Wärmepumpen - nachhaltig und äußerst effizient

Wärmepumpen sind eine der umweltfreundlichsten Lösungen, um Warmwasser aufzubereiten und zu heizen. Sie arbeiten trotz geringer laufender Kosten besonders effizient. Werden sie zudem mit Solarstrom aus der eigenen Photovoltaikanlage betrieben, so erweisen sie sich noch kostengünstiger. Dadurch sind Wärmepumpen eine zukunftsorientierte Alternative zu herkömmlichen fossilen Brennstoffen.

Während in neuen Gebäuden der Einsatz von Wärmepumpen bereits zum Standard gezählt wird, können in bestehenden Gebäuden alte Heizungen oder die Warmwasserbereitung jederzeit ersetzt werden. Wird ein Wechsel geplant, so sind einige Voraussetzungen zu erfüllen. Nur dann kann eine Wärmepumpe einwandfrei funktionieren. Die genaue Planung der individuellen Gegebenheiten entscheidet zudem auch über die benötigte Art der Wärmepumpe.

Wärmepumpen ziehen aus dem Wasser, dem Boden oder der Luft Wärme und befördern diese zu einem Verdichter. Dieser wiederum entnimmt die Wärme und transportiert das Kältemittel wieder zurück, um neue Wärme aufnehmen zu können. Die gewonnene Wärme steht danach zur Verfügung und kann zur Aufbereitung von Warmwasser oder zum Heizen genutzt werden. So die Kurzversion einer Wärmepumpe. Der detaillierte Ablauf im folgenden.

Wasser-Wasser-Wärmepumpen und Erdwärmepumpen bestehen aus drei Kreisläufen, die unabhängig arbeiten und über den Wärmetauscher miteinander verbunden sind. Ein Kreislauf ist hier für die Wärmegewinnung zuständig, der zweite Kreislauf enthält das Kältemittel und der dritte Kreislauf ist dafür zuständig, die Wärme an das Gebäude abzugeben.

Die Luftwärmepumpe ist die Ausnahme von diesem Prinzip. Sie saugt die Außenluft an und dadurch wird das Kältemittel erhitzt. Danach steht die Wärme zur Verwendung bereit.

Um eine Beschreibung der Funktionsweise der Wärmepumpe abzugeben, kann das Beispiel der umgekehrten Funktionsweise eines Kühlschrankes verwendet werden. Dieses Beispiel wirkt zu Beginn zwar etwas seltsam, doch es ist richtig.

Der einzige Unterschied zwischen der Funktionsweise der Wärmepumpe und des Kühlschranks ist der Faktor Wärme. Während die Wärmepumpe die Wärme von außen in den Innenbereich mittels Kältemittel transportiert, ist der Ablauf im Kühlschrank genau umgekehrt. Der Kühlschrank leitet Wärme mittels des Kältemittelkreislaufs von innen nach außen.

Jede Wärmepumpe besteht aus mehreren Bestandteilen, um die gewünschte Wärmeleistung erbringen zu können. So beispielsweise der Kältemittelkreislauf oder der Wärmetauscher.

Ein Kältemittel ist eine besondere Flüssigkeit, welche die benötigten physikalischen Eigenschaften zur gewünschten Funktionsweise aufweist. Es besitzt eine hohe Wärmeleitfähigkeit und einen besonders niedrigen Siedepunkt. Zu den synthetischen Kältemitteln zählt halogenierter Kohlenwasserstoff. Zu den natürlichen Kältemitteln zählen Ammoniak, Butan oder Kohlenstoffdioxid.

Der Wärmetauscher ist ein technische Einrichtung, die Wärme von einem Medium auf ein anderes Medium weitergeben kann. Hierbei fließt die Wärme von einer hohen Temperatur zur niedrigen Temperatur.

Der Verdichter erhöht mittels Kompression den Druck auf das gasförmige Kältemittel. Durch diesen Druck wird das Gas zusätzlich erhitzt. Diese Kompression ist der entscheidende Faktor der Wärmepumpenfunktion.

Der Verflüssiger ist dafür zuständig, das erhitzte gasförmige Kältemittel abzukühlen. Bei diesem Vorgang wird die erhaltene Wärme von dem Kältemittel übernommen und dieses abgekühlt. Dadurch kondensiert das Kältemittel und wird wieder flüssig. Die entzogene Wärme wird an das Heizmedium weitergeleitet und das flüssige Kältemittel kann wieder Wärme aufnehmen.

In der Regel handelt es sich bei dem Heizmedium um Wasser. Dieses Wasser zirkuliert durch die Heizungsrohre in die Ränder des Gebäudes. Oder aber es steht als Warmwasser zur Verfügung. Damit die erzeugte Wärme effektiv genutzt werden kann, wird das Wasser in einem Pufferspeicher gespeichert.

Hier kann zwischen einem Trinkwasserspeicher, einem Heizungspufferspeicher oder einer Kombination der beiden gewählt werden. Diese Pufferspeicher weisen eine besonders gute Dämmung auf und stellen die gespeicherte Wärme für den Verbraucher zur Verfügung, wenn sie benötigt wird.

Durch mechanische Arbeit entzieht eine Wärmepumpe der Umwelt Wärme. Für diese Tätigkeit, das Umpumpen des Kältemittels und anschließende Verdichten, benötigt eine Wärmepumpe Strom.

Eine Wärmepumpe gewinnt Wärmeenergie durch den Transport der Wärme und nicht durch Umwandlung der Wärmeenergie, wie es zum Beispiel eine Elektroheizung tut. Eine Elektroheizung kann nur so viel Wärme erzeugen, wie ihr Strom zur Verfügung steht. Ihr Wirkungsgrad liegt daher immer unter 100 Prozent.

Bei einer Wärmepumpe hingegen ist die Wärmeenergie, die genutzt werden kann, zwischen drei- bis fünfmal höher als die benötigte elektrische Energie. Dadurch erreichen Wärmepumpen einen Wirkungsgrad von 300 bis 500 Prozent. Aus diesem Grund sind sie besonders effizient zu bezeichnen.

Die Wärmepumpe Leistungszahl, auch COP-Zahl oder Coefficient of Performance, stellt das Verhältnis zwischen der angegebenen Wärmeleistung und der benötigten Antriebsleistung zu einem festgelegten Zeitpunkt dar. Der erhaltene Wert ist der momentane Wirkungsgrad. Diese Kennzahl ist jedoch in der praktischen Anwendung nicht sehr relevant, da eine COP-Zahl von mehreren Faktoren beeinflusst wird.

Die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe steht für die Summe der durchschnittlichen COP-Leistungszahlen, die während des ganzjährigen Betriebs der Wärmepumpe entstehen. Durch diese Kennzahl ist es einfacher, die Effizienz der Wärmepumpe unter unterschiedlichen Bedingungen einzuschätzen. Das gilt ebenfalls für den Betrieb im Winter.

Der Primärenergiefaktor stellt die Kenngröße der ökologischen Wärmepumpen-Effizienz dar. Er zeigt das Verhältnis zwischen der nutzbaren Wärmeenergie und der Primärenergie auf.

Wärmepumpen werden nach ihrer Quell- und Senkenseite unterschieden. Das bedeutet, welche Medien auf der Senken- und Quell-Seite eingesetzt werden. Dadurch wird unterschieden in:

Die Luft-Luft-Wärmepumpe nutzt die Außenluft, die aus der Umgebung angesaugt wird, um zu wärmen oder zu kühlen. Sie wird in der Regel bei großen Gebäuden eingesetzt.

Die für Luft-Luft-Wärmepumpen typischen Jahresarbeitszahlen liegen im Bereich zwischen 3 und 5. Sie sind sehr weit verbreitet und besitzen derzeit einen Marktanteil von rund 80 Prozent. Der Wert dieser Wärmepumpen ist zwar geringer aus, zum Beispiel der Wert bei einer Sole-Wasser-Wärmepumpe (diese liegt bei rund 20 Prozent), aber um einiges günstiger. Auch die Installation ist um ein Vielfaches einfacher.

Die genutzte Wärmequelle der Wärmepumpe ist Grundwasser, Ab- oder Oberflächenwasser. Meistens jedoch ist Grundwasser die Quelle, aus welcher diese Pumpe ihre thermische Energie bezieht.

Auch diese Wärmepumpe gehört zur Quellseite und bezieht die Wärme mittels Erdwärmekollektoren oder Erdwärmesonden. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die benötigte Wärme durch Massivabsorber oder Sonnenkollektoren zu beziehen. Der Wärmeträger besteht aus einer Mischung von Frostschutzmittel und Wasser, der sogenannten Sole.

Die Senken-Seite gibt an, wofür die Wärme genutzt wird. Hier kann von einer Warmwasser-Wärmepumpe oder von einer Brauchwasser-Wärmepumpe gesprochen werden. Oder aber von einer Heizungswärmepumpe, die in der Regel auch die Aufbereitung des Warmwassers übernimmt.

Es ist nicht nur praktisch, sondern auch sinnvoll, beide Systeme, das Heizen und die Warmwasseraufbereitung, zu kombinieren. So kann der Eigenbedarf, der durch eine Photovoltaikanlage zum Beispiel gedeckt wird, optimal gestaltet werden. Zudem wird Warmwasser das ganze Jahr über benötigt. Auch für Pools werden Wärmepumpen immer häufiger genutzt.

Aufgrund der Bauweise werden Wärmepumpen in Split- und Monoblock-Wärmepumpen unterschieden. In einer Monoblock-Wärmepumpe sind alle Komponenten in einer Einheit untergebracht. Dadurch kann die Wärmepumpe innerhalb des Gebäudes oder außerhalb installiert werden. Wird sie im Außenbereich installiert, werden gut isolierte Rohrleitungen für den Transport der Wärme benötigt.

Split-Wärmepumpen hingegen bestehen aus zwei Einheiten. Einer Einheit für den Innenbereich und eine Einheit für außen.

In der Einheit für den Innenbereich befinden sich in der Regel alle hydraulischen Komponenten wie:

Die äußere Einheit hingegen enthält den:

Zwischen den beiden Einheiten befinden sich die Rohrleitungen für das Kältemittel. Eine Split-Wärmepumpe sollte immer von einem fachkundigen Installateur eingebaut werden.

Inverter-Wärmepumpen gelten als besonders effizient. Durch ihre spezielle Form besteht die Möglichkeit, die Leistung des Kompressors und die benötigte Drehzahl selbst zu steuern. Diese Möglichkeit wird durch einen eingebauten Inverter (Wechselrichter) ermöglicht, der Wechselstrom in Gleichstrom und wieder zurück in Wechselstrom variabler Frequenz umwandelt.

Die Vorteile der Inverter-Wärmepumpen sind ein geringer Verschleiß, hohe Effizienz und sehr leise Arbeitsweise. Es bestehen aber auch zwei Nachteile. Es entstehen höhere Kosten bei der Anschaffung und sie benötigen mehr Strom als Standard-Wärmepumpen.

Die einfachste Weise, den Strombedarf zu berechnen, ist es, die bisher benötigte Wärmemenge zum Beispiel von einer Gasheizung hinzuzuziehen. Oder aber durch den Wert, der auf der jährlichen Abrechnung der Heizkosten aufscheint. Eine weitere Möglichkeit ist die Ermittlung des Heizwerts und des Verbrauchs, um den Strombedarf berechnen zu können.

Die Höhe des Strombedarfs einer Wärmepumpe ist von einigen Faktoren abhängig:

Ein enormer Vorteil der Wärmepumpe besteht darin, dass sie keinen Schornstein benötigt. Dadurch kann der Ort der Aufstellung sehr flexibel gewählt werden. In der Regel werden ein Wirtschaftsraum, der Heizungskeller oder aber das Außengelände gewählt.

Der Untergrund sollte in jedem Fall stabil sein, da die Wärmepumpe, während sie arbeitet, Vibrationen erzeugt. Es ist empfehlenswert, die Wärmepumpe auf einen Sockel oder ein Betonfundament zu stellen. Um einem langen Transportweg und dadurch einer Abkühlung des Heizmediums entgegenzuwirken, ist die Aufstellung an einer Hauswand empfehlenswert.

Wird bei einer Luftwärmepumpe, die die Außenluft ansaugt, muss eine Öffnung in das Gebäude diese Öffnung unbedingt frei gehalten werden. Dadurch wird die Zufuhr der Luft nicht gestört. Empfehlenswert ist zudem, dass eine Ausrichtung nach Osten oder Süden gewählt wird. Die Ausrichtung nach Norden oder Westen bedeutet, dass die Luft kälter ist.

Durch die windgeschützte Aufstellung der Wärmepumpe wird ein thermischer Kurzschluss vermieden. Thermischer Kurzschluss bedeutet, dass die Wärmepumpe die abgekühlte Luft sofort wieder einsaugt. Dadurch würde die Effizienz negativ beeinflusst und die COP-Zahl gesenkt werden.

Um eine Monoblock-Wärmepumpe im Innenbereich zu installieren, sollte immer genügend Platz vorhanden sein. Zwei Mal zwei Meter sind in der Regel ausreichend. Es gilt jedoch darauf zu achten, dass ausreichend Platz für die Kanäle der Abfuhr und Ansaugung der Außenluft zur Verfügung steht. Auch hier gilt es den thermischen Kurzschluss zu beachten.

Bei einer Split-Wärmepumpe ist es wichtig, den geeigneten Ausstellungsort im Innen- und Außenbereich festzulegen. Hier gilt es darauf zu achten, dass beide Geräte nicht zu weit entfernt voneinander installiert werden.

Außerdem ist bei der Außeneinheit darauf zu achten, dass diese auf einem stabilen Untergrund und windgeschützt installiert wird. Die Inneneinheit ist im Normalfall kompakt und einfach im Innenbereich zu installieren. Die Verbindungsleitungen sollten gut gedämmt und die Wandbohrungen entsprechend abgedichtet werden.

Beim Betrieb kann durch den Verdampfer Kondenswasser entstehen, welches abgeleitet werden muss, hierfür eignet sich der Abwasserkanal. Dieses Kondenswasser kann jedoch auch gesammelt und regelmäßig entfernt werden. Befindet sich durchlässiger Boden in der Umgebung, kann es auch direkt in den Boden geleitet werden.

Befindet sich eine Wärmepumpe im Außenbereich, so kann eine passende Verkleidung für mehr Schutz sorgen. Eine Verkleidung schützt die Wärmepumpe vor Regen, Schnee, höherer UV-Strahlung oder eventuell herabfallenden Gegenständen. Zudem wirkt eine Verkleidung sehr ästhetisch.

Die Verkleidung der Wärmepumpe kann selbst gebaut werden, erhöht die Lebensdauer und reduziert Wartungskosten. Es gilt jedoch darauf zu achten, dass die Verkleidung für die Wärmepumpe bei ihrer Arbeit nicht behindert.

Wie bereits zu erkennen ist, bietet eine Wärmepumpe sehr viele Vorteile. Es gibt jedoch auch einige Nachteile, die ebenfalls genannt werden sollten. Der größte Nachteil ist hier der hohe Anschaffungspreis, der jedoch mittels Förderungen und Finanzierungen etwas gesenkt werden kann.

Weitere Nachteile entstehen bei den flexiblen günstigen Luftwärmepumpen. Sie eignen sich nur bedingt für ältere Gebäude mit schlechter Dämmung und sind im Betrieb nicht als geräuscharm zu bezeichnen. Die Geräuschemission kann durch eine Schallschutzhaube und den geeigneten Standort jedoch reduziert werden.

Des Weiteren sind Wärmepumpen, die nicht mittels Ökostrom betrieben werden, nicht unbedingt klimafreundlich. Idealerweise werden Wärmepumpen mit erneuerbaren Energien zum Beispiel durch eine PV-Anlage mit Strom versorgt. Nur so können Energiekosten erheblich gesenkt werden.

Wie bereits erwähnt wurde, sind die Kosten einer Wärmepumpe höher und von einigen Faktoren abhängig. Dies betrifft die Anschaffung, Installation und auch den Betrieb der Wärmepumpe.

Die Investitionskosten sind abhängig von:

Die typischen Kosten bei der Anschaffung einer Wärmepumpe liegen bei circa 15.000,- € bis zu 40.000,- € inklusive der Erschließung und Installation. (Quelle: ADAC) Die staatlichen Förderungen tragen bis zu 70 Prozent der gesamten Kosten.

Die Betriebskosten der Wärmepumpe werden ebenfalls durch einige Faktoren bestimmt.

Zum Beispiel: