entlarven.

 

Mythos der Kapazität

Der erste Mythos, den wir entlarven müssen, ist der „Kapazitätsmythos“, der behauptet, dass Wärmepumpen nicht genügend Kapazität haben, um an kalten Tagen genug Wärme für das Zuhause zu liefern. Wie bereits erwähnt, gibt es zwei Begriffe: Last und Kapazität. Um zu verstehen, warum der „Kapazitätsmythos“ nicht zutrifft, ist es hilfreich, diese beiden Konzepte zu verstehen.

 

Die Heizlast eines Hauses bezieht sich auf die benötigte Energie, um das Haus auf einer angenehmen Temperatur zu halten. Die Last verändert sich mit Temperaturschwankungen. An einem sonnigen 21°C (70°F) Tag ist die Last praktisch null. An kälteren Tagen steigt dieser Wert erheblich an. Ihr Heizsystem muss härter arbeiten, um Ihr Zuhause komfortabel zu halten. Die Last hängt auch von den spezifischen Eigenschaften des Hauses ab, wie zum Beispiel der Menge an Isolierung oder der Art der Türen und Fenster. Ein Haus aus den 1850er Jahren ohne Isolierung benötigt mehr Energie als ein brandneues Haus. Die Last ist einfach eine technische Methode, um all dies zu beschreiben und zu messen.

 

Kapazität bezieht sich auf die Menge an Wärme (oder Kühlung, im Fall von Klimaanlagen), die ein HVAC-System liefern kann. Wenn die Last das Leck am Boden eines Eimers ist, dann ist die Kapazität der Wasserhahn, der mehr Wasser hineinbringt. Im Gegensatz zu anderen HVAC-Systemen haben Wärmepumpen keine feste Kapazität. Ein Ofen könnte beispielsweise eine feste Kapazität von 100.000 BTU an jedem Tag des Jahres haben, unabhängig vom Wetter, während die Kapazität einer Wärmepumpe zwischen 40.000 und 60.000 BTU schwanken kann.

 

Das macht Sinn, wenn man darüber nachdenkt. Ich habe bereits erwähnt, dass Wärmepumpen effektiv Wärme aus der Außenluft aufnehmen und in das Haus übertragen. Je kälter es ist, desto weniger Energie steht zur Verfügung, um sie zu erfassen. Daher sinkt die Kapazität. Solange die Kapazität die Last nicht unterschreitet, funktioniert die Heizung einwandfrei. Wenn jedoch ein Fachmann das System zu klein dimensioniert, könnte Ihr Haus an kalten Tagen unangenehm kalt werden. In dem oben genannten Beispiel könnte dies bei etwa -7°C (19,4°F) der Fall sein. An diesem Punkt wird Ihr Haus nicht sofort zu einem Kühlschrank. Nein, der Notheizstreifen wird aktiviert und verwandelt Ihre Wärmepumpe im Wesentlichen in einen Heizlüfter. Diese Methode ist nicht so effizient wie der Kompressor, aber da die Notheizung im Durchschnitt weniger als 1 % des Jahres verwendet wird, hat sie keinen wesentlichen Einfluss auf die Betriebskosten.

 

In der Energiewirtschaft sind nur sehr wenige Dinge eindeutig. In einem undichten Haus wird eine Wärmepumpe mit niedriger Kapazität nicht ausreichen. Und wenn Sie an einem Ort leben, an dem die Temperaturen regelmäßig unter -22°F (etwa -30°C) fallen, kann selbst eine gute Wärmepumpe nicht die gesamte Heizlast bewältigen; hier glänzen die besten Wärmepumpen für kalte Klimazonen. Aber für die überwältigende Mehrheit der Amerikaner können Wärmepumpen 100 % ihrer Kapazität liefern und ihre Häuser das ganze Jahr über komfortabel halten. Die meisten Beschwerden darüber, dass Wärmepumpen bei kaltem Wetter nicht funktionieren, resultieren aus Bedienfehlern (oft durch Installateure), nicht aus Problemen mit der Technologie.

 

Mythos der Effizienz

Ich habe zuvor das Wunder der Wärmepumpen erwähnt, die eine Einheit Energie in drei oder vier Einheiten Wärme umwandeln. Dieser Wert, bekannt als Leistungskoeffizient (COP), ist jedoch keine feste Zahl. Je kälter es draußen ist, desto schwieriger wird es für eine Wärmepumpe, effizient Wärme aus der Luft zu entnehmen und in Ihr Zuhause zu übertragen. Wenn die Temperatur sinkt, sinkt auch der COP.

 

Ein weit verbreitetes Missverständnis—der „Effizienzymythos“—ist, dass der COP bei etwa 30 oder 40 Grad Fahrenheit (ungefähr -1 bis 4 Grad Celsius) unter 1 fällt. Wenn das zuträfe, würde das bedeuten, dass man 1 Einheit Energie benötigt, um nur 0,8 Einheiten Wärme zu erzeugen. An diesem Punkt könnte es sinnvoller sein, Widerstandsheizungen oder Gasöfen zu betreiben, da diese Systeme 80-100 % ihrer Energie in Wärme umwandeln können. Das ist jedoch nicht der Fall. Moderne Wärmepumpen für kalte Klimazonen können im Vergleich zu ihren Vorgängern auch bei extrem kalten Temperaturen COP-Werte über 1 erreichen. Viele von ihnen erreichen COP-Werte zwischen 2 und 3 bei Temperaturen um die 30 oder 40 Grad Fahrenheit.

 

Die folgende Grafik zeigt den COP einer Mitsubishi-Wärmepumpe für kalte Klimazonen während einer Reihe von Tests, die in Alaska durchgeführt wurden. Wie Sie sehen können, bleibt der COP im Allgemeinen bis etwa -10 Grad Fahrenheit (ca. -23 Grad Celsius) über 1. Mit anderen Worten, die Effizienz dieser Wärmepumpe ist bis zu einer Temperatur von -10 Grad Fahrenheit besser als die jeder anderen Heizung.

 

Fazit: Selbst bei extrem kaltem Wetter sind die heutigen Wärmepumpen die energieeffizienteste Methode, um Häuser zu beheizen.

 

Mythos der Kosten

Die meisten Menschen interessieren sich nicht für BTUs und COPs. Sie möchten wissen, wie viel etwas in Dollar kostet. Hier wird der Vergleich etwas schwierig. Die Energiepreise in den Vereinigten Staaten variieren je nach Bundesstaat erheblich. In Connecticut kostet Strom etwas mehr als 20 Cent pro Kilowattstunde. In Louisiana kosten die gleichen Elektronen 10 Cent pro Kilowattstunde. Erdgas folgt einer ähnlichen Preisspanne. In Florida kostet Erdgas für Haushalte etwa 2 Dollar pro Einheit. In Idaho sind es nur 65 Cent pro Einheit. Außerdem ist jedes Klima und jedes Haus unterschiedlich. Jeder Haushalt benötigt eine unterschiedliche Menge an Energie, um im Winter warm zu bleiben.

 

Die Schätzung der Kosten für jedes Haushaltsgerät in den USA, das unterschiedliche Brennstoffe und Ausstattungen nutzt, erfordert Supercomputer, die Millionen von Datenpunkten verarbeiten. Glücklicherweise gibt es solche. 2017 startete das National Renewable Energy Laboratory (NREL) eine Studie, um die besten Möglichkeiten zur Steigerung der Energieeffizienz für jedes Einfamilienhaus in den USA zu finden. Nach etwa einem Jahr der Datensammlung fütterten sie diese Daten in Algorithmen. Einer der leistungsfähigsten Computer des Landes benötigte rund 9 Monate, um alle Berechnungen durchzuführen. Diese monumentale Anstrengung ermöglichte es den Forschern zu verstehen, wie viel Geld gewöhnliche Hausbesitzer jährlich durch den Umstieg auf effizientere Heizsysteme sparen könnten. Was fanden sie heraus?

 

Für die überwiegende Mehrheit des Landes sind Wärmepumpen die kostengünstigste Möglichkeit, Häuser zu beheizen. Der wichtigste Punkt hier ist, dass Wärmepumpen selbst in kalten Klimazonen Menschen Hunderte oder sogar Tausende von Dollar jährlich sparen können, wodurch der Mythos entkräftet wird, dass Wärmepumpen in kalten Klimazonen zu teuer sind. Ähnlich sind hier einige Einsparungen, die typische Hausbesitzer in kalten Klimazonen erwarten können:

 

Die einzigen Orte, an denen Menschen möglicherweise kein Geld sparen, wenn sie auf Wärmepumpen umsteigen, sind:

• Wenn sie von einem Gasofen auf Wärmepumpen umsteigen und Erdgas in ihrer Region deutlich günstiger ist.
• Wenn Erdgas in ihrer Region viel günstiger ist als Strom.

 

Wenn Sie jedoch jedes Jahr eine erhebliche Menge für die Heizung Ihres Hauses ausgeben, ob Sie nun in Florida oder Maine leben, ist es wahrscheinlich, dass Wärmepumpen Ihnen Geld sparen. Wenn Sie derzeit Standard-Strom-, Öl- oder Propan-Heizsysteme verwenden, ist es fast sicher, dass Sie Geld sparen werden. Im Laufe der Zeit werden diese Einsparungen voraussichtlich steigen. Viele Energieanalysten gehen davon aus, dass die Preise für Erdgas steigen werden, wenn Regierungen beginnen, die Kohlenstoffverschmutzung zu bepreisen und Versorgungsunternehmen mehr kostengünstige erneuerbare Energie produzieren. Gleichzeitig wird die Effizienz von Wärmepumpen weiter steigen und theoretische Maximalwerte erreichen. Dies bedeutet, dass die heutigen Wärmepumpen nicht nur in kalten Klimazonen funktionieren, sondern in Zukunft noch besser funktionieren werden.

 

Häufig gestellte Fragen

Können Wärmepumpen bei Temperaturen unter 20 Grad Fahrenheit funktionieren?

Ja, selbst wenn die Temperaturen unter -10 Grad Fahrenheit sinken, können moderne Wärmepumpen für kalte Klimazonen effektiv Heizungen für Häuser bereitstellen. Bei diesen Temperaturen sind die besten Wärmepumpen für kalte Klimazonen immer noch energieeffizienter als Öfen und Kessel.

 

Bei welcher Temperatur hören Wärmepumpen auf zu arbeiten?

Die besten Wärmepumpen für kalte Klimazonen können bei Temperaturen von etwa -10 Grad Fahrenheit noch effektiv arbeiten. Viele dieser Wärmepumpen sind mit Backup-Heizelementen ausgestattet, die bei Temperaturen unter diesem Punkt eingeschaltet werden, um die Innenwärme aufrechtzuerhalten.