Funktionieren Wärmepumpen in Colorado? Ja, aber es erfordert Planung.

Im Haus von Jon und Rachel Rea herrschte ein Anflug von Besorgnis, als im Dezember ein Bombenzyklon mit sinkenden Temperaturen unter Null auf Colorado zukam, da das Paar keinen gasbetriebenen Ofen mehr in seinem Keller hatte.

Sie hatten den Ofen vor drei Monaten durch eine Wärmepumpe ersetzt und nun stand das neue Gerät vor einer großen Bewährungsprobe. Die Wärmepumpe sammelt selbst an kalten Tagen die in der Luft verbliebenen Wärmepartikel, aber wenn die Temperaturen auf minus 20 °C sinken, bleibt dann noch Wärme übrig, die es einzufangen gilt?

Die Reas „heizten“ ihr Stadthaus in Boulder vor, indem sie den Thermostat vor dem Sturm hochstellten, und hatten den Vorteil, dass auf jeder Seite Nachbarhäuser und eine neue Isolierung im Keller vorhanden waren.

Dennoch waren sie unsicher, wie sich ihre Mitsubishi-Wärmepumpe schlagen würde. Es wurde angegeben, dass das Gerät auch bei 13 unter Null noch funktioniert. Die Temperatur in Boulder fiel in der Nacht des 22. Dezember auf 18 °C.

„Im Großen und Ganzen war es nur ein weiterer Tag“, sagte Jon Rea. „Es war kein großes Ereignis.“

Die Wärmepumpe lief während des Kälteeinbruchs fast rund um die Uhr, aber das Haus blieb komfortabel, sagte Rea. „Sie hätten nichts bemerkt, wenn Sie im Haus geblieben wären.“

Mit Strom betriebene Wärmepumpen erleben in Colorado ihren Höhepunkt, dank einer Kombination aus verbesserter Technologie, die die Geräte bei kaltem Wetter effizienter macht, und finanziellen Anreizen von Versorgungsunternehmen sowie lokalen, staatlichen und bundesstaatlichen Regierungen.

„Wärmepumpen sind startbereit“, sagte Neil Kolwey, Industrieprogrammdirektor beim Southwest Energy Efficiency Project. „Vieles ist vorhanden.“

Zwischen 2021 und 2022 hat sich die Zahl der von Xcel Energy, dem größten Stromanbieter des Bundesstaates, gewährten Wärmepumpenrabatte auf 1.220 mehr als verdreifacht. Bei der Tri-State Generation and Transmission Association, dem zweitgrößten Stromversorger, stieg die Zahl der Rabatte um 40 % auf 942.

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Es gibt zwei Arten von Wärmepumpensystemen: solche, die der Luft Wärme entziehen, und geothermische Systeme, die auf der Nutzung der konstanten Wärme unter der Erde beruhen.

Ein Luftversorgungssystem – einschließlich eines Kompressors, Rohrleitungen oder einzelner mit dem Kompressor verbundener Wand- und Deckeneinheiten – kann zwischen 15.000 und 30.000 US-Dollar kosten. Die Erdwärmepumpen, die auf Brunnen basieren, die bis zu einer Tiefe von 90 Metern unter dem Haus gebohrt werden, sind effizienter, aber doppelt so teuer.

Wärmepumpen sind zwar nicht so sichtbar wie Sonnenkollektoren oder Elektrofahrzeuge, aber ein Schlüsselelement beim Übergang zu saubereren, energieeffizienteren Häusern – da Heizung und Kühlung etwas weniger als die Hälfte des gesamten Energieverbrauchs von Häusern ausmachen, so die US-Umweltbehörde Environmental Schutzbehörde.

„Die Tatsache, dass wir in unseren Häusern Erdgas verbrennen, ist ziemlich ineffizient“, sagte Lacey Tan, Managerin des Programms für kohlenstofffreie Gebäude beim Energieberater RMI. „Wir müssen darüber nachdenken, wie wir unsere Häuser energieeffizienter machen.“

Wärmepumpen sind eine Antwort. „Die Wärmepumpe hat wie Blumenkohl ihre Zeit“, sagte Tan. Wie Blumenkohl? „Ja, wer hat früher Blumenkohl gegessen? Jetzt gibt es ihn in Wraps, Reis und Pizzakruste. Das liegt daran, dass es große technologische Innovationen gegeben hat.“

Die Wärmepumpe wurde 1857 vom tschechischen Erfinder Peter von Rittinger erfunden und diente erstmals zum Trocknen von Salz aus Salzwiesen. Sie werden seit den 1950er Jahren häufig in europäischen Haushalten verwendet.

Die Technologie, die ein Haus sowohl heizen als auch kühlen kann, hat sich in den USA durchgesetzt, wobei bis 2008 jährlich 50.000 bis 60.000 Einheiten installiert wurden – hauptsächlich im Süden, wo sie für heiße Sommer und milde Winter gut geeignet sind.

In kälteren Gefilden sank die Effizienz der Wärmepumpen mit der Temperatur – bis vor Kurzem.

„Ob Wärmepumpen für die Hauptsendezeit in kälteren Klimazonen bereit sind, war schon immer eine Frage“, sagte Dave Lis, Direktor für Technologie und Marktlösungen bei der gemeinnützigen Northeast Energy Partnership (NEEP), die effiziente Strategien für saubere Energie fördert.

„Mittlerweile gibt es immer mehr Beweise dafür, dass sie bei niedrigen Temperaturen funktionieren“, sagte Lis.

Die Herausforderung liegt in der Luft selbst, denn Wärmepumpen verbrennen nichts, um Wärme zu erzeugen, sie ziehen sie aus der Luft. Der Trick bestand darin, es auch an den kältesten Tagen mitnehmen zu können.

Die Funktionsweise einer „Luftwärmepumpe“ läuft folgendermaßen ab: Ein Kältemittel mit einem niedrigen Siedepunkt, etwa 55 Grad unter Null, strömt durch ein Rohr, das der Außenluft ausgesetzt ist, und bereits ein wenig Wärme verdampft das Kältemittel.

Das verdampfte Kältemittel, das die Wärme transportiert, durchläuft einen Kompressor, der es komprimiert, wodurch die Wärme auf etwa 105 Grad ansteigt und dann in das Haus geleitet wird.

Das Kältemittel, wiederum eine Flüssigkeit, wird wieder nach draußen geleitet, um noch mehr Wärme aufzunehmen. Im Sommer kann der Prozess umgekehrt werden, indem die Wärme von innen nach außen transportiert und so das Haus gekühlt wird.

Die meisten Häuser verfügen bereits über Wärmepumpen. „Ihre Klimaanlage ist eine Wärmepumpe, Ihr Kühlschrank ist eine Wärmepumpe“, sagte Josh Lake, Mitbegründer von Elephant Energy, einem in Boulder ansässigen Unternehmen, das Hausnachrüstungen mit Wärmepumpen und anderen elektrischen Technologien entwirft. „Sie alle bewegen Wärme mit Strom.“

Und da die Wärmepumpe nur Wärme bewegt und keine Wärme erzeugt, kann sie nach Angaben des US-Energieministeriums zwei- bis viermal so viel Wärmeenergie produzieren, wie sie an Strom verbraucht.

Das Problem in kälteren Regionen besteht darin, dass mit immer niedrigeren Temperaturen immer weniger Wärme in der Luft vorhanden ist, sodass Wärmepumpen immer härter arbeiten müssen und immer weniger effizient werden.

„Vor fünf Jahren waren Wärmepumpen in Colorado nicht besonders rentabel“, sagte Lake.

Es gab eine Vielzahl technologischer Verbesserungen, die Wärmepumpen in Colorado und Maine funktionsfähig gemacht haben. Dazu gehören ein besserer Wärmetauscher, besser konstruierte Ventilatoren, ein Kompressor mit variabler Drehzahl und ausgefeilte elektronische Steuerungen.

„In der bitteren Kälte des Winters gibt es immer noch Wärme zu bewegen, aber es ist nicht sehr warm, sodass der Kompressor mehr Arbeit leisten muss“, sagte David Petroy, dessen Unternehmen NTS Energy Wärmepumpensysteme für Privathaushalte und Unternehmen entwickelt.

Bei 50 Grad kann eine Wärmepumpe für jede verbrauchte Stromeinheit vier Wärmeeinheiten bewegen, bei Null sinkt der Wirkungsgrad jedoch auf zwei Wärmeeinheiten für jede Stromeinheit, sagte Petroy.

Der Kompressor mit variabler Drehzahl kann in einem bestimmten Temperaturbereich effizienter sein und bei niedrigen Temperaturen richtig hochfahren.

Einer der Hauptunterschiede zwischen dem Einbau einer Wärmepumpe oder eines Ofens besteht darin, dass ein Wärmepumpensystem bei der Nachrüstung eines bestehenden Hauses oder eines Neubaus etwas mehr Design erfordert. Manche Hausbesitzer wünschen sich auch eine Heizungsunterstützung, etwa eine Elektroheizung, einen kleinen Propanbrenner oder einen Pelletofen.

Allerdings seien diese Backups, so Petroy, „Dinge, die man vielleicht vier Tage im Jahr braucht.“

Bei der Installation eines Ofens verlässt sich ein Heizungs- und Klimaanlageninstallateur auf eine manuelle J-Berechnung, eine Formel, die Variablen wie die Größe des Hauses, die Isolierung und die Anzahl der darin lebenden Personen berücksichtigt.

Holen Sie sich die Berechnung, dimensionieren Sie den Ofen und installieren Sie ihn.

„Bei der Planung eines Wärmepumpensystems muss man etwas sorgfältiger vorgehen, insbesondere in einem vollelektrischen Haus, in dem möglicherweise auch eine größere Schalttafel installiert werden muss“, sagte Petroy.

Und anstatt nur eine große Einheit, beispielsweise im Keller, zu installieren, kann das verdampfte Kältemittel von einem Kompressor zu einzelnen Wand- und Deckeneinheiten geleitet werden, was als Mini-Split-System bekannt ist und es einem Hausbesitzer ermöglicht, die Temperatur Etage für Etage und Raum für Raum zu regeln .

„Die richtige Dimensionierung Ihrer Heizung und Kühlung ist sehr wichtig“, sagte Lake.

Während der Wärmepumpenmarkt in Colorado gerade erst am Anfang steht, wächst er im Nordosten seit einem Jahrzehnt, mit einem durchschnittlichen Wachstum von fast 30 % pro Jahr seit 2017 und mehr als 250.000 installierten Einheiten bis 2021.

NEEP hat an Programmen zur Förderung der staatlichen Politik mitgewirkt – seine Region erstreckt sich von New Jersey bis Maine –, Förderung von Wärmepumpen durch Bildung und Engagement, Aufbau eines Netzwerks sachkundiger Heizungs- und Klimaanlagen- bzw. HVAC-Auftragnehmer und Schaffung eines kalten Klimas Produktliste für Wärmepumpen.

Und einige der kältesten Teile der Region waren die ersten Anwender. „Als wir das erste Wachstum bei Wärmepumpen sahen, sahen wir, dass an Orten wie Maine und Vermont viele Brennstoffe geliefert wurden“, sagte Lis. „Das macht das Heizen mit Wärmepumpen viel wirtschaftlicher.“

Etwa 61 % der 600.000 Wohnungen in Maine werden mit Heizöl und weitere 11 % mit Propan beheizt. Ganze 9 % der Häuser werden mit Holz beheizt, der Rest mit Strom und Erdgas.

Die durchschnittlichen jährlichen Kosten für die Beheizung eines Hauses in Maine mit einer Wärmepumpe betragen 2.300 US-Dollar und sind damit fast halb so hoch wie für Öl oder Propan, so der Efficiency Maine Trust, der die Energieeffizienzprogramme des Staates verwaltet, einschließlich Wärmepumpenrabatten.

„Als wir 2012 unser Rabattprogramm starteten, gab es zwei Gruppen von Mainern: eine Gruppe, die nicht wusste, was eine Wärmepumpe ist, und eine Gruppe, die wusste, dass sie bei kaltem Wetter nicht funktioniert“, sagte Andy Meyer, Senior von Efficiency Maine Programmmanager für Wohnprogramme.

Seitdem hat das Programm Rabatte in Höhe von 1.200 bis 2.400 US-Dollar für etwa 100.000 Wärmepumpen gewährt, und die Nachfrage hat nicht nachgelassen. „Wir geben alle sechs Minuten einen Rabatt für eine Wärmepumpe aus“, sagte Meyer. „Es war eine grundlegende Revolution.“

Einige Haushalte in Maine kaufen eine oder zwei der kleineren Wand- oder Fensterwärmepumpen, die ein paar tausend Dollar kosten und wie eine Klimaanlage aussehen.

„Diese heizen einen Raum und vielleicht auch den nächsten Raum, während der dritte Raum kalt ist“, sagte Meyer. „Es ist so, als würde man sein Zuhause mit Holz heizen.“

Laut Peter Rusin, Member Relations Manager bei Tri-State, ist ein großer Teil des ländlichen Colorado wie Maine auf teures Propan für die Hausheizung angewiesen.

Tri-State, ein Stromgroßhändler, und seine 18 ländlichen Stromgenossenschaften in Colorado fördern Wärmepumpen, wobei der Verband Rabatte von bis zu 2.400 US-Dollar anbietet.

In einigen Bergstädten wird Propan für 4 Dollar pro Gallone verkauft, fast doppelt so viel wie der Landesdurchschnitt, sagte Rusin. „Der Umstieg auf eine Wärmepumpe reduziert die Energiebelastung erheblich“, sagte er. „Es gibt keine andere Technologie, keine andere Möglichkeit wie diese, um die ländliche Energiearmut zu verringern.“

Um den Bedarf zu decken, bedarf es einer Gruppe erfahrener Installateure, und als Efficiency Maine sein Programm startete, musste es den Staat absuchen, um 20 Auftragnehmer zu finden, sagte Meyer. Heute sind es 800, die von der Stiftung geprüft wurden.

„Die Auftragnehmer sind wirklich wichtig“, sagte Rusin, „denn sie sind diejenigen, die das System verkaufen, in Wirklichkeit sind sie diejenigen, die die Öffentlichkeit aufklären.“

Colorado steht vor der gleichen Notwendigkeit, ein Netzwerk aufzubauen wie Maine und der Nordosten vor einem Jahrzehnt.

Als Sebastian Canaday, ein Elektroingenieur, HVAC-Auftragnehmer kontaktierte, um in seinem Haus in Boulder County eine Wärmepumpe zu installieren, versuchten einige von ihnen, ihn davon abzubringen, und einer, der die Spezifikation aufnahm, kam mit einem Angebot für einen Gasofen zurück.

Ein Nachbar empfahl die Save Home Heat Company, die für etwa 30.000 US-Dollar ein Dual-Fuel-System mit einer Wärmepumpe und einem Backup-Gasofen installierte. Der Kompressor, die Wärmepumpe und der Ofen sind alle integriert und können über das Mobiltelefon von Canaday gesteuert werden. „Sie reden miteinander“, sagte er.

Canadays System wurde an die vorhandenen Kanäle seines alten Gasofens angeschlossen, wobei der Kompressor das verdampfte Kältemittel zu einer Spule auf dem neuen Ofen leitete. Während die Mini-Split-Wärmepumpe von Rea für eine Leistung von 75 % bei 13 unter Null ausgelegt ist, ist eine Kanalwärmepumpe wie die von Canaday auf 3 unter Null ausgelegt.

Das System von Canaday ist also so eingestellt, dass es bei 6 Grad auf den Ofen umschaltet. Im Dezember leistete der Ofen etwa 30 % der Wärme, sagte er.

Zusätzlich zur Wärmepumpe ließ Canaday Sonnenkollektoren auf seinem Dach anbringen und tagsüber erhöht er den Thermostat auf 73 Grad, um das Haus für die Nacht vorzuwärmen. „Die Sonnenkollektoren treiben im Grunde die Wärmepumpe an“, sagte Canaday. Wenn die Sonne untergeht, senken sie den Thermostat.

„Sonnenkollektoren und Wärmepumpen passen zusammen wie Erdnussbutter und Gelee“, sagte Lake von Elephant Energy.

Ein lokaler HVAC-Auftragnehmer, der bereit ist, in das Wärmepumpengeschäft einzusteigen, ist Grayson Goodwill, Geschäftsführer der in Denver ansässigen The Cooler Company.

„Xcel drängt stark in Richtung Wärmepumpen“, sagte Goodwill. „Die Leute sind vielleicht skeptisch, ob sie bei niedrigen Temperaturen heizen können, aber sie sind die Zukunft.“

In den letzten Monaten nahm Goodwill an Kursen teil, die von Xcel und Wärmepumpenherstellern angeboten wurden, um sich mit der Installationspraxis vertraut zu machen. „Wärmepumpen erfordern eine spezielle Ausbildung“, sagte er.

Tan von RMI sagte: „Es gibt eine Lernkurve für die Installation und einige Hersteller haben die Art und Weise der Installation geändert, um die Installation zu vereinfachen.“

Goodwill sagte, er hoffe, dass sein Unternehmen im Jahr 2023 die erste Wärmepumpe installieren werde. „Angesichts der Kosten für Erdgas und insbesondere für ein Haus mit Solarenergie sind Wärmepumpen der richtige Weg“, sagte er.

Wenn das der richtige Weg ist, ist Rainer Gerbatsch schon dabei. Der pensionierte Bauunternehmer lebt im Geos Neighborhood, einer Netto-Null-Energie-Wohnsiedlung in Arvada.

Sein 2.700 Quadratmeter großes Stadthaus verfügt über eine Wärmepumpe, einen Warmwasserbereiter mit Wärmepumpe, einen Wäschetrockner mit Wärmepumpe sowie Sonnenkollektoren auf dem Dach, eine Tesla Powerwall-Batterie in der Garage und ein Ladegerät für Elektrofahrzeuge.

Gerbatsch verfügt über eine Erdwärmepumpe oder geothermische Wärmepumpe mit einem Brunnen 300 Fuß tief unter seinem Keller, der eine Mischung aus warmem Wasser und Methanol bei etwa 55 Grad fördert, die die Luft erhitzt und komprimiert wird, um die Temperatur zu erhöhen.

Gerbatsch öffnete den Abstellraum in seinem Keller und sagte: „Er sieht einfach aus wie ein Gasheizer … außer, dass er Wasser zirkulieren lässt.“

Die Geos-Häuser sind für passive Solarheizung konzipiert und verfügen über Dreifachverglasungsfenster, dickere Wände, reichlich Isolierung und große Südfenster. So kann die Temperatur im Haus auch im Winter nachmittags ohne Wärmepumpe 70 Grad erreichen.

Nicht jeder kann in einem Geos-Haus wohnen, aber die Reas haben versucht, dem so nahe wie möglich zu kommen, indem sie nicht nur eine Wärmepumpe, sondern auch einen Warmwasserbereiter mit Wärmepumpe und eine Hochgeschwindigkeits-Ladestation für Elektrofahrzeuge eingebaut haben. Das Haus hatte bereits einen Elektroherd.

Das Ehepaar wollte eigentlich Solarpaneele anbringen, doch aufgrund des Flachdachs waren die Kosten unerschwinglich.

All dies, so Rea, der Manager in der Elektrizitätsabteilung von RMI ist, sei durch den Wunsch motiviert gewesen, seine Treibhausgasemissionen zu reduzieren. „Um Netto-Null-Emissionen zu erreichen, müssen wir aufhören, fossile Brennstoffe zu verbrennen.“

Rea berechnete, dass ihr alter Gasofen etwa 1,9 Tonnen Kohlendioxid pro Jahr ausstieß, während die aktuelle Emissionsintensität des Stroms von Xcel Energy 0,4 Tonnen pro Jahr beträgt.

„Die Lösung, um diesen zukünftigen Zustand sauberer Energie zu erreichen, besteht darin, alle Gebäude zu elektrifizieren“, sagte Rea.

Auch hier gilt: Wenn das die Lösung ist, ist Gerbatsch da. Über ein Span-Panel kann Gerbatsch alles in seinem vollelektrischen Zuhause überwachen und steuern.

Im Januar teilte ihm das System mit, dass 6 % des Stroms für seine Geräte, 3 % für die Beleuchtung, 51 % für die Heizung und 40 % für das Laden von zwei Elektrofahrzeugen mit insgesamt 1.615 Kilowattstunden verwendet würden.

Das ist zwar mehr als das Doppelte des durchschnittlichen Xcel Energy-Wohnimmobilienverbrauchs, aber das macht Gerbatsch nichts aus, denn im Sommer erzeugt seine Solaranlage mehr Strom, als sein Haus braucht, und er speist sie ins Netz ein, wodurch er Kredite beim Energieversorger aufbaut.

„Grundsätzlich“, sagte er, „habe ich keine Stromrechnungen.“

Anmerkung des Herausgebers: Dieser Artikel wurde am 26. Januar 2023 um 13:03 Uhr aktualisiert, um zu korrigieren, dass bis 2021 im Nordosten 250.000 Wärmepumpen installiert wurden.

Speziell für The Colorado SunTwitter: @bymarkjaffe Mehr von Mark Jaffe