Was ist eine Wärmepumpe?

Inhaltsverzeichnis

• Eine Wärmepumpe einfach erklärt
• Warum ist eine Wärmepumpenheizung klimafreundlich?
• Wie effizient arbeitet die Wärmepumpe?
• Welche Arten einer Wärmepumpenheizung gibt es?

1. Luftwärmepumpe
2. Erdwärmepumpe
3. Grundwasserwärmepumpe
4. Weitere Wärmepumpen

• Entwicklung der Wärmpumpe auf dem Heizungsmarkt
• Warum gehört Wärmepumpen die Zukunft?

Eine Wärmepumpe einfach erklärt

Eine Wärmepumpe nutzt minimale Temperaturunterschiede, die in natürlichen Umgebungen vorkommen und erzeugt daraus Energie für die Beheizung von Wohnräumen oder die Warmwasserversorgung. Häufig wird das mit dem umgekehrten Prinzip des Kühlschranks verglichen. Ein Kühlschrank entzieht dem Innenraum Wärme und gibt diese nach außen ab. Eine Wärmepumpe hingegen entzieht dem Außenraum Wärme und gibt diese in das Haus ab.

Als Außenraum dienen Außenluft, das Grundwasser oder der Erdboden, die konstant über eine höhere Temperatur als die so genannten Kältemittel verfügen, die in einer Wärmepumpe eingesetzt werden. Diese Kältemittel, zum Beispiel flüssiges Propan, werden in einem speziellen Leitungssystem durch die natürliche Umwelt geleitet und erwärmen sich dabei – wenn auch nur in geringem Umfang. 

Um diesen minimalen Temperaturunterschied zu nutzen, findet in der Wärmepumpe folgender Prozess statt:

• Das leicht erwärmte Kältemittel wird in die Wärmepumpe geleitet, wo es in einem Verdampfer zu Gas umgewandelt wird.
• Dieses Gas wird daraufhin in einem Kompressor durch mechanische Energie verdichtet, wodurch sich dessen Temperatur stark erhöht. Dieser Vorgang benötigt den Zufluss elektrische Energie.
• Das verdichtete, heiße Gas gibt seine Wärme im nächsten Schritt an den Heizkreislauf ab, indem das darin zirkulierende Wasser erwärmt wird.
• Durch den Energieaustausch erkaltet das gasförmige Kältemittel und verflüssigt sich wieder.
• Das flüssige Kältemittel wird erneut in die Umwelt geleitet, wo es sich wieder erwärmt. Der Kreislauf beginnt von neuem.

Eine Wärmepumpe ist also in der Lage, in der Umwelt vorhandene Wärmeenergie aufzunehmen und durch den Einsatz von elektrischer Energie für die Versorgung mit Heizwärme und Warmwasser nutzbar zu machen. Dieser Vorgang findet auch im Winter statt, denn die Kältemittel sind immer sehr viel kälter als die tiefsten Minusgrade.

Wichtig für den wirtschaftlichen Betrieb einer Wärmepumpe ist immer auch das Heizungssystem. Die meisten Wärmepumpen arbeiten mit sehr niedrigen Vorlauftemperaturen und brauchen daher große Flächenheizungen wie Fußboden- oder Wandheizungen. Kleine Heizkörper, wie sie oft in Altbauten zu finden sind, benötigen eine höhere Vorlauftemperatur und lassen sich daher nicht gut mit einer Wärmepumpe kombinieren. Ohne eine umfangreiche energetische Sanierung ist eine Wärmepumpe in diesem Fall weniger sinnvoll.

Warum ist eine Wärmepumpenheizung klimafreundlich?

Klimafreundlich sind Wärmepumpen generell, da sie die kostenlos vorhandene Energie in Außenluft, Erdreich oder Grundwasser nutzen. Es kommen dann keine fossilen Brennstoffe zum Einsatz. Dafür wird allerdings Strom benötigt. Stammt dieser aus erneuerbaren Energien, kann eine Wärmepumpenheizung sogar klimaneutral arbeiten.

Nachdem bis in die 1990er noch FCKW als Kältemittel gedient hatte, kommen heute nur noch natürliche Kältemittel, also reine Kohlenstoffe, zum Einsatz.

Wärmepumpen generieren aus 1 kWh Strom etwa 3 bis 6 kWh Wärme. Um 100 % Wärmeenergie zu gewinnen, benötigen sie im Durchschnitt 25 % elektrische Energie. Stammt diese elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen, z. B. aus der Photovoltaikanlage auf dem eigenen Hausdach, arbeiten Wärmepumpen klimaneutral. Der CO₂-Fußabdruck einer Wärmepumpe im Betrieb ist dann folglich viel geringer als im u. a. deutschen Strommix. Außerdem können sich Hausbesitzer damit vollständig unabhängig von Gas, Öl oder externer Stromlieferung machen.

Wie effizient arbeitet die Wärmepumpe?

Wichtig zu erwähnen ist, dass die Angaben der Hersteller immer auf Laborbedingungen basieren und die Heizungen in der Praxis den angegebenen Wert nur selten erreichen. Hausbesitzer sollten sich vorab wirklich gut beraten lassen und die individuellen Voraussetzungen sowie den Wärmebedarf des Hauses berücksichtigen. Wie sich die JAZ entwickelt, muss dann im ersten Betriebsjahr genau beobachtet werden.

Neben der Jahresarbeitszahl spielt auch die Leistungszahl (COP) eine Rolle. Sie bezieht sich aber nur auf das Verhältnis von Nutzwärme zur aufgewendeten Energie und spiegelt lediglich eine Momentaufnahme unter bestimmten Bedingungen. Die Leistungszahl sollte mindestens 3 betragen. Unter 2 gilt eine Wärmepumpe als unwirtschaftlich. 

Welche Arten einer Wärmepumpenheizung gibt es?

Wärmepumpen nutzen ohnehin vorhandene Umweltwärme und erzeugen Energie ohne klimaschädliche Nutzung fossiler Brennstoffe. Sie beziehen die Energie aus dem Grundwasser, dem Erdreich oder der Luft. Es gibt daher unterschiedliche Wärmepumpen-Systeme, je nach der Quelle, aus der sie Energie beziehen. Denn die technischen Anforderungen unterscheiden sich. Wir stellen sie im Folgenden kurz vor.

Luftwärmepumpe

Die Luftwärmepumpe arbeitet nach dem Prinzip der Aerothermie. Sie bezieht ihre Wärme über einen Ventilator aus der Außenluft, und zwar unabhängig von der Außentemperatur. Selbst bei minus 20 °C heizt eine Luftwärmepumpe, denn das Kältemittel verdampft auch dann noch. Moderne Luftwärmepumpen sind leise und benötigen nicht besonders viel Platz.

Man unterscheidet Luft-Wasser- und Luft-Luft-Wärmepumpen. Letztere nutzen nicht Wasser als Wärmeträger, sondern leiten die Luftwärme direkt ins Heizungssystem und benötigen hierfür keine Heizkörper.

Luftwärmepumpen erreichen eine Jahresarbeitszahl von etwa 3 und sind in ihrer Anschaffung am kostengünstigsten. Außerdem sind sie wartungsarm, platzsparend und können sowohl im Innenraum (zum Beispiel im Keller oder Erdgeschoss) als auch im Außenbereich angebracht werden. Luftwärmepumpen zur Innenaufstellung saugen Luft über Luftkanäle ein und können sogar bereits abgekühlte Raumluft erneut verarbeiten.

Da im Innenraum Kondensat anfällt, muss der Aufstellraum über einen Abwasseranschluss verfügen. Split-Wärmepumpen kombinieren eine Außen- mit einer Inneneinheit.

Bei Luftwärmepumpen spielt die Lautstärke immer eine wichtige Rolle, denn von allen Wärmepumpen sind sie wegen der Ventilatoren die lautesten Systeme. Je nach Leistung steigt auch die Geräuschentwicklung und generell haben Luftwärmepumpen zur Außenaufstellung eine höhere Lautstärke als Geräte zur Innenaufstellung.

Die Lautstärke für Wärmepumpen bemisst sich in Dezibel nach Bewertungskurve A, kurz dB(A). In Innenaufstellung oder bei Splitgeräten erreichen sie bis 50 dB(A), Geräte in reiner Außenaufstellung kommen bis 63 dB(A). Zum Vergleich: Ein Fernseher bei Zimmerlautstärke hat 65 dB(A). Neuere Geräte laufen aber mit sehr viel geringerer Lautstärke und liegen bei 35 dB(A). ⁽²⁾

Seit Ende 2021 bietet der Markt auch Geräte, die eine Vorlauftemperatur von bis zu 70 °C erreichen und damit nicht unbedingt mit einer Fußbodenheizung kombiniert werden müssen. Bei einer Nachrüstung fällt der Austausch der Heizkörper dann weg, die bestehenden Radiatoren können weiterhin genutzt werden. Dabei arbeiten die Geräte sehr leise und erreichen lediglich Lautstärken von 30 bis 34 dB(A).

Erdwärmepumpe

Die Erdwärmepumpe, auch Sole-Wasser-Wärmepumpe genannt, basiert auf dem Prinzip der Geothermie. Im Erdreich lagern große Energiemengen. Zur Wärmegewinnung werden entweder oberflächennahe Kollektoren verlegt, die diese thermische Energie aufnehmen und weiterleiten, oder Erdsonden 40 bis 100 Meter tief in die Erde eingebracht. Der Planungsaufwand ist deutlich höher als bei einer Luftwärmepumpe, weil im Vorlauf Baugenehmigungen eingeholt werden müssen.

Die Erdwärmepumpe erreicht mit einer Jahresarbeitszahl von 4 einen hohen Wirkungsgrad. Diese Art der Wärmepumpen erfordern aufgrund der notwendigen Bohr- bzw. Erdarbeiten allerdings höhere Investitionen als andere Heizsysteme.

Grundwasserwärmepumpe

Die Grundwasserwärmepumpe oder Wasser-Wasser-Wärmepumpe arbeitet mit Hydrothermie. Neben dem Erdreich birgt auch das Grundwasser jede Menge Energie. Unabhängig von der Jahreszeit hat das Grundwasser in unseren Breitengraden eine konstante Temperatur von 10 bis 12 °C.

Diese Art der Wärmepumpe benötigt zwei Brunnen: einen Saugbrunnen für das Grundwasser und einen Schluckbrunnen für das genutzte, abgekühlte Wasser. Das Grundwasser sollte nicht tiefer als 20 Meter liegen, weil der Energieaufwand für den Betrieb der Pumpen sonst zu hoch ist.

Eine Grundwasserwärmepumpe kann eine Jahresabsatzzahl von über 5 erreichen und hat damit den höchsten Wirkungsgrad aller Wärmepumpentypen. Ihre Betriebskosten sind sehr gering, allerdings muss man mit höheren Anschaffungskosten rechnen.

Grundwasserwärmepumpen müssen aufgrund des Wasserschutzes behördlich genehmigt werden. Es gibt auch Varianten, in denen das Grundwasser direkt zur Wärmepumpe geleitet wird und kein Kältemittel zum Einsatz kommt.

Weitere Wärmepumpen

Wenn eine Wärmepumpe als Heizsystem nicht in Frage kommt, kann man sie auch nur zur Warmwassergewinnung nutzen. Dann generiert die Anlage aus der Wärme von Umluft oder Abluft warmes Wasser für den alltäglichen Gebrauch. Der Vorteil von Warmwasser-Wärmepumpen, oftmals auch Brauchwasser-Wärmepumpen genannt, sind die niedrigen Investitions- und Betriebskosten. 

Großwärmepumpen versorgen Wohngebäude oder auch Industrieunternehmen mit Wärme und warmem Wasser. Dabei übertreffen sie zum Teil europäische Standards. Großwärmepumpen können sowohl Luft-, Erdwärme- wie auch Grundwasserwärmepumpen sein.

Entwicklung der Wärmpumpe auf dem Heizungsmarkt

In den letzten zwei Jahren ist der Absatz der Wärmepumpen enorm gestiegen, wie die folgende Grafik verdeutlicht.

Verglichen mit anderen Heizungstypen hat sich im Neubau ein starker Wandel vollzogen. Während mehr als die Hälfte der Neubauten inzwischen mit Wärmepumpen ausgestattet werden, sinkt der Anteil von Gasheizungen. Die Fernwärme ist dagegen weiter stark vertreten. Heizungen mit Holzpellets und Stromheizungen spielen nur eine untergeordnete Rolle. Und Ölheizungen werden so gut wie gar nicht mehr eingebaut.

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Videobericht über den Sieger im Wärmepumpentest Viessmann Vitocal 250-A

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Fazit: Wärmepumpen gehört die Zukunft

Die Wärmepumpe überzeugt vor allem mit ihrer umweltschonenden Technik, mit hoher Effizienz und niedrigen Betriebskosten. In Kombination mit grünem Strom arbeitet sie komplett klimaneutral.

Mittlerweile bieten viele Energieversorger spezielle Stromtarife für Wärmepumpen an. Dieser Wärmestrom ist bis zu 25 % günstiger als Haushaltsstrom. Spezielle Tarife setzen einen extra Stromzähler für die Wärmepumpe voraus. Der Stromverbrauch und Haushaltsstrom werden dann separat gemessen.

Alle Wärmepumpen-Typen verzeichneten in den vergangenen Jahren einen hohen Anstieg, 2023 hatte die Luftwärmepumpe innerhalb des Wärmepumpenmarktes einen Marktanteil von 87 %. Auch bei Bestandsgebäuden werden alte Heizungssysteme immer häufiger durch Wärmepumpen ersetzt.

Eine Studie des Fraunhofer Instituts ⁽⁵⁾ beschrieb schon im Jahr 2020, dass Wärmepumpen auch im Altbau effektiv arbeiten können. Sie zeigte, dass nicht unbedingt das Alter eines Gebäudes hier ausschlaggebend ist, sondern die individuelle Beschaffenheit. So ist z. B. ein Zuschalten eines Heizstabes – der in besonders kalten Tagen die Wärmepumpe unterstützt – nur selten nötig. Eine gute Parametrierung der Anlage ist also sehr wichtig.

Ob eine Wärmepumpe in Frage kommt, ist von vielen Faktoren abhängig. Nicht jedes Heizsystem – und sei es noch so umweltfreundlich – eignet sich für jede Wohnsituation. Welche Heizung die richtige ist, ist eine Entscheidung zu der man unbedingt einen Fachmann einbeziehen sollte. Denn die individuellen Gegebenheiten unterscheiden sich von Fall zu Fall und nicht immer sind die baulichen und infrastrukturellen Voraussetzungen für den Einbau einer Wärmepumpe gegeben.

So müssen Bodenbeschaffenheit, Grundwasserstand und Grundstücksgröße gewisse Vorgaben erfüllen und gerade bei Erd- oder Grundwasserwärmepumpen braucht man behördliche Genehmigungen. Außerdem sollte das Haus gut gedämmt sein und idealerweise über eine Flächenheizung verfügen. Denn optimal arbeiten Wärmepumpenheizungen dann, wenn das Heizungssystem mit niedrigen Vorlauftemperaturen arbeitet. Sprich: Sanierter Altbau oder Neubau mit Fußbodenheizungen sind die besten Einsatzszenarien.

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Belege
⁽¹⁾ https://www.heizspiegel.de/heizung-tauschen/heizungsarten-im-vergleich/#c156907
⁽²⁾ https://www.viessmann.de/de/wissen/technik-und-systeme/waermepumpe.html
⁽³⁾ Infografiken vom Bundesverband Wärmepumpe e.V.
⁽⁴⁾ Bei Strommix. Verringert sich je nach Ökostromanteil.
⁽⁵⁾ Studie des Fraunhofer Instituts zur Funktion von Wärmepumpen im Gebäudebestand.