Wärmepumpen gelten als Meilenstein moderner Heiztechnologie. Sie vereint Effizienz und Umweltfreundlichkeit und ersetzt Heizsysteme, die mit fossilen Brennstoffen angetrieben werden.
Doch wie genau funktioniert eine Wärmepumpe? Welche Arten gibt es, und was sollten Sie bei der Planung und Nutzung beachten? In diesem Artikel geben wir Ihnen eine umfassende und detaillierte Übersicht.
Was ist eine Wärmepumpe?
Eine Wärmepumpe nutzt Umweltwärme aus Erdreich, Luft oder Grundwasser, um Räume zu heizen und Warmwasser bereitzustellen. Das Prinzip der Wärmepumpe ist mit dem eines Kühlschranks vergleichbar, allerdings umgekehrt: Wärme wird aufgenommen, verdichtet und an das Heizsystem abgegeben.
Wärmepumpen sind hocheffizient, klimafreundlich und können bei Ökostromnutzung sogar vollständig CO₂-neutral betrieben werden. Bis zu 75 % der Energie stammen direkt aus der Umwelt. Mit einer Einheit Strom kann sie je nach Effizienz 3 bis 5 Einheiten Wärme erzeugen. Voraussetzung für maximale Effizienz sind eine gute Gebäudedämmung und ein Niedertemperatur-Heizsystem wie eine Fußbodenheizung.
Funktionsweise einer Wärmepumpe
Die Wärmepumpe arbeitet in einem geschlossenen Kreislauf, um Umweltwärme für die Heizung nutzbar zu machen. Der Prozess läuft in vier Schritten ab:
1. Verdampfen: Umweltwärme aus Luft, Erde oder Wasser wird auf ein Kältemittel übertragen. Dieses hat einen sehr niedrigen Siedepunkt, erwärmt sich dadurch und verdampft zu Gas.
2. Verdichten: Ein Kompressor saugt das gasförmige Kältemittel an und verdichtet es unter hohem Druck. Dadurch steigt die Temperatur auf 35–70 °C.
3. Verflüssigen: Im Wärmetauscher gibt das heiße Gas seine Wärme an das Heizsystem ab, z. B. an das Wasser für die Heizung. Dabei kühlt das Kältemittel ab und wird wieder flüssig.
4. Entspannen: Ein Ventil senkt den Druck des flüssigen Kältemittels, wodurch es stark abkühlt und erneut Wärme aufnehmen kann.
Dieser Kreislauf wiederholt sich ständig und ermöglicht es der Wärmepumpe, Umgebungswärme effizient auf ein höheres Temperaturniveau zu bringen, um sie für die Heizung zu nutzen.
Heizungsanlage mit Wärmepumpe: Die 3 grundlegenden Komponenten
Wärmequellen
Eine Wärmepumpe nutzt natürliche Energiequellen, um Wärme zu erzeugen. Je nach Typ der Wärmepumpe kann diese Energie aus foolgenden Quellen stammen:
- Luft (Luft-Wasser-Wärmepumpe): Nutzt die Umgebungsluft als Energiequelle
- Luft & Sonne (PVT Wärmepumpe): Mithilfe von PVT-Modulen wird Energie aus Umgebungsluft und Sonnenstrahlung gewonnen
- Erdwärme (Sole-Wasser-Wärmepumpe): Bezieht Energie aus dem Boden mithilfe von Erdkollektoren oder Erdsonden.
- Grundwasser (Wasser-Wasser-Wärmepumpe): Gewinnt Wärme aus dem Grundwasser über spezielle Brunnen.
Das Besondere: Selbst bei niedrigen Außentemperaturen liefern diese Quellen ausreichend Energie, um den Heizprozess anzutreiben. Das macht Wärmepumpen auch im Winter effizient.
Wärmepumpen
Die Wärmepumpe selbst ist das zentrale Element der Heizungsanlage. Sie basiert auf einem geschlossenen Kreislauf, in dem ein Kältemittel zirkuliert. Dieser Kreislauf besteht aus vier Hauptkomponenten:
- Verdampfer: Nimmt die Wärme aus der Umwelt auf und bringt das Kältemittel zum Verdampfen.
- Verdichter (Kompressor): Verdichtet das gasförmige Kältemittel, wodurch dessen Temperatur stark ansteigt (auf 30–55 °C).
- Verflüssiger (Kondensator): Gibt die erzeugte Wärme an das Heizsystem ab, während das Kältemittel wieder flüssig wird.
- Expansionsventil: Senkt den Druck des Kältemittels, damit der Kreislauf von vorne beginnen kann.
Dieser Prozess ermöglicht es der Wärmepumpe, Umgebungsenergie auf ein höheres Temperaturniveau zu „pumpen“, das für die Beheizung von Wohnräumen und die Warmwasserbereitung ausreicht.
Wärmeverteilsysteme
Die erzeugte Wärme wird über das Wärmeverteilsystem im Gebäude verteilt. Dieses System besteht aus:
- Pumpen, die das erwärmte Wasser im Heizkreislauf zirkulieren lassen.
- Armaturen und Rohrleitungen, die die Wärme in die Räume transportieren.
- Heizkörpern oder Fußbodenheizungen, die die Wärme an die Raumluft abgeben.
Besonders effizient sind Systeme mit Fußbodenheizungen oder anderen Niedertemperatur-Heizsystemen, da diese optimal mit der von der Wärmepumpe bereitgestellten Temperatur arbeiten.
Die verschiedenen Arten von Wärmepumpen
1. Luft-Wasser-Wärmepumpe
Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe ist eine innovative Heiztechnologie, die die Umgebungsluft als Energiequelle nutzt, um Gebäude zu beheizen und Warmwasser bereitzustellen. Ähnlich wie ein umgekehrter Kühlschrank entzieht sie der Luft Wärme und wandelt diese in Heizenergie um.
Vorteile:
- Einfache Installation: Da die Wärmequelle (Luft) direkt verfügbar ist, ist die Installation schnell und unkompliziert
- Vielseitigkeit: Grundsätzlich eignen sich Wärmepumpen sowohl für Neubauten als auch für die meisten Altbauten
- Keine behördliche Genehmigung: In der Regel ist keine spezielle Genehmigung notwendig, was die Planungszeit verkürzt
Nachteile:
- Geringere Effizienz: Im Vergleich zu den anderen Wärmepumpen arbeitet eine Luft-Wasser-Wärmepumpe häufiger weniger effizient
- Lärmemissionen: Die Außeneinheit verursacht Geräusche, die je nach Standort störend wirken können
- Platzbedarf im Außenbereich: Für die Außeneinheit wird ein geeigneter Platz benötigt, der das Erscheinungsbild im Garten oder Vorgarten verändert
2. PVT-Wärmepumpe (Luft und Sonne)
Eine PVT-Wärmepumpe in Kombination mit PVT-Modulen auf dem Dach erzeugt Strom, Wärme und Warmwasser in einem System. Genutzt wird dafür die Energie aus Umgebungsluft und Sonne.
Vorteile:
- Hohe Effizienz: Die Kombination von Strom- und Wärmeerzeugung erhöht den Gesamtwirkungsgrad des Systems und geringere Betriebskosten als bei anderen Heizsystemen
- Platzsparend und leise: Es wird nur eine Dachfläche für die Strom- und Wärmevorsorgung benötigt und das komplett ohne bewegliche Teile und damit geräuschlos
- Ganzjährige Nutzung – Tag und Nacht: Das PVT-System gewinnt die Wärme zum Großteil aus der Umgebungsluft – damit funktioniert es zu jeder Jahreszeit. Tag und Nacht
Nachteile:
- Begrenzte Fachkenntnisse: Es gibt relativ wenige Fachbetriebe, die sich mit dieser Technologie auskennen, was die Auswahl an qualifizierten Installateuren einschränken kann
- Wenig Erfahrungswerte: Da es sich um eine relativ neue Technologie handelt, gibt es weniger Langzeiterfahrungen im Vergleich zu etablierten Systemen.
- Ungeeignet für kalte Hochlagen: Für die Außeneinheit wird ein geeigneter Platz benötigt, der das Erscheinungsbild im Garten oder Vorgarten verändert
2. Sole-Wasser-Wärmepumpe (Erdwärme)
Vorteile:
- Hohe Effizienz: Erdwärmepumpen erreichen einen COP von über 4 – das bedeutet, dass mit 1 kWh Strom mehr als 4 kWh Wärme erzeugt werden.
- Betriebssicherheit: Der geschlossene Solekreislauf im Erdreich verhindert z.B. Vereisung.
- Ganzjährige Nutzung: Unabhängig von Wetter und Jahreszeit ist Erdwärme zuverlässig nutzbar.
Nachteile:
- Hohe Kosten: Die Investitions- und Installationskosten sind deutlich höher als bei anderen Wärmepumpen.
- Aufwändige Installation: Die Tiefenbohrung ins Erdreich erfordert umfangreiche Erdarbeiten.
- Genehmigungspflicht: Die Nutzung von Erdwärme erfordert behördliche Genehmigungen, die oft an strengen Auflagen scheitern.
3. Wasser-Wasser-Wärmepumpe
Eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe nutzt die konstante Temperatur des Grundwassers, das über einen Saugbrunnen entnommen und nach der Wärmegewinnung in einen Sickerbrunnen zurückgeleitet wird.
Vorteile:
- Höchste Effizienz: Die Wasser-Wasser-Wärmepumpe gilt als die effizienteste Wärmepumpenart, da sie die konstante Temperatur des Grundwassers direkt nutzt.
- Niedrige Betriebskosten: Die hohe Effizienz der Wasser-Wasser-Wärmepumpe senkt den Energieverbrauch und führt zusammen mit geringen Wartungskosten zu Einsparungen.
- Zuverlässige Leistung: Die stabile Grundwassertemperatur sorgt für gleichmäßige Wärmeversorgung und ermöglicht effiziente Kühlung im Sommer.
Nachteile:
- Standort- und Wasserabhängigkeit: Die Funktionalität und Effizienz hängen stark von der Verfügbarkeit, Qualität und chemischen Beschaffenheit des Grundwassers sowie von behördlichen Genehmigungen ab.
- Hohe Installationskosten: Der Betrieb erfordert zwei aufwendige Brunnenbohrungen, ein hydrologisches Gutachten und präzise technische Umsetzung, was den Aufwand und die Kosten erhöht.
- Ökologische Einschränkung: In einigen Gebieten ist die Nutzung aus Umweltschutzgründen verboten und sinkende Grundwasserspiegel können die Effizienz verringern.
So funktioniert die PVT-Wärmepumpe
Kann eine Wärmepumpe auch kühlen?
Ja, Wärmepumpen mit einer sogenannten reversiblen Funktion können sowohl heizen als auch kühlen. Dadurch wird oft keine zusätzliche Klimaanlage im Haus benötigt.
Das Kühlen mit einer Wärmepumpe funktioniert ähnlich wie das Heizen – nur umgekehrt. Statt Wärme ins Haus zu bringen, wird sie nach draußen abgeführt, wodurch das Heizsystem abkühlt. Allerdings ist die Kühlleistung einer Wärmepumpe nicht so stark wie die einer klassischen Klimaanlage.
Damit das Kühlen optimal funktioniert, sollte das Heizsystem zur Wärmepumpe passen. Besonders gut eignen sich Fußbodenheizungen, da sie große Flächen gleichmäßig abkühlen können. Aber auch spezielle, großflächige Heizkörper, die mit niedrigen Temperaturen arbeiten, können unter bestimmten Bedingungen verwendet werden. Bei vielen Wärmepumpen lässt sich die Kühlfunktion außerdem nachträglich einbauen.
Die Geschichte der Wärmepumpe
Die Anfänge der Wärmepumpentechnologie reichen bis ins 19. Jahrhundert zurück. 1824 legte der französische Physiker Nicolas Carnot die ersten theoretischen Grundlagen des Wärmepumpenprinzips. Rund 100 Jahre später, in den 1930er-Jahren, wurden in Zürich die ersten größeren Wärmepumpenanlagen gebaut und zur Beheizung von Gebäuden eingesetzt. Einen weiteren Meilenstein setzte Klemens Oskar Waterkotte im Jahr 1969, als er die erste Erdwärmepumpe in Deutschland in Betrieb nahm. Seitdem hat sich die Wärmepumpe zu einer zuverlässigen und umweltfreundlichen Alternative für die Raumheizung und Warmwasserbereitung entwickelt. Durch jahrzehntelange Erfahrung und kontinuierliche Innovationen wird die Wärmepumpentechnologie stetig verbessert, sodass sie heute eine der modernsten und nachhaltigsten Heizlösungen darstellt.
Stromverbrauch einer Wärmepumpe
Der tatsächliche Verbrauch hängt von Faktoren wie dem Wärmepumpentyp (Luft, Erde, Wasser), der Dämmung des Gebäudes, der Außentemperatur und der Effizienz der Anlage ab. Letztere wird durch die Jahresarbeitszahl (JAZ) gemessen: Eine JAZ von 4 bedeutet beispielsweise, dass aus 1 kWh Strom 4 kWh Wärme gewonnen werden. Wärmepumpen sind damit oft effizienter als andere Heizsysteme und können durch Maßnahmen wie bessere Dämmung oder die Nutzung von Photovoltaik noch wirtschaftlicher betrieben werden.
Wie berechnet man den Stromverbrauch?
Mit einer einfachen Formel lässt sich der Verbrauch abschätzen:
Heizleistung ÷ JAZ x Heizstunden = Stromverbrauch pro Jahr
Ein Beispiel: Wenn Ihre Wärmepumpe eine Heizleistung von 12.000 kWh hat und eine JAZ von 4 erreicht, ergibt sich:
12.000 ÷ 4 = 3.000 kWh pro Jahr.
Wärmepumpe vs. fossile Heizsysteme
Wärmepumpen sind besonders effizient. Ihr Wirkungsgrad liegt je nach Modell zwischen 3 und 5, also dreifach bis fünfmal so hoch wie bei fossilen Heizsystemen wie z.B. einer Gasheizung. Das macht sie nicht nur umweltfreundlicher, sondern oft auch günstiger im Betrieb.
3 Tipps, um den Stromverbrauch zu optimieren
Sie können den Stromverbrauch Ihrer Wärmepumpe senken, indem Sie:
- Die Vorlauftemperatur optimieren (je niedriger, desto besser).
- Eine Photovoltaikanlage nutzen, um Strom selbst zu erzeugen.
- Ihr Haus besser dämmen, um Wärmeverluste zu minimieren.
Vorteile und Nachteile der Wärmepumpenheizung
Wärmepumpen bieten zahlreiche Vorteile als Heizlösung, haben aber auch einige Grenzen und Herausforderungen. Hier ein Überblick über die wichtigsten Aspekte:
Vorteile der Wärmepumpe
- Hohe Effizienz: Wärmepumpen erzeugen aus einer Kilowattstunde Strom dreieinhalb bis vier Kilowattstunden Wärme
- Wirtschaftlichkeit: Die Betriebskosten liegen etwa ein Viertel unter denen einer Gas- oder Biomasseheizung
- Umweltfreundlichkeit: Sie nutzen erneuerbare Energiequellen wie Luft, Erdwärme oder Grundwasser
- Versorgungssicherheit: Wärmepumpen machen unabhängiger von steigenden Rohstoffpreisen und politischen Entwicklungen
- Langlebigkeit: Wärmepumpe sind darauf ausgelegt, über 20 Jahre effizient heizen und benötigen wenig Wartung
Herausforderungen und Nachteile der Wärmepumpe
- Einsatzgrenzen: Moderne Wärmepumpen sind typischerweise für einen Betrieb von +30 °C bis -20 °C ausgelegt
- Höhere Einstiegskosten: Die Initialinvestition ist oft höher als bei fossilen Heizsystemen, die sich dann im Laufe der Jahre durch geringere Betriebskosten zurückzahlt
- Platzbedarf: Je nach Typ der Wärmepumpe braucht es Platz auf dem Grundstück für eine Außeneinheit oder Tiefenbohrung
- Fachkräftemangel: In Deutschland fehlen tausende Heizungsinstallateure für Wärmepumpen, was zu längeren Wartezeiten führen kann
- Lärmbelastung für Nachbarn: Bei Aufstellung einer Außeneinheit können sich Nachbarn durch die Geräusche der Wärmepumpe gestört fühlen
Fazit
Wärmepumpen sind ein nachhaltiger Schritt in die Zukunft der Heiztechnik. Sie verbinden Energieeffizienz mit Umweltfreundlichkeit und bieten eine flexible Lösung für modernes Wohnen. Ob für Neubauten oder bestehende Gebäude – die richtige Wärmepumpe kann Ihre Heizkosten senken, den CO₂-Ausstoß verringern und den Komfort steigern.
Durch die Vielfalt der verfügbaren Systeme – allen voran die PVT Wärmepumpe – gibt es für nahezu jede Wohnsituation eine passende Lösung. Mit einer guten Planung, der Berücksichtigung der Voraussetzungen und der Heizungsförderung wird die Wärmepumpe nicht nur eine umweltbewusste, sondern auch eine wirtschaftliche Entscheidung.
Lassen Sie sich jetzt beraten, ob das PVT-System mit Wärmepumpe die passende Strom- und Heizlösung für Ihr Zuhause ist.
