Wärmepumpe – Nachhaltig heizen

Bei der Frage nach der besten Heiztechnik für die eigene Behausung kann die Wärmepumpe eine effiziente Alternative sein. Wärmepumpen arbeiten mit thermischer Umgebungsenergie aus Luft, Erde oder Wasser und übertragen diese auf Heizsysteme.

Unter den richtigen Umständen tragen Wärmepumpen zu einer nachhaltigen Energieversorgung und zur Entlastung der Umwelt bei. Zu den Voraussetzungen für den sinnvollen Einsatz gehören Wohnlage und Klima, die Größe des Grundstücks sowie Wärmebedarf und Heizgewohnheiten. Wer die Einrichtung einer Wärmepumpe plant, kann bei der Finanzierung mit Förderungen rechnen.

Überblick und Allgemeines

Grundsätzlich stellt die Wärmepumpe eine Heiztechnik dar, die sich der in der Umwelt gespeicherten thermischen Energie bedient. Über einen aufwändigen technischen Prozess wird die thermische Energie aus Luft, Erde oder Wasser auf ein höheres Temperaturniveau gebracht und zur Beheizung von Gebäuden eingesetzt.

Anders als bei herkömmlichen Heizsystemen (beispielsweise bei der Gasheizung, der Ölheizung oder der Holzheizung) findet hierbei keine Verbrennung statt. Die Wärmepumpe kann sich je nach Standort des Gebäudes verschiedener Energiequellen bedienen. Daher lassen sich verschiedene Arten von Wärmepumpen unterscheiden, die Wasser-Wasser-, die Sole-Wasser- und die Luft-Wasser-Wärmepumpe.

Der Wärmepumpen-Prozess und seine Funktionsweise

Die Funktionsweise der Wärmepumpe ähnelt grundsätzlich der eines Kühlschranks. Der Unterschied besteht lediglich darin, dass der Kühlschrank dem Raum Wärme entzieht, während die Wärmepumpe die Wärme in den Raum leitet.

 

Die Wesentlichen Komponenten im Prozess der Wärmepumpen-Heizung sind:

  • zwei Wärmeüberträger
  • Verdichter
  • Expansionsventil
  • ein geschlossenes Rohrnetz

Der Prozess lässt sich in drei Hauptschritte untergliedern.
Im ersten Schritt nimmt die Wärmepumpe die Energie aus der Umgebung auf. Dies lässt sich entweder unmittelbar durch eine Luft- oder Wasserpumpe umsetzen oder mittelbar durch einen zusätzlichen Kreislauf. Ein solcher findet bei der Erdwärmepumpe Anwendung, bei der die Wärme aus dem Erdreich zur Heizung transportiert wird. Ein Kältemittel dient dazu, die Wärme aufzunehmen. Schon bei niedrigen Temperaturen kommt es zur Verdampfung des Kältemittels.

Im zweiten Schritt kommt der Verdichter zum Einsatz, der das Temperaturniveau anhebt. Der Dampf des Kältemittels ist zu kühl zur Wärmeversorgung des Hauses, weshalb seine Temperatur erhöht werden muss. Der Verdichter funktioniert mit Strom oder Gas und ermöglicht den Temperaturanstieg. Dieser Prozess ist umso energieeffizienter, je geringer die Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und dem Heizungssystem ist.

Im dritten und letzten Schritt kommt es zur Wärmeübertragung. Das aufgeheizte Kältemittel überträgt die thermische Energie an das Heizsystem. In diesem Prozess sinkt die Temperatur des Kältemittels wieder, sodass es wieder flüssig wird. An dieser Stelle ist das Expansions- oder Drossel-Ventil wichtig, da es für das Absinken des Drucks auf das Ausgangsniveau sorgt. Dies ist eine der wesentlichen Voraussetzungen für den erneuten Ablauf des Prozesses.Das Kältemittel fließt nun zurück zum Verdampfer, sodass der Wärmepumpen-Vorgang erneut beginnen kann.

Arten der Wärmepumpe und ihre Energiequellen

In Abhängigkeit der Lage des Gebäudes lässt sich die Energie aus unterschiedlichen Umweltquellen gewinnen. Hierbei haben Anwender grundsätzlich die Auswahl zwischen Energie aus:

Wasser-Wasser-Wärmepumpe: thermische Energie aus dem Grundwasser

Im Grundwasser findet sich thermische Energie in gespeicherter Form. Diese können Wärmepumpen-Nutzer über zwei Brunnen verwenden. Diese Brunnen dienen dem Transport des Wassers zur Wärmepumpe (in diesem Fall eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe) und zurück ins Erdreich. Die Brunnen sind dabei in Fließrichtung des Grundwassers zu installieren, wobei ein gewisser Mindestabstand einzuhalten ist. Auf diese Weise ist dafür Sorge getragen, dass bereits wieder abgekühltes Grundwasser nicht erneut zum Heizsystem gelangt.

Wichtig ist beim Einsatz der Wärme-Wärme-Wasserpumpe die Grundwasserqualität. Diese entscheidet darüber, ob sich diese Art von Wärmepumpe überhaupt reibungslos einsetzen lässt. Manche Inhaltsstoffe können eine Belastung für den Wärmetauscher darstellen und dessen Funktionsfähigkeit beeinträchtigen.

Die Nutzung der Wasser-Wasser-Wärmepumpe ist genehmigungspflichtig. Landesämter informieren über die Erlaubnis der Nutzung in der jeweiligen Region. Grundsätzlich stellt Wasser eine effiziente Energiequelle dar, da sie sich durch konstante Temperaturen über das gesamte Jahr hinweg auszeichnet.

Luft-Wasser-Wärmepumpe: thermische Energie aus der Luft

Luft zeichnet sich als Energiequelle dadurch aus, sich besonders leicht nutzen zu lassen. Voraussetzung ist ein System, mit dem sich Luft ansaugen und ausblasen lässt.Wird die Luft-Wärmepumpe im Außenbereich installiert, kann die thermische Energie unmittelbar aus der Umgebungsluft gewonnen werden. Befindet sich die Wärmepumpe im inneren des Hauses, muss das System über Kanäle verfügen, die das Heizgerät über Lüftungsgitter mit der Außenwand verknüpfen.

Ein Problem der Luft als Energiequelle sind ihr hohen Temperaturschwankungen. Im Winter ist die Außenluft besonders kalt, während die Heizung in dieser Jahreszeit besonders benötigt wird. Aufgrund der geringen Temperaturen der Außenluft (oft um den Gefrierpunkt) handelt sich also um eine große Differenz zwischen der Wärmequelle und dem Heizungssystem. Das Resultat ist eine abnehmende Energieeffizienz der Wärmepumpe. Die Wärmeüberträger sind stets von Frost freizuhalten, wenn die Außenluft über sie geleitet wird.

Sole-Wasser-Wärmepumpe: thermische Energie aus der Erde

Auch im Erdreich ist thermische Energie gespeichert. Diese lässt sich über Sole-Wasser-Wärmepumpen als Heizenergie nutzen. Dies lässt sich realisieren über Rohrsysteme, die in das Erdreich eingebracht sind. Diese lassen sich in Abhängigkeit der Verhältnisse über Tiefenbohrungen oder flache Kollektoren einrichten. Über diese Leitungen fließt ein Gemisch aus Wasser und Frostschutz. Dieses Gemisch transportiert die Wärme aus dem Erdreich zur Wärmepumpe.

Bei der Einrichtung einer Sole-Wasser-Wärmepumpe können Sondenbohrungen durchgeführt oder die Wärme auch unmittelbar unter der Oberfläche gewonnen werden. Handelt es sich um eine Sondenbohrung, so kommen Kunststoffrohre in tiefen Bohrlöchern zum Einsatz. Hierbei ist pro Tiefenmeter etwa ein Entzug von 50 Watt aus thermischer Energie möglich. Die Beheizung eines modernen Gebäudes benötigt durchschnittlich 150 Tiefenmeter. Die einzelne Bohrung kann etwa 100 Meter tief ausfallen, während die Bohrungen sich auf mehrere Löcher verteilen lassen.

Ist die Sondenbohrung nicht möglich, lässt sich die thermische Energie auch oberflächennah gewinnen. Dieses Prinzip ähnelt einer Fußbodenheizung. Rohe werden unmittelbar unter der Oberfläche (Tiefe etwa 1,5 Meter) verlegt. Jeder Quadratmeter entzieht dabei dem Erdreich etwa 25 Watt. Zum Beheizen eines modernen Gebäudes der Größe eines Einfamilienhauses genügen etwa 350 Quadratmeter eines solchen Heizsystems.

Das Erdreich zeichnet sich ganzjährig durch höhere Temperaturen im Vergleich zu Luft aus. Aus dem Erdreich lässt sich ganzjährig thermische Energie gewinnen, die eine geringere Differenz zum Heizsystem aufweist. Es handelt sich demnach um ein energieeffizientes System. Zu berücksichtigen ist, dass Tiefenbohrungen meist genehmigungspflichtig sind. Über die Zulässigkeit dieser Form von Sole-Wasser-Wärmepumpensystemen informieren zuständige Landesämter.

Wärmepumpe als Kühlung

Waermepumpe Zeichnung
Wärmepumpe sowohl zum Heizen als auch Kühlen geeignet. Meggichka/bigstock.com

Im Gegensatz zu regulären Heizeinrichtungen können Wärmepumpen nicht nur heizen, sondern über bestimmte Verfahren auch zur Kühlung beitragen. In diesem Zusammenhang sind die Optionen Natural Cooling und Active Cooling interessant.

Das Kühlen kehrt das normale Funktionsprinzip der Wärmepumpe um. Der Wärmeerzeuger fungiert hierbei als eine Art Kühlschrank, wobei der Wärmefluss umgekehrt wird. Die Komponenten (Verdampfer, Verdichter und Ventil) werden hierbei an anderen Stellen des Kreislaufs eingesetzt.

Beim Natural Cooling kommt es zur Nutzung der natürlichen Umgebungstemperatur zur Reduktion der Temperatur in den Innenräumen. Hierbei nehmen das Grundwasser oder die Soleflüssigkeit die Wärme via Wärmetauscher auf. Diese Wärme wird anschließend an die Umgebung abgegeben. In den Innenräumen kommt es hierdurch zu einer Reduktion der Temperatur.

Wärmepumpe als alleiniges Heizsystem?

Einige Wärmepumpen-Systeme finden Anwendung als alleinige Heizung. Sole-Wasser-Pumpen sind insbesondere für Neu- sowie Altbauten mit großen Grundstücken ohne Bäume geeignet. Bei guter Bodenqualität steht der Nutzung als einzigem Heizsystem nichts im Wege.

Ebenso kommen Wasser-Wasser-Wärmepumpen als alleinige Heizung zum Einsatz. Auch hierbei sind Bauten mit großem Garten von Vorteil, die außerhalb von Wasserschutzgebieten liegen. Luft-Wasser-Wärmepumpen sind besonders für Niedrigenergiehäuser oder Passivhäuser geeignet.


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In einigen Ländern haben Wärmepumpensysteme als alleinige Heizung eine weite Verbreitung. In der Schweiz verfügen über 30 Prozent der Neubauten über eine Wärmepumpen-Heizung. In Schweden sind mehr als 90 Prozent der Neubauten mit Wärmepumpen als alleiniges Heizsystem eingerichtet.

Die Wärmepumpe und ihre Anschaffungs- und Betriebskosten

Die Einrichtung und der Betrieb einer Wärmepumpe ist mit mehreren Kostenpositionen verbunden. Diese umfassen im Wesentlichen

  • Kosten für die Anschaffung und Einrichtung des Geräts
  • Kosten für die Gewinnung der thermischen Energie
  • Kosten für Inbetriebnahme und laufenden Betrieb

Anschaffungskosten der Wärmepumpe

Wärmepumpen bestehen meist aus den gleichen Bauteilen. Die Komponenten sind unabhängig von der genutzten Energiequelle. Preislich können Wärmepumpen jedoch große Schwankungen aufweisen, die unter anderem vom Hersteller, vom konkreten Modell oder vom Dienstleister abhängen. Auch in Abhängigkeit der Region zeigen sich preisliche Unterschiede. Nutzer können beim Einsatz zur Beheizung eines durchschnittlichen Einfamilienhauses mit Kosten zwischen 8.000 und 12.000 Euro rechnen.

Kosten der Energiegewinnung

Größere Kostenunterschiede zeigen sich bei der Wahl der Energienutzung. Die Gewinnung einiger Energieformen ist mit zusätzlichem technischem Aufwand verbunden. Nahezu ohne zusätzliche Technik arbeitet nur die Luft-Wasser-Wärmepumpe. Sole-Wasser-Wärmepumpen benötigen Tiefbohrungen oder Flachkollektoren, die zusätzliche Kosten verursachen.

Hierbei können Nutzer mit 60 bis 80 Euro pro Meter Tiefenbohrung rechnen. Flachkollektoren verursachen Kosten von etwa 10 bis 20 Euro pro Quadratmeter. Wasser-Wasser-Wärmepumpen bedürfen der beiden Brunnen, deren Einrichtung bei durchschnittlichen Einfamilienhäusern Kosten zwischen 5.000 und 6.000 Euro verursachen.

Betriebskosten der Wärmepumpe

Der laufende Betrieb einer Wärmepumpe verursacht Stromkosten, da die meisten dieser Pumpen elektrisch arbeiten. Die laufenden Betriebskosten hängen von mehreren Faktoren ab, wobei Lage und Art des Gebäudes sowie die gewählte Energiequelle einen besonders großen Einfluss haben.

Von Bedeutung ist der energetische Stand und mit ihm die Art der Wärmeübertragung in die Räume. Aus diesem Grund ist eine Kostenermittlung oder -schätzung nur für jedes einzelne Gebäude spezifisch möglich.

Finanzierung einer Wärmepumpe und Fördermöglichkeiten

Die oben angegebenen Kosten einer Wärmepumpe relativieren sich dank der staatlichen Förderungen dieser Form der Beheizung. Die Förderung dient unter anderem einer Reduktion der Umweltbelastung durch veraltete Heizungsanlagen. Der Großteil der in Deutschland verbreiteten Heizungssysteme ist bereits veraltet und weist eine geringe Energieeffizienz auf.

Mit der Förderung der Wärmepumpe möchte der Staat die Klimabelastung infolge der Nutzung fossiler Energiequellen wie Öl oder Gas verringern. Hierbei spielt das Marktanreizprogramm (MAP) des BMWi (Bundesministerium für Wirtschaft und Energie) eine tragende Rolle. Es bietet finanzielle Anreize zur Umrüstung des Heizungssystems.

finanzierung der heizung

Es richtet sich sowohl an private Haushalte als auch an Unternehmen oder Freiberufler. Finanzielle Investitionen in Heizsysteme, die mit erneuerbaren Energiequellen arbeiten, finden hierbei staatliche Zuschüsse.

Ein Teilbereich des Marktanreizprogramms ist der Zuschuss für die Wärmepumpe sowie die Förderung der Investition. Diese Förderung hat im Wesentlichen zwei Eckpfeiler. Der erste ist die Bezuschussung der Wärmepumpe durch das BAFA (Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle).

Der staatliche Zuschuss ist nicht mit einer Rückzahlung verbunden. Der zweite Eckpfeiler des Maßnahmenprogramms basiert auf zinsgünstigen Darlehen (inklusive Tilgungszuschüsse). Diese gewährt die staatliche KfW (Kreditanstalt für Wiederaufbau) unter bestimmten Voraussetzungen.

Grundsätzlich sind Wärmepumpen sämtlicher Leistungsklassen für die staatliche Förderung vorgesehen. Von wenigen Ausnahmen abgesehen umfasst die Förderung Anlagen mit einer Leistung von wenigen Kilowatt bis zu 100 KW.

Wärmepumpen im Altbau: die Frage der Nachrüstung

Im Allgemeinen kommt es häufiger in Neu- als in Altbauten zur Einrichtung einer Wärmepumpe. Dies hängt in erster Linie von den Energieeigenschaften der Bauten ab. Grundsätzlich ist der Einbau und Betrieb der Wärmepumpe im Altbau möglich. Von Vorteil ist eine vorherige Sanierung oder ein Einsatz der Wärmepumpe in Zusammenspiel mit einer bereits vorhandenen Heizung (Hybridheizung).

Da die Kosten unter anderem von den energetischen Eigenschaften abhängen, sollten Bauherren und Interessierte diese im Einzelfall abwägen. Die Wärmepumpe kann auch in Altbauten unter bestimmten Voraussetzungen wirtschaftlich arbeiten. Verfügt das Haus über eine Dämmung oder über großflächige Heizkörper, so ist der Betrieb günstiger.

Wirtschaftlich arbeiten Wärmepumpen insbesondere, wenn die Sonde im Erdreich oder Grundwasser liegt. Ein weiterer Faktor ist der Stromtarif. Preislich vorteilhaft ist es, wenn der Anbieter für den Nachtstrom feste Tarife anbietet.

Preisliche und ökologische Vorzüge

Bei Wärmepumpen handelt es sich um Heizsysteme, die inzwischen hinreichend erprobt sind und sich unter den richtigen Voraussetzungen bewähren. Unter der Nutzung thermischer Energie aus der Umwelt arbeiten sie regenerativ und machen damit unabhängig von fossilen Energieträgern.

Fossile Ressourcen werden damit geschont und der Betrieb ist ohne zusätzliche CO2-Emissionen möglich. Damit verbunden ist der preisliche Vorteil der Unabhängigkeit von den Preisschwankungen auf dem Markt fossiler Energieträger. Die Heizkosten fallen bei korrektem Betrieb geringer aus als bei herkömmlichen Heizsystemen. Eine einmal installierte Wärmepumpe punktet zudem durch einen wartungsarmen Betrieb. Die Finanzierung über staatliche Fördermittel stellt einen weiteren Vorteil dar.

Mögliche Risiken liegen hingegen in hohen Stromkosten, sofern die Planung nicht durchdacht ist. Weiterhin sind die relativ hohen Kosten in der Anschaffung zu berücksichtigen. Durch Einsparungen im laufenden Betrieb amortisieren sich diese Kosten jedoch im Zeitverlauf.

Energieeffizienz und Umwelteigenschaften

Die Effizienz einer Wärmepumpe beziehungsweise des entsprechenden Heizsystems lässt sich über die so genannte Jahresarbeitszahl (JAZ) ermitteln. Diese lässt sich mit dem Nutzungsgrad bei herkömmlichen Heizsystemen vergleichen. Gemessen wird sie als Relation der Heizwärme zum benötigten Energieaufwand.

Bereits ab einer JAZ von etwa 3 ist von einem optimalen Einsatz des erforderlichen Stroms zum Betrieb der Wärmepumpe die Rede (verglichen mit dem ursprünglichen Energieeinsatz und den CO2-Emissionen). Gleichermaßen zeigt sich bei Energieversorgern die Tendenz zu einem stärkeren Wirkungsgrad in den Kraftwerkstechnologien. Auch die Energiewende mit ihrer Abkehr von fossilen Energieträgern und dem verstärkten Einsatz regenerativer Energiequellen trägt zu einer verbesserten CO2-Bilanz und einer optimierten JAZ bei.

Weitere Informationen:
https://www.bafa.de/DE/Energie/Heizen_mit_Erneuerbaren_Energien/Waermepumpen/waermepumpen_node.html
https://www.umweltbundesamt.de/umwelttipps-fuer-den-alltag/heizen-bauen/waermepumpe

Credits:
iskrinka74/bigstock.com