© epr/Bundesverband Wärmepumpe

Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Wärmepumpen erzeugen kostengünstig und umweltschonend Energie bzw. Strom. Betriebsarten gibt es verschiedene, die Funktionsweise ist aber immer gleich. Hier ein Überblick über die Arten von Wärmepumpen, wie sie funktionieren, ihre Effizienz sowie ihre Vor- und Nachteile.

Das Heizen mit fossilen Brennstoffen soll schon bald der Vergangenheit angehören. Wärmepumpen sind eine umweltfreundliche Alternative, die dabei hilft, den CO2-Ausstoß gerade beim Betrieb einer Heizung zu reduzieren. Dank modernster Technologie ist es nämlich möglich, Energie aus der Luft, dem Erdreich und dem Grundwasser zu „sammeln". Um das bestmögliche Ergebnis zu erzielen, muss die Wärmepumpe allerdings genau auf die geforderte Heizleistung und Arbeitstemperatur sowie auf die Betriebsweise (monovalent oder bivalent) abgestimmt sein. Eine Energieberatungsstelle bzw. ein Wärmepumpeninstallateur sind hier die richtige Anlaufstelle für eine professionelle Beratung. Vorab haben wir hier die wichtigsten Infos, Vorteile und Nachteile und Fakten zur Funktion und Effizienz von Wärmepumpen für Sie zusammengefasst.

Wo ist eine Wärmepumpe sinnvoll und möglich?

Wärmepumpen sind seit vielen Jahren das beliebteste Heizsystem bei Neubauten im Ein- und Zweifamilienhausbereich - besonders Luftwärmepumpen sind aufgrund ihrer kostengünstigen Anschaffung und Montage die zahlenmäßig beliebteste Wärmepumpenart. Ob es sich lohnt, in einem Gebäude eine Wärmepumpe zu installieren, hängt von einigen Faktoren ab. Grundsätzlich ist es leichter, im Neubau eine Wärmepumpe zu installieren als im Bestand, allerdings bietet es sich auch hier an, vor allem dann, wenn es bereits ein Zentralheizungssystem gibt. Darüber hinaus eigenen sich Wärmepumpen vor allem für Gebäude, die gut gedämmt sind und (oder) ein Niedertemperaturheizsystem haben, das heißt im Idealfall über eine Fußboden- oder Wandheizung verfügen. Es gilt: Je niedriger die Vorlauftemperatur des Heizsystems ist, desto effizienter die Funktion der Wärmepumpe.

Kosten für eine Wärmepumpen-Heizung

Umweltfreundlich und zukunftsfähig schön und gut, aber wie sieht es mit den Kosten für eine Wärmepumpe aus? Sie sind vor allem von der eingesetzten Technik abhängig und variieren stark. Zu den günstigsten Varianten zählt die Luft-Wärmepumpe: ihre Anschaffungs- und Installationskosten belaufen sich im Durchschnitt auf etwa 12.000 bis 15.000 Euro. Erdwärmepumpen arbeiten effizienter, kosten aber auch aufgrund der notwendigen Boden- oder Bohrarbeiten mehr: zwischen 18.000 und 25.000 Euro. Besonders hohe Jahresarbeitszahlen weisen Wasser-Wasser-Wärmepumpen auf, sie sind jedoch auch am teuersten in Anschaffung und Installation – hier ist gegebenenfalls sogar mit etwa 30.000 Euro zu rechnen.

Und die Betriebskosten? Bei richtiger Planung und Auslegung liegen sie bei allen Wärmepumpen-Arten deutlich unter denen einer konventionellen Öl- oder Gasheizung! Ein Vergleich: Eine Gasheizung verursacht bei einem durchschnittlichen Einfamilienhaus (jährlicher Wärmeverbrauch 10.000 kWh, davon 60 Prozent Heizung und 40 Prozent Warmwasser, durchschnittlichen Strompreis 20 ct/kWh) Kosten von rund 1.700 - 2.300 Euro alleine für den Brennstoff. Die Stromkosten einer Luftwärmepumpe belaufen sich auf etwa 700 Euro jährlich, die einer Erdwärmeheizung 500 - 600 Euro. Eine Grundwasserwärmepumpe kann diese Preise sogar noch unterbieten.

Funktion von Luft-Wasser-Wärmepumpe & Co

Rund ums Haus bietet die Umwelt mit Außenluft, Erde und (Grund)Wasser so einige Wärmequellen, die für die Heizung verwendet werden können. Man muss sie nur nutzen. Eigentlich ist das Funktionsprinzip ganz einfach: Ein flüssiges Kältemittel zirkuliert und sammelt Wärme aus der Außenluft, dem Erdreich oder dem Wasser auf. In einem Verdampfer wird das flüssige Kältemittel zu Gas und im anschließenden Verdichter wird es komprimiert, wobei das Kältemittel an Temperatur zunimmt. Diese Hitze nützt das Heizsystem und gibt sie an das Heizwasser ab. Das Gas kühlt ab, verflüssigt sich wieder. Durch ein Ventil wird der Druck reduziert, das Kältemittel dehnt sich wieder aus und wird dabei eiskalt. Jetzt beginnt der Prozess mit Kältemittel, Wärme und Kälte wieder von vorne.

Betriebsarten & Heiztechnologie (Quelle

  • Monovalent: Die monovalente Wärmepumpe deckt den Wärmebedarf während des gesamten Jahres ohne Zusatzheizung. Selbst bei tiefen Außentemperaturen liefert die Wärmequelle allzeit ausreichend Energie.
  • Monoenergetisch: Die monoenergetische Betriebsweise entspricht vom Verhalten her der bivalenten Betriebsweise. Bei der monoenergetischen Betriebsweise ergänzt im Bedarfsfall – also an den sehr kalten Tagen – eine Elektroheizung die Wärmepumpe. Die Elektroheizung ist in der Regel ein Elektroheizstab im Pufferspeicher. Durch eine elektrische Steuerung wird vermieden, dass die Zusatzheizung nicht länger in Betrieb ist als notwendig. Es kann davon ausgegangen werden, dass nicht mehr als 5 % der jährlich benötigten Heizenergie mittels Heizstab erzeugt werden. 
  • Bivalent: Im bivalenten Betrieb sind zwei unterschiedliche Wärmeerzeuger vorhanden. Wenn die Wärmepumpe bei tiefen Außentemperaturen den Wärmebedarf nicht alleine decken kann, wird diese von einem weiteren Wärmeerzeuger unterstützt. Bei bivalent-parallelem Betrieb sind die Wärmepumpe und der weitere Wärmeerzeuger ab einer bestimmten definierten Außentemperatur gleichzeitig in Betrieb. Die bivalent-alternative Betriebsweise kommt zum Einsatz, wenn hohe Vorlauf- und Rücklauftemperaturen notwendig sind oder der Wärmestrom aus der Wärmequelle nur bis zu einem gewissen Grad ausreicht. Entweder heizt die Wärmepumpe oder der zweite Wärmeerzeuger.

Wie funktioniert eine Luft-Wasser-Wärmepumpe?

Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe enzieht der Umgebungsluft Energie in Form von Wärme und stellt sie mit Hilfe eines ausgeklügelten Kältemittel-Kreislaufs sowohl zum Heizen als auch für die Warmwasserbereitung zur Verfügung. Das Beste: Die Technologie bei der Luft-Wasser-Wärmepumpe funktioniert sogar bei Außentemperaturen von bis zu - 20 Grad. Bei Bedarf unterstützt der elektrische Heizstab die Wärmepumpe, damit auch höhere Vorlauf- und Warmwassertemperaturen möglich sind. Ein weiterer Vorteil: die Investitionskosten sind gering und die Montage einfach.

Wie funktioniert eine Sole-Wasser-Wärmepumpe?

Diese Wärmepumpen-Art nimmt die Wärme aus dem Erdboden. Damit diese Energie nutzbar wird, kann die Erdwärme auf zwei unterschiedliche Arten aufgenommen werden: Erdwärmesonden (Doppel-U-Rohr) werden in bis zu 100 Meter tiefe Erdbohrungen gesetzt. Mit der gewonnenen Wärme wird eine so genannte erdgekoppelte Wärmepumpe versorgt, welche die aus dem Sonden-Kreislauf vorgewärmte Sole auf das benötigte Temperaturniveau hebt. Erdwärmekollektoren hingegen liegen waagrecht im Erdreich. Das Rohrmaterial wird unterhalb der Frostgrenze (meist bei einer Tiefe von 1,3 bis 1,5 Meter) ähnlich einer Fußbodenheizung ausgelegt. Darin zirkuliert ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel, die so genannte Sole, das die eingesammelte Wärme zur Wärmepumpe transportiert. Erdwärmekollektoren sind im Vergleich zu Sonden kostengünstiger, die darüber liegende Freifläche kann jedoch nicht überbaut und auch nicht versiegelt (betoniert) werden.

Wie funktioniert eine Direktverdampfer-Wärmepumpe?

Ähnlich wie Sole-Wasser-Wärmepumpen mit Flachkollektoren funktionieren sogenannte Direktverdampfer-Wärmepumpen. Der einzige Unterschied: es gibt keinen Wärmeaustausch zwischen Solekreislauf und Kältemittel. Stattdessen zirkuliert das Arbeitsmedium selbst in den Kollektoren und wird in der Wärmepumpe "direkt" verdampft. Der Markt für diese Wärmepumpen ist relativ klein.

Wie funktioniert eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe?

Bei der Wasser-Wasser-Wärmepumpe macht man sich das Grundwasser zunutze. Um eine solche Pumpe installieren zu können, müssen allerdings einige Faktoren zusammenspielen. Da hierzulande die Grundwasser-Temperaturen im Jahresmittel bei ca. 9 bis 11 Grad liegen, können Grundwasser-Wärmepumpen mit Jahresarbeitzahlen bis über 5 arbeiten. Eisen- und manganhaltiges Wasser stellen allerdings erhöhte Ansprüche an den Wärmetauscher. Weiters ist der Wasserschutz zu berücksichtigen, denn bei manchen Sachverhalten können die Behörden den Bau einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe verhindern.

Wie funktioniert eine Warmwasser - Wärmepumpe?

Diese Wärmepumpe dient lediglich der Aufbereitung von Warmwasser, sie eignet sich nicht zum Heizen. Wenn man die Umgebungsluft als Wärmequelle verwendet, dient die Pumpe gleichzeitig zum Entfeuchten der Raumluft. Ist die Warmwasser-Wärmepumpe jedoch an ein Luftverteilsystem gekoppelt, so können Räume sogar kontrolliert be- und entlüftet werden. Eine aktive Zuluftleitung ist aber notwendig, da sonst Unterdruck entstehen kann.

Betriebsarten der Wärmepumpen - Heiztechnologie (Quelle) 
 
Monovalent. Die monovalente Wärmepumpe deckt den Wärmebedarf während des gesamten Jahres ohne Zusatzheizung. Selbst bei tiefen Außentemperaturen liefert die Wärmequelle allzeit ausreichend Energie. 
 
Monoenergetisch: Die monoenergetische Betriebsweise entspricht vom Verhalten her der bivalenten Betriebsweise. Bei der monoenergetischen Betriebsweise ergänzt im Bedarfsfall – also an den sehr kalten Tagen – eine Elektroheizung die Wärmepumpe. Die Elektroheizung ist in der Regel ein Elektroheizstab im Pufferspeicher. Durch eine elektrische Steuerung wird vermieden, dass die Zusatzheizung nicht länger in Betrieb ist als notwendig. Es kann davon ausgegangen werden, dass nicht mehr als 5 % der jährlich benötigten Heizenergie mittels Heizstab erzeugt werden. 
 
Bivalent: Im bivalenten Betrieb sind zwei unterschiedliche Wärmeerzeuger vorhanden. Wenn die Wärmepumpe bei tiefen Außentemperaturen den Wärmebedarf nicht alleine decken kann, wird diese von einem weiteren Wärmeerzeuger unterstützt. Bei bivalent-parallelem Betrieb sind die Wärmepumpe und der weitere Wärmeerzeuger ab einer bestimmten definierten Außentemperatur gleichzeitig in Betrieb. Die bivalent-alternative Betriebsweise kommt zum Einsatz, wenn hohe Vorlauf- und Rücklauftemperaturen notwendig sind oder der Wärmestrom aus der Wärmequelle nur bis zu einem gewissen Grad ausreicht. Entweder heizt die Wärmepumpe oder der zweite Wärmeerzeuger. 

Ohne Strom gehts nicht

Ganz ohne Strom aus der Steckdose kommt die Wärmepumpe, egal ob Luft-Wasser-Wärmepumpe, Sole-Wasser-Wärmepumpe, Wasser-Wasser-Wärmepumpe oder Direktverdampfer-Wärmepumpe, nicht aus. Gut dreiviertel der eingesetzten Energie zum Heizen holt sie sich zwar aus der Umgebungsluft bzw. aus dem Erdreich, den Rest aber aus dem Stromnetz. Wie viel Strom genau sie braucht, ist nicht festzuschreiben, da das vom Temperaturunterschied der Wärmequelle und des Heiz- bzw. Brauchwassers abhängt. Je kleiner die Differenz, desto effektiver die Pumpe.

Wärmepumpe mit PV-Anlage kombinieren

Es bietet sich an, eine Wärmepumpe mit Strom aus einer Photovoltaikanlage zu betreiben, denn die Wärmepumpe kann zum Zweck der Warmwasseraufbereitung großteils mit selbst erzeugtem Strom aus der eigenen PV-Anlage betrieben werden. Einen Minuspunkt gibts im Hinblick aufs Heizen: Meist kann die Wärmepumpe mit einer PV-Anlage nicht autark betrieben werden, da die Wärmepumpe zwar im Winter am meisten betrieben wird, die PV-Anlage jedoch im Sommer den meisten Strom liefert. Der jährliche Energieverbrauch der Wärmepumpe kann aber durchaus im Bereich der jährlichen Stromerzeugung durch die PV-Anlage liegen.

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Datum: 11.11.2021
Kompetenz: Heizung

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