Infrarotheizung vs Luft/Wasser-Wärmepumpen

Vergleicht man die »Graue Energie« von Luft/Wasser-Wärmepumpen- und Infrarotheizsystemen, ergibt sich die hohe Differenz des Treibhauspotentials zugunsten der Infrarotheizung (34:1). Dies ist vor allem auf das Kältemittel der Wärmepumpe zurückzuführen.

Der Bausektor gilt global und national als ein Hauptverursacher von Treibhausgasemissionen. Laut Gebäudereport der Deutschen Energie-Agentur (dena) 2022 (S. 50) sind in Deutschland rund 40 % der klimaschädlichen Emissionen auf die Errichtung und den Betrieb von Gebäuden zurückzuführen. In der Diskussion und Bewertung beispielsweise von Heizungen liegt der Fokus gleichwohl auf dem Energieverbrauch und damit den direkt verursachten Emissionen. Mit Blick auf eine umfassendere Reduktion von CO₂-Emissionen wird daher die Forderung lauter, auch die so genannte »Graue Energie« beziehungsweise die indirekten Emissionen in die Bewertung einfließen zu lassen.

Die unterschiedlich die Ergebnisse für zwei Heizsysteme ausfallen können, zeigt eine Untersuchung des Autors. Er hat die Graue Energie – also die gesamte Energie, die von der Herstellung bis zur Entsorgung für ein Produkt benötigt wird, von Luft-/Wasser-Wärmepumpen und Infrarotheizsystemen miteinander verglichen und kommt auf einen Faktor von 34:1 beim Erderwärmungspotential. Die hohe Differenz ist vor allem auf das Kältemittel von Wärmepumpen zurückzuführen.

Der Verfasser beschäftigt sich seit 2014 mit beiden Heizsystemen. Dabei ist ihm aufgefallen, dass Wärmepumpenanlagen besonders komplex sind, die Kältemittel von Wärmepumpen-Systemen gelten zudem als extrem klimaschädlich. Im Gegensatz dazu sind ­In­frarotheizungen sehr einfach aufgebaut. Außerdem werden Infrarotheizgeräte einfach nur an der Wand oder unter der Decke montiert und das Stromkabel in die Steck­dose oder einen Deckenauslass eingesteckt. (Bild 1)

Diese Beobachtung hat er zum Anlass genommen, die Graue Energie der beiden Heizsysteme miteinander zu vergleichen – genauer gesagt, ein Luft-/Wasser-Wärmepumpen-System inklusive Wärmeverteilung und -abgabe, jedoch ohne den Raumbedarf für den Aufstellraum und Schächte, einerseits und die Wärmeverteilung und -abgabe einer Infrarotheizung, die keinen Wärmeerzeuger benötigt, andererseits. Der Endenergie-Strombedarf, also die Energie für den Betrieb der Heizungsanlagen, fällt generell nicht unter Graue Energie.

Effizienzhaus 55 als Grundlage

Grundlage für die Auswahl der zu untersuchenden Heizsysteme ist ein Einfamilienhaus mit 150 m² Nutzfläche. Für diese Betrachtung beziehungsweise für ein gut funktionierendes Wärmepumpen- und Infrarot­heizungssystem hat es hier mindestens Neubaustandard, also KfW-Effizienzhaus 55 beziehungsweise Energieeffizienzklasse A, zu entsprechen.

Bei der Luft-/Wasser-Wärmepumpen- und der Infrarotheiztechnik wurde jeweils von 12.000 W thermischer Leistung ausgegangen. Die Leistung entspricht der vom Heizsystem jeweils erforderlichen Heizlast, um den oben beschriebenen Neubau effi­zient zu beheizen. Die Umrechnung der »gefühlten« thermischen Leistung von Infrarot­heizungssystemen erfolgt gemäß Herstellerangaben und kann zwischen 5200 W und 13.500 W bei vergleichbarem Endenergie-Stromverbrauch liegen. »Gefühlt« bedeutet dabei, dass Wärmestrahlung eine höhere physiologische Wirksamkeit besitzt als die Erwärmung des Menschen über ihn umgebende warme Luft und daher in Folge weniger Leistung und Energie benötigt.

Komplexes versus schlankes System

Anhand eines detaillierten Angebotes für eine Luft-Wärmepumpenheizung wurden zunächst Stücklisten erstellt, Quadratmeter- und Längenberechnungen vorgenommen sowie die einzelnen Anlagen-Komponenten einer Luft-/Wasser-Wärmepumpe ermittelt. Dazu gehören eine Innen- und Außeneinheit, Trinkwasser- und Pufferspeicher, Heizkreis-Verteiler, 150 m² Polysterol-Noppenbahnen, 50 m Kupfer- und mehr als 2,2 km Metallverbundrohr, mehr als 5000 Kleinteile, Befestigungen, Dichtungen, Wärmedämmstoffe und Betonfundament (Bild 2). Für den Transport eines solchen Heizsystems braucht es einen LKW.

Die Ermittlung der Bestandteile des Infrarotheizsystems stellte sich weitaus einfacher dar. Im Wesentlichen waren dies die Infrarotpaneele, Thermostate, eine Steuerzentrale und zwei Durchlauferhitzer für die Küche und das Bad. Diese Anlage passt in einen PKW-Kombi.

 

Für die Haustechnik empfiehlt sich generell die Betrachtung eines Lebenszyklus von 40 Jahren. Bei der Berechnung ist der Autor davon ausgegangen, dass die Luft-/Wasser-Wärmepumpe inklusive eines klimafreundlichen Kältemittels wie Propan nach einer Lebensdauer von 15 bis 20 Jahren ausgetauscht werden muss. Die Lebensdauer von Infrarot­heizgeräten liegt bei 35 bis 40 Jahren, sodass hierfür in der Berechnung kein Austausch stattfinden muss. Die Lebensdauer des Durchlauferhitzers liegt bei 15 Jahren, sodass dieser zwei Mal ersetzt werden muss.

Anhand der Datenbank des Bundesministeriums für Wohnen, Stadtentwicklung und Bauwesen »ökobau.DAT« ermittelte der Autor anschließend das Global Warming Potential (GWP) der beiden Heizsysteme, zu Deutsch ihr Treibhaus- oder auch Erderwärmungspotenzial. Denn Graue Energie verursacht Treibhausgasemissionen, die mit Hilfe von CO₂-Äquivalenten quantifiziert werden. CO₂ hat daher ein GWP von 1.

Hohe Differenz der CO₂-Äquivalente

Die Berechnung ergab einen signifikanten Unterschied der anfallenden Grauen Energie. Die Bestandteile der Luft-/Wasser-Wärmepumpe mit Fußbodenheizung und Trinkwasserbereitung verursachen 7,44 t CO₂-Äquivalente, für 5 kg Kältemittel kommen nochmals 10,49 t CO₂ -Äquivalente dazu. Das heißt, für das Wärmepumpensystem müssen in der Summe 17,93 t CO₂-Äquivalente Graue Energie aufgewendet werden.

Bei den Infrarot-Deckenheizungen mit Durchlauferhitzer sind es lediglich 0,32 t bis 0,74 t CO₂-Äquivalente, so dass sich ein Faktor von durchschnittlich 34 zu eins ergibt, je nach Infrarothersteller. (Berechnung: 17,93 / 0,53 = 33,83) Dem Kältemittel, das mit einmaliger Befüllung angesetzt wurde, steht bei der Infrarot-Heiztechnik kein Wert gegenüber, da bei dieser Heizungsart keine Betriebsmittel erforderlich sind.

Mit 5 kg des Nachfolge-Kältemittels R32 mit GWP 675 (statt R-410A) wären es immerhin noch 3375 kg CO2-Äquivalente, denen bei einer Infrarotheizung kein Wert entgegenzusetzen wäre. Zuzüglich Peripherie der Wärmepumpe und Fußbodenheizungskomponenten mit 7,44 t CO₂– Äquivalenten sind es über 10,8 t zu 0,53 t bei Infrarotheizsystemen (Faktor 20 : 1).

Um die auseinanderklaffenden Ökobilanzen zu veranschaulichen, hilft ein Vergleich: Die 17,93 t CO₂-Äquivalente Graue Energie der Luft-/Wasser-Wärmepumpe entsprechen der ökologischen Lebensleistung von 18 Buchen, die 80 Jahre alt und 23 m hoch sind und einen Stammumfang von 95 cm haben. Die Emissionen des Infrarotheizsystems kann eine einzige Buche, die nicht einmal 40 Jahre alt ist, wettmachen.

Die Graue Energie, die für das jeweilige Heizsystem eingesetzt wurde, wird über 40 Jahre »abgeschrieben«. Bei 17,93 t für das Wärmepumpensystem inklusive Erstbefüllung des Kältemittels entspricht dies einer jährlichen Abschreibung von 450 kg CO₂-Äquivalenten, die zusätzlich zum Kohlenstoffdioxid des Endenergieverbrauchs emittiert werden. Für das Infrarotheizsystem beträgt die Abschreibung maximal 0,74 t, was jährlich weniger als 20 kg CO₂-Äquivalente entspricht – dies bei einem vergleichbaren Endenergieverbrauch, wobei der Verfasser sich auf das Forschungsprojekt »IR-Bau – Potenzial von Infrarot-Heizsystemen für hocheffiziente Wohngebäude (02-2020)« bezieht.

Kältemittel Hauptursache für hohe CO₂-Äquivalente

Die jährlichen Verluste von Kältemitteln einer Wärmepumpe werden mit 7 % der Füllmenge angesetzt, so dass sich hierfür 0,7 t CO₂-Äquivalente in 18 Jahren ergaben, die der Betriebsphase im Lebenszyklus zuzuordnen sind. Das ist also mehr als die gesamte Graue Energie der vollständigen Installation einer Infrarotheizung für das oben beschriebene Einfamilienhaus.

Insgesamt verursacht das Kältemittel für die erstmalige Befüllung, Verluste und abschließendem Recycling-Prozess nach 20 Jahren am Ende des Lebenszyklus circa 11,22 t CO₂-Äquivalente. Das Kältemittel ist somit die Hauptursache für die hohen CO₂-Äquivalente bei Wärmepumpen. Hinzu kommt, dass das Hydrauliksystem der Wärmepumpe Wärmeverluste aufweist, welche die praktische Jahresarbeitszahl verringern.

Fazit

Beim Vergleich der Grauen Energie und der Treibhauspotenziale, die für ein Luft-/Wasser-Wärmepumpensystem und für ein Infrarot­heizsystem anfallen, schneidet die Infrarot­heizung um Längen besser ab, da sie aus wenigen Komponenten besteht, keinen zentralen Wärmeerzeuger, kein Betriebsmittel und kein Wärmeverteilsystem benötigt und kaum Energieverluste hat, zumal sie mit Strom aus der Steckdose betrieben wird (Tabelle).

Die Differenz mit dem Faktor 34:1 ist eklatant. Der ökologische Rucksack eines Luft-/Wasser-Wärmepumpensystems wiegt also schwer. Es ist keine Frage, dass es diesen im Laufe der Betriebszeit von etwa 15 bis 20 Jahren niemals wettmachen kann. Und das bei vergleichbarem Endenergie-Stromverbrauch wie ein Infrarotheizsystem, wie es in dem Forschungsprojekt IR-Bau ermittelt wurde.

Autor

Dipl.-Ing. Architekt Markus Fleißgarten, Sachverständiger für Wärmeschutz

Quelle und Bildquelle: www.elektro.net