Wärmepumpe - Funktionsweise

Wärmepumpen dienen der Energiegewinnung aus der Umwelt

Man nehme das Prinzip eines Kühlschranks und kehre es einfach um. Was dabei herauskommt, ist nicht etwa eine Warmhaltevorrichtung mit besonders viel Platz, sondern eine Heizmethode, die besonders effizient sein kann.

Die Rede ist von der Wärmepumpe. Deren Arbeitsweise ist schnell beschrieben: sie entzieht der Umwelt Wärme, leitet sie ins Haus und hebt sie dort auf ein höheres Temperaturniveau. Dadurch wird die so gewonnene Wärme für die Heizung nutzbar gemacht.

Beim eingangs erwähnten Kühlschrank läuft es genau umgekehrt, denn dieser entzieht der Luft im Innern die Wärme und leitet diese dann nach außen ab. Damit das umgekehrte Prinzip bei der Wärmepumpe funktionieren kann, bedarf es noch nicht einmal besonders hoher Temperaturen. Ein paar Grad über Null bei der Außentemperatur reichen bereits aus, um wirtschaftlich zu heizen.

Allgemeine Funktionsweise von Wärmepumpen

Eine Gemeinsamkeit von Kühlschrank und Wärmepumpe liegt darin, dass ihr Betrieb auf einer frostsicheren Flüssigkeit basiert. Dieses Kältemittel hat die Eigenschaft, bereits bei sehr niedrigen Temperaturen zu verdampfen. In Gebäuden kommen in der Regel Elektrokompressions-Wärmepumpen zum Einsatz. Diese funktionieren wie folgt: Zunächst wird das Kältemittel in der Wärmepumpe durch die von außen kommende Umgebungswärme erwärmt und anschließend mithilfe eines Elektromotors verdichtet. Dadurch heizt es sich noch weiter auf und wird dann an einen Wärmetauscher weitergeleitet. Dieser überträgt die Wärme des Kältemittel-Gases auf das Heizwasser, das dann zu den Heizkörpern fließt, die im letzten Schritt dann die Wohnung erwärmen. Das funktioniert selbst dann noch, wenn die Außentemperaturen sehr niedrig liegen, also beispielsweise auch an Wintertagen.

Der in Wärmepumpen verbaute Elektromotor bringt nun aber einen offensichtlichen Nachteil mit sich: Er benötigt - wie auch der Kühlschank - Strom. Strom gilt nun als eine Form der Energie, deren Herstellung im Vergleich zu anderen Formen besonders aufwendig und ist und einen schlechten Wirkungsgrad bezogen auf den eingesetzten Primärenergieträger hat.

Das zeigt ein Vergleich: Für ein Kilowatt an Strom muss die dreifache Menge an Primärenergie aufgewendet werden wie für ein Kilowatt an thermischer Energie. Hinzu kommt, dass elektrische Energie in Deutschland nach wie vor zum überwiegenden Teil aus Kohlekraftwerken stammt. Ein Umstand, der den Umweltnutzen der Wärmepumpe stark beeinträchtigen kann. Entscheidend ist, wie hoch der Stromverbrauch einer Wärmepumpe ist.

 

 

Grundsätzliche Arten von Wärmepumpen

Man unterscheidet primär vier Arten von Wärmepumpen. Die Unterscheidung begründet sich auf den Energieträger aus dem die Wärme gewonnen wird und dem Energieträger an den die Wärme abgegeben wird. Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe entzieht die Wärme der Außenluft und gibt sie an das Wasser in der Heizungsanlage (Rohre, Heizkörper und Fußbodenheizung) ab. Bei einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe wird die Energie aus dem Grundwasser entnommen und ebenfalls an die Heizungsanlage abgegeben. Die Sole-Wasser-Wärmepumpe entzieht dem Erdreich die benötigte Energie um sie dann entsprechend an die Heizungsanlage abzugeben. Ein eher seltene Form der Wärmepumpe stellt die Luft-Luft-Wärmepumpe da.

Funktion der Luft-Wasser-Wärmepumpe

Wie bereits erklärt, wird der Umgebungsluft, meist der Außenluft, Wärme entzogen. Dies erfolgt meistens über eine sogenannte Außeneinheit. Diese wird im Außenbereich des Hauses aufgestellt und mittels spezieller Kältemittelleitungen mit der Inneneinheit verbunden. Diese Technik ist sehr ausgereift, da sie in der Klimatisierung von Gebäuden zum Beispiel zur Kühlung von Verkaufs- und Schulungsräumen seit vielen Jahren eingesetzt wird. Im Falle von sehr tiefen Temperaturen und zur Erwärmung des Duschwassers ist meist eine elektrisch betriebene Heizpatrone eingebaut. Diese schaltet sich automatisch zu, wenn die Wärmepumpe die benötigten Temperaturen nicht mehr bereitstellen kann. Wer eine Fußbodenheizung im Gebäude verlegt hat, kann im Sommer die Kühlmöglichkeit vieler Wärmepumpen nutzen und das Gebäude klimatisieren. Hierbei ist eine spezielle Taupunkt-Überwachung notwendig, denn die Oberflächentemperatur des Fußbodens darf nicht zu stark abgekühlt werden. Das in der warmen Raumluft enthaltene Wasser würde ansonsten auf dem kalten Fliesenboden kondensieren und zu Wasserschäden ihren können. 

Der Nachteil ist die Geräuschentwicklung der Außeneinheit, da hier ein Ventilator für die notwendige Luftumwälzung sorgt. In der Nähe von sensiblen Räumen wie dem eigenen aber auch dem Schlafzimmer des Nachbarn sollte eine Außeneinheit nicht montiert werden.  

Funktion der Wasser-Wasser-Wärmepumpe

Wie bei der Luft-Wasser-Wärmepumpe wird die Energie an das Heizungssystem abgegeben. Ebenfalls besteht die Möglichkeit der Klimatisierung. Die Wärme wird bei der Wasser-Wasser-Wärmepumpe jedoch nicht der Luft sondern dem Grundwasser entzogen. Hierzu werden zwei Brunnen gebohrt. Aus dem ersten Brunnen wird das Grundwasser mittels einer Pumpe heraus gesaugt. Dieser Brunnen nennte sich Saug-Brunnen. Das Wasser wird grob gefiltert und über eine Leitung zur Inneneinheit transportiert. Hier wird dem Wasser die Energie entzogen, dass Wasser kühlt deutlich ab. Anschließend wird das Wasser über eine Rückleitung zum zweiten Brunnen gefördert. Dieser Brunnen "schluckt" das Wasser und führt es dem Grundwasser wieder zu. Man spricht daher vom Schluck-Brunnen. 

Funktion der Soler-Wasser-Wärmepumpe

Die Sole-Wasser-Wärmepumpe entzieht die benötige Wärme dem Erdreich und gibt sie wie bereits bei der Wasser-Wasser-Wärmepumpe beschrieben, an die Inneneinheit ab. Anders als bei der Wasser-/ Wasser-Wärmepumpe wird hier ein geschlossener Kreislauf erstellt. Entweder über einen Flächenkollektor, der in einer Tiefe von ca. 2 Metern rund um das Haus verlegt wird und vergleichbar mit einer Fußbodenheizung ist. Die benötigte Fläche ist abhängig von der Gebäudebeschaffenheit, kann aber grob mit dem zweifachen der beheizten Gebäudefläche angenommen werden. Wer diesen Platz nicht hat und die möglichen Einschränkungen in der weiteren Bebauung nicht eingehen möchte, sollte hiervon abstand nehmen. Das Erdreich oberhalb des Erdkollektors wird dauerhaft, Sommer wie Winter, ausgekühlt. Dies kann Einfluss auf die Bepflanzung haben. Es gibt Objekte bei denen zum Beispiel der Rasen über dem Kollektor nur sehr langsam oder gar nicht wächst.

Alternativ kann eine Tiefbohrung erstellt werden. Ein Spezialunternehmen bohrt je nach örtlicher Entzugsleistung des Bodens ein oder mehrere bis zu 200 Meter tiefe Bohrlöcher mit einem Durchmesser von ca. 20 Zentimeter. Hier hinein wird eine Rohrschleife eingeschoben. Die Rohrleitungen der verschiedenen Bohrlöcher werden in einem Schacht miteinander verbunden. Eine Vor- und Rücklaufleistung führt dann zur Inneneinheit im Gebäude. Hierbei ist zu beachten, dass sich die Entzugsleistung in einigen Fällen nach einigen Jahren erheblich reduzieren kann. Auch ist eine Genehmigung der Unteren Wasserbehörde einzuholen.  

Funktion der Gaswärmepumpe

Eine Hersteller bieten Wärmepumpen an, die mit Erdgas betrieben werden. Diese Gas-Wärmepumpen oder auch Adsorptions-Wärmepumpe sind deutlich effektiver als herkömmliche Wärmepumpen und sind ein einem Leistungsbereich von 10,2 bis 43,9 KW erhältlich. Für den Einsatz im Ein- und Zweifamilienhaus empfehlen wir zum Beispiel die Zeolith-Wärmepumpe zeoTherm aus dem Hause Vaillant. Hier können Sie sich die Funktionsweise der Gas-Wärmepumpe erklären lassen.  

Die Hybrid-Heizung - eine sinnvolle Kombination aus Wärmepumpe und Brennwertkessel

Möchte man mit einer Wärmepumpe sowohl das Duschwasser als auch das Heizungswasser wirtschaftlich erwärmen, ist eine Flächenheizung zum Beispiel in Form einer Fußbodenheizung oder Wandheizung zu empfehlen. In vielen Bestandsgebäuden scheidet dies leider aus, da hier keine Flächenheizung vorhanden ist. Um zumindest einen Teil der kostenlosen Energie, die uns die Umwelt zu verfügung stellt, nutzen zu können, gibt es von einigen Herstellen eine Hybrid-Heizung, die eine Wärmepumpe für die Grundlast und eine Gas- oder Öl-Brennwertheizung für die Spitzenlast kombinieren. Diese Hybrid-Systeme oder auch Hybrid-Wärmepumpen sind besonders in den Sommermonaten sowie in der Übergangszeit sehr wirtschaftlich und eine echte Alternative zur reinen Brennwertheizung. Eine Hersteller kombinieren dieses Hybrid-System zusätzlich noch mit einer thermischen Solar-Anlage. Hierzu können wir aus rein wirtschaftlichen Gründen nicht raten. Wer jedoch das nötige Kleingeld hat, für den kann diese Variante durchaus interessant sein. 

Eisspeicher mit Wärmepumpe

Energie lässt sich in verschiedensten Formen speichern. Heizen mit Eis ist dabei eine recht neue Form der Speicherung von Wärme.

Lassen Sie sich die Wärmepumpe erklären

Energieeffizienz bei Wärmepumpen

Eine besonders wichtige Kennzahl bei Wärmepumpen ist die Jahresarbeitszahl, in Fachkreisen auch COP genannt. Sie gibt das Verhältnis der aufgenommenen elektrischen Energie und der abgegebenen Wärme über ein Jahr an und ist deswegen ein wichtiger Indikator für die Effizienz einer Wärmepumpe. Je nach Bauweise und Wärmequelle der Wärmepumpekann es hier zu erheblichen Abweichungen kommen. Die Jahresarbeitszahl wirkt sich aber auch auf andere Weise positiv auf das eigene Budget aus, denn das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) macht die Förderung von Wärmepumpen von ihr abhängig. Erst ab einer Jahresarbeitszahl von 3,5 gibt es die Förderung für den Einbau einer Wärmepumpe. Besonders gute Wärmepumpen haben einen COP von mehr als 4, einige liegen sogar bei 5. Es gibt aber noch einen weiteren Weg, die mit dem Stromverbrauch verbundenen CO2-Emissionen zu reduzieren. Wird nämlich Strom aus ökologischer statt konventioneller Herstellung verwendet, also beispielsweise aus Solaranlagen, Biomasse oder Windkraft, trägt dies in großem Maße zu einer besseren Umweltverträglichkeit bei.

Das BAFA hat COP-Werte für förderfähige Wärmepumpen entsprechend der verschiedenen Wärmepumpen-Arten eindeutig festgelegt:

  • Luft/Wasser-Wärmepumpen: 3,10 (im Betriebspunkt A2/W35)
  • Sole/Wasser-Wärmepumpen: 4,30 (im Betriebspunkt B0/W35)
  • Wasser/Wasser-Wärmepumpen: 5,10 (im Betriebspunkt W10/W35)

Auf der Internetseite des BAFA finden Sie einen Überblick über der COP-Werte der gängigen Anbieter von Wärmepumpen. Hier gelangen Sie zur Liste der COP-Werte. 

Dort finden Sie alle gängigen Hersteller und deren Produkte der Hersteller Aermec, Airwell, Alpha-InnoTec, Bartl, Behrmann, BioEnergieTeam, Brötje, Buderus, Carrier, CTA, CTC, Daikin, Danfoss, Dimplex, Elco, Energie-200, Enertech, EQtherm, Eichenfelder KKU, Euronom, Foshan Sero, FRIAP, Fujitsu, GDH Energy, Gorenje, Gülzow, H+H Energiesysteme, H2O Energy, Harreither, Haute, Heizwelt, Heliotherm, Hitachi Air, Höcker-Wärmepumpen, HOTJET CZ, Hoval, IDM Energiesysteme, Intervall Wärmetechnik, IWS, Junkers, Kelvin, Kermi, KNV Energietechnik, König-Wärmepumpen, KUFI INT, LG Electronics, LÜBaG, MasterTherm, Mederer, MHG, Mitsubishi, NawaRoTech, NEURA, NIBE, Novelan, Ochsner, OERTLI-Rohleder, Orange Energy, Panarotto, Panasonic, PZP HETING, REHAU, Remeha, REMKO, Rotex, Roth, Schüco, SHPSystems, Solarbayer, SOLVIS, Sonnenkraft, Stiebel Eltron, SunHybrid, tecalor, Thermia Värme, Thermic, Toshiba, Vaillant, Viessmann, Voß, WAMAK, WATERKOTTE, Weider, Weishaupt, WM Feinwerk, Wolf, WPM, Zubatherm und ZWS. 

Ein Kritikpunkt bei Wärmepumpen sind die verwendeten Kühlmittel. Viele Kühlmittel können die Ozonschicht schädigen, wenn sie ungehindert in die Atmosphäre entweichen. Dem ist jedoch entgegenzuhalten, dass inzwischen nur noch Kühlmittel in Wärmepumpen verwendet werden, die weit weniger schädlich für die Umwelt sind. In einigen finden sich beispielsweise Verbindungen wie Butan, das im Falle eines Entweichens keinerlei Schädigungen verursacht.

Voraussetzungen für den Einbau einer Wärmepumpe

Eine der wichtigsten Voraussetzungen für eine Wärmepumpe ist eine sehr gute Wärmedämmung am Gebäude sowie geringe Vorlauftemperaturen wie zum Beispiel bei der Verwendung einer Fußbodenheizung. Denn je geringer der Heizbedarf im Gebäude, desto effizienter arbeitet eine Wärmepumpe. Der Grund dafür lässt sich aus der Funktionsweise der Wärmepumpe ableiten. Je geringer die Differenz bei den Temperaturen zwischen Heizwasser und der gewünschten Zimmertemperatur, desto besser der Wirkungsgrad. Ein gut gedämmter Neubau bietet meist beste Voraussetzungen für den Einbau einer Wärmepumpe, denn hier reichen Heizwassertemperaturen zwischen 20° und 40°C meist schon aus, um das Haus auf ein behagliches Niveau zu erwärmen. In schlecht oder gar nicht gedämmten Altbauten wäre die Installation einer Wärmepumpe hingegen weniger vorteilhaft, denn hier käme eine zu schlechte Jahresarbeitszahl zustande. Der Stromverbrauch wäre also unverhältnismäßig hoch und der Betrieb damit ineffizient.

Sparpotenziale bei Verwendung einer Wärmepumpe

Die möglichen Einsparungen hängen von Jahresarbeitszahl und der Relation zwischen Wärmepumpenstrompreis und Brennstoffpreis ab. Mit einer Erdwärmepumpe, die eine Jahresarbeitszahl von 4,0 aufweist, könnten beispielsweise bei heutigen Erdgaspreisen bis zu 50 Prozent der Energiekosten eingespart werden.

Wie schnell amortisiert sich eine Wärmepumpe?

Angesichts des heutigen Preisniveaus und in der Erwartung, dass sich Energiepreise und Kapitalzinsen in Zukunft ähnlich entwickeln werden, kann von einem Zeitraum von etwa 10 Jahren ausgegangen werden, bis sich eine effiziente Wärmepumpe amortisiert hat.

Finanzierungs- und Fördermöglichkeiten für Wärmepumpen

Eine Förderung durch das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle ist möglich, wenn eine effiziente Wärmepumpe in bestehenden Gebäuden installiert wird und dabei sowohl deren Warmwasserbereitung als auch Beheizung unterstützt. Darüber hinaus müssen förderfähige Wärmepumpen mit Wärmemengen- und Stromzähler ausgestattet sein.

Wärmepumpen - Garantien vom Hersteller

Grundsätzlich gilt die Gewährleistungspflicht, die sich aus dem Bürgerlichen Gesetzbuch (BGB) und der Vergabe- und Vertragsordnung für Bauleistungen (VOB) ableitet. Einzelne Hersteller bieten jedoch eine darüber hinausgehende Garantie. 

Welche regelmäßigen Wartungskosten fallen bei Wärmepumpen an?

Die Wartungskosten bei sorgfältig geplanten und fachmännisch installierten Wärmepumpen sind vergleichsweise gering und sind nicht sehr viel höher angesiedelt als bei Gas- und Ölkesselanlagen. Zu beachten ist aber, dass Wärmepumpen empfindlicher auf Störungen, falsch eingestellte Regelungen und Änderungen beim Nutzungsverhalten reagieren, die beispielsweise aus einem höheren Warmwasserverbrauch resultieren können. Deswegen empfehlen sich eine regelmäßige Wartung und die Überprüfung der Effizienz mithilfe von Wärmemengen- und Stromzählern.

Wenn Sie sich für eine Wärmepumpe interessieren und weitergehende Informationen benötigen, sprechen Sie uns gerne an. Unsere Fachplaner stehen Ihnen gerne mit Rat und Tag zur Seite.