Wärmepumpen

Wärmepumpen: Wärme aus Erde, Wasser und Luft

So funktioniert die Wärmepumpe

Wärmepumpen „pumpen“ die Wärme aus der Umwelt auf ein höheres Niveau, so dass sie für Warmwasser und Raumheizung nutzbar wird. Dabei folgt die Wärmepumpe dem Gesetzt der Entropie, das besagt, das zwei Objekte mit unterschiedlicher Temperatur immer ihre Energie ausgleichen. Einfach gesagt, kann man sich das Funktionsprinzip wie bei einem Kühlschrank vorstellen: Der Kühlschrank entzieht seinem Innenraum Wärme und gibt sie an die Umgebung ab, die Wärmepumpe zieht die Wärme aus der Umwelt und gibt sie an das Heizsystem ab.

Für diesen Prozess brauchen Wärmepumpen Strom. Sehr gute Wärmepumpen benötigen dabei nur 25 Prozent elektrische Energie, um 100 Prozent Wärme bereitzustellen, und sind damit ausgesprochen effizient.

In der Praxis erreichen jedoch längst nicht alle Wärmepumpen diese Werte. Daher hilft eine Wärmepumpe nur unter den richtigen Rahmenbedingungen, Energie und Kosten zu sparen.

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Voraussetzungen für den klimafreundlichen Betrieb einer Wärmepumpe

Wärmepumpen sind sinnvoll, wenn

1. das Gebäude einen guten Wärmeschutz besitzt, zum Beispiel durch Dämmung und moderne Fenster. Geht zu viel Wärme über ungedämmte Wände oder durchlässige Fenster und Türen verloren, bedarf der Betrieb der Wärmepumpe zu viel Strom und wird damit zu teuer. Im Zweifel kann die Wärmepumpe den Wärmebedarf eines Gebäudes gar nicht decken.
2. im Gebäude große Heizkörper, bestenfalls eine Fußbodenheizung oder eine Wandheizung, für die Verteilung der Wärme im Haus sorgen. Auf diese Weise reichen vergleichsweise geringe Heizwasser-Temperaturen, um das Haus zu erwärmen.
3. Ökostrom genutzt wird. Dann stellen Wärmepumpen eine der wenigen CO₂-neutralen Heizmöglichkeiten dar.
4. sie mit einem Pufferspeicher kombiniert werden. Der Pufferspeicher sammelt die erzeugte Wärme bevor sie bei Bedarf in die Heizkörper fließt. Die Wärmepumpe springt dadurch seltener an, was ihren Verschleiß reduziert.

Auch die Wärmepumpe selbst nimmt Einfluss darauf, wie energiesparend Ihre Heizung ist. Ausschlaggebend ist die Jahresarbeitszahl. Sie zeigt Ihnen, wie effizient die Wärmepumpenheizung ist.

Die Jahresarbeitszahl beschreibt das Verhältnis zwischen der erzeugten Wärme und dem Strom, den die Wärmepumpe für die Erzeugung der Wärme benötigt. Je höher die Jahresarbeitszahl, desto energieeffizienter ist die Wärmepumpe. Gute Anlagen haben eine Jahresarbeitszahl von mindestens 3,5.

Verschiedene Wärmepumpenkonzepte

Grundsätzlich gilt, je höher die Temperatur der Wärmequelle ist, desto sparsamer kann eine Wärmepumpenheizung arbeiten. Daher eignen sich Grundwasser und Erdreich am besten als Energiequelle, weil ihre Temperatur selten unter zehn Grad Celsius liegt. Aber auch Luft kommt als Wärmequellen für eine Wärmepumpe in Frage.

Sole-Wasser-Wärmepumpen

Im Erdreich ändert sich die Temperatur schon in wenigen Metern Tiefe nicht mehr mit der Witterung. Daher können Erdwärmepumpen, auch Sole/Wasser-Wärmepumpen genannt, in der Regel das ganze Jahr über ohne zusätzliche Wärmeerzeuger betrieben werden.

Drei Erdwärmepumpen-Varianten werden unterschieden: Zum einen sitzt die Wärmepumpe nah und großflächig unter der Erdoberfläche. Ein dichtes Rohrleitungsnetz in etwa 1,5 bis 2 Metern Tiefe nimmt thermische Energie über eine besondere Oberfläche auf. Die zweite Möglichkeit besteht darin, die Wärmepumpe platzsparend senkrecht oder schräg zu installieren. Dazu werden Erdsonden durch Rohre in Bohrlöchern bis zu 100 Meter tief in den Boden getrieben. Deckt eine Sonde die benötigte Heizleistung nicht ab, arbeiten mehrere parallel. Eine weitere Alternative bieten Grabenkollektoren. Sie sind zwar platzsparender und günstiger, aber auch deutlich leistungsschwächer als Flächenkollektoren.
Dazu werden in etwa drei 3 Metern unter der Erde, mehrere Leitungen in einem Graben parallel verlegt. Oft ergänzen Grabenkollektoren Luftwärmepumpen.

Die Sole-Wasser-Wärmepumpen zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad aus. Sie bedürfen jedoch viel Platz, hoher Erschließungskosten und verschiedener behördlicher Genehmigungen. Das hat zur Folge, dass Sole-Wasser-Wärmepumpen nicht all zu sehr verbreitet sind.

Grundwasser-Wärmepumpen

Grundwasser ist als Wärmequelle für eine Wärmepumpe ebenfalls geeignet. Mit den richtigen Voraussetzungen kann mit Grundwasser sogar die höchste Effizienz bei Wärmepumpen erreicht werden, da Grundwasser ab einer Tiefe von zehn Metern ganzjährig eine Temperatur von gut 10 °C hat.

Ein Nachteil sind jedoch die hohen Erschließungskosten für Grundwasser als Wärmequellen. Sie benötigen zwei Brunnen, einen sogenannten Saugbrunnen, der die Wärmepumpe mit Wasser speist und einen Schluckbrunnen, der das Wasser aus dem Heizkreislauf wieder zurück ins Grundwasser führt.

Bei Grundwasser-Wärmepumpen ist unbedingt die Zusammensetzung des Grundwassers zu beachten. Eisen und Mangan können die Filter der Brunnen verstopfen, auch Verockerung genannt. Neubohrungen und regelmäßige Reinigungen machen die Anlage dann unwirtschaftlich.

Luft-Wärmepumpen

Eine weitere Alternative bieten Luft-Wärmepumpen: Sie nutzen die Umgebungsluft als Wärmequelle. Die Technologie ist technisch weniger komplex und daher im Vergleich günstig anzuschaffen und einfach zu installieren. Aus diesen Gründen ist die Luft-Wärmepumpe trotz ihres geringeren Wirkungsgrades beliebt.

Auch aus kalter Winterluft kann die Luftwärmepumpen Heizwärme gewinnen. Allerdings ist Luft als Wärmequelle deutlich weniger ergiebig als Erde oder Grundwasser. So ist ausgerechnet an kalten Wintertagen, wenn viel Wärme gebraucht wird, nur begrenzt Wärme vorhanden, die an die Wärmepumpe abgeben werden kann. Dann müssen andere Wärmeerzeuger einspringen. Das treibt die Betriebskosten in die Höhe und verschlechtert die Jahresarbeitszahl.

Eine Luftwärmepumpe kann im Haus oder draußen aufgestellt werden. Um die enormen Luftmassen zu bewegen, hat sie große Ventilatoren. Die Ventilatoren erzeugen einen wahrnehmbaren Schallpegel. Daher sollte schon vor der Installaion überlegt werden, wo die Luft-Wärmepumpe aufgestellt wird.

Luft-Luft-Wärmepumpe

Eine weitere Option stellt die Luft-Luft-Wärmepumpe dar: Sie arbeitet nach dem Prinzip eines Klimageräts, das im Sommer die Raumluft kühlt und die Wärme nach außen abgibt. Im umgekehrten Betrieb wird der Außenluft Wärme entzogen und in die Innenräume geleitet. Diese Systeme sind nicht mit einem Wasserkreislauf oder Heizkörpern verbunden, was die Technik weniger komplex und damit günstiger in der Anschaffung macht. Allerdings wird für die Warmwasserbereitung eine separate Lösung benötigt.

Luft-Luft-Wärmepumpen sind besonders in gut isolierten Gebäuden effektiv, da sie die Wärme direkt über die Luft verteilen. Im Betrieb können jedoch Zugluft und Geräusche entstehen. Da sie stark von der Außentemperatur abhängen, sinkt ihre Effizienz bei sehr niedrigen Temperaturen, was den Einsatz zusätzlicher Wärmeerzeuger notwendig machen kann.

Wärmepumpen kombiniert

Besonders Luft-Wärmepumpen werden häufig in Hybridsystemen genutzt. Dann werden sie im Winter mit einem weiteren Wärmeerzeuger, wie einem Gas-, Pellet- oder Ölheizkessel kombiniert. Der zusätzliche Kessel arbeitet entweder an besonders kalten Tagen anstelle der Wärmepumpe, oder beide Systeme teilen sich die Arbeit. In beiden Fällen ist eine gemeinsamer Regelung empfehlenswert, damit beide Heizungen optimal zusammenspielen.

Eine weitere Möglichkeit, die Luft-Wärmepumpe zu unterstützen, ist ein Elektroheizstab im Pufferspeicher. Damit bleibt Strom der einzige Energieträger, der zum Einsatz kommt.

So funktioniert die Wärmepumpe im Altbau

Über die Verwendung von Wärmepumpen im Altbau wird viel diskutiert. Peter Kafke, Experte der Energieberatung der Verbraucherzentrale: „Heizkörper in Altbauten sind tatsächlich überraschend oft überdimensioniert, so dass oft nur ein Austausch einzelner Heizkörper nötig ist. Teilweise wurden sie großzügig über den Daumen dimensioniert, einige Gebäude wurden nachträglich mit Dämmung und neuen Fenstern versehen, so dass die Heizflächen geringere Vorlauftemperaturen brauchen.“

Damit ist natürlich auch der Weg zur Wärmepumpe im Altbau umrissen: Abhängig vom jeweiligen Gebäude sollte nach dem Optimum von größeren Heizflächen und besserer Dämmung gesucht werden. Dabei hilft ein Energieberater.

Peter Kafke rät zum Praxistest für eine erste Orientierung: An einem kalten Wintertag wird die Vorlauftemperatur der vorhandenen Heizung auf 55 Grad begrenzt und alle Heizkörperthermostate auf „3“ gestellt. Wird es dann in allen Räumen warm, ist eine Wärmepumpe problemlos möglich. Bleiben einzelne Räume kalt, reicht vermutlich der Ersatz der Heizkörper durch größere aus, um die Wärmepumpe zu ermöglichen. Bleibt es in allen Räumen zu kühl, wird es ohne zusätzliche Dämmung an der Gebäudehülle keinen wirtschaftlichen Wärmepumpenbetrieb geben.

Auch die Frage nach den Kosten wird an vielen Stellen diskutiert. Die Ausgaben für eine Wärmepumpe für ein Einfamilienhaus inklusive Installation liegen zwischen 20.000 und 50.000 Euro. Das liegt deutlich über dem Preis der fossilen Alternativen, die aktuell noch eingebaut werden dürfen. Entscheidend sind aber die Betriebskosten der nächsten 15 bis 20 Jahre. Ob das Heizen mit einer Wärmepumpe am Ende günstiger ist als mit einer Öl- oder Gasheizung hängt einerseits von der Effizienz der Wärmepumpe ab, andererseits von der Kostenschere zwischen Strompreis und z.B. Gas-, Öl- oder dem Pelletpreis. Für die Lebensdauer der Heizung können diese Kosten nicht exakt prognostiziert werden. Zu vermuten ist aber, dass mehr Wind- und Solarstrom weiterhin den Strompreis drücken und die beschlossenen Steigerungen der CO₂-Abgabe die fossilen Energien weiter verteuern. Die Anschaffungskosten für eine Wärmepumpe sind tatsächlich höher als die für Brennwerttechnik. Da die Umstellung auf Wärmepumpen jedoch maßgeblicher Bestandteil der von der Politik angestrebten Wärmewende ist, werden sie mit bis zu 40 Prozent vom Staat gefördert. Das reduziert die Investitionskosten. Entscheidend ist also die Jahresarbeitszahl.

Die Jahresarbeitszahl beschreibt die Effizienz einer Wärmepumpe. Sie bemisst das Verhältnis des benötigten Stroms zur erzeugten Wärme. Eine Jahresarbeitszahl von 3 bedeutet, dass mit einer Kilowattstunde Strom drei Kilowattstunden Wärme erzeugt werden können. Nach Ansicht der Verbraucherzentrale sollte im Altbau mindestens die Jahresarbeitszahl 3 angestrebt werden.

Peter Kafke, Energieexperte der Verbraucherzentrale, rechnet an einem konkreten Beispiel vor: Wir gehen von einem Haus aus, dass im Jahr 25.000 Kilowattstunden Wärme benötigt und einer Heizung, die 15 Jahre genutzt wird.

Fällt die Entscheidung für eine Gasheizung, kostet das warme Haus nach 15 Jahren 85.000 Euro.

So hilft der Staat

Auf lange Sicht verringert die Installation einer Wärmepumpe nicht nur die Betriebskosten, sondern auch den CO₂-Fußabdruck. Genau aus diesem Umweltaspekt unterstützen der Bund mit der BAFA-Förderung und der kfw-Förderung sowie manche Länder unter bestimmten Voraussetzungen den Einbau von Wärmepumpen. Die Höhe des Zuschusses ist dabei unter anderem von der Art der Wärmepumpe abhängig. Außerdem bieten viele Stromversorger Sondertarife für Wärmepumpenstrom. Weitere Informationen finden Sie unter Förderung.

Bei Fragen zu Ihren persönlichen Möglichkeiten, eine Wärmepumpe effektiv zu nutzen, unterstützt Sie die Verbraucherzentrale gerne mit einer fundierten Beratung. Informieren Sie sich auch über unsere vielfältigen Veranstaltungen zum Thema Heizung.