Wie funktioniert eine Wärmepumpe und wie wählt man die richtige aus?

1. Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Eine Wärmepumpe ist eine Heizung, die Umweltenergie nutzt, um Gebäude zu erwärmen, jedoch ohne Verbrennung wie bei Öl-, Holz- oder Gasheizungen. Stattdessen basiert sie auf einem Dampfprozess, ähnlich dem in einem Kühlschrank. Dabei wird thermische Energie von niedrigen zu höheren Temperaturen übertragen. Während ein Kühlschrank so das Innere kühlt, ermöglicht die Wärmepumpe, Umweltwärme für das Heizsystem zu nutzen.In einem Wärmepumpensystem wird thermische Energie aus Luft, Erde oder Wasser über einen Verdampfer auf ein Kältemittel übertragen. Das Kältemittel, typischerweise ein Gas, verdampft bei niedrigem Druck und niedrigen Temperaturen, wenn es Wärme aus der Umgebung aufnimmt. Ein Verdichter erhöht dann den Druck des dampfförmigen Kältemittels, bis seine Temperatur über der des Heizsystems liegt. So kann die Wärme über einen Verflüssiger an das Heizmedium, meist Wasser oder Luft, weitergeleitet werden. Das Kältemittel kühlt dabei ab, kondensiert und kehrt durch ein Entspannungsventil zum Verdampfer zurück, um den Prozess zu wiederholen.

Die Wärme zum Heizen kann aus verschiedenen Quellen wie Grundwasser, dem Gartenboden über einen Erdkollektor, einer Geosonde oder der Luft bezogen werden. Ein wichtiger Kennwert ist der Heizkoeffizient, der das Verhältnis von zugeführter zu abgegebener Energie angibt. Eine höhere Zahl deutet auf eine effizientere Wärmepumpe hin.

2. Arten von Wärmepumpen

Die Wahl der Energiequelle für eine Wärmepumpe kann je nach den Gegebenheiten des Grundstücks variieren. Typische Optionen umfassen die Nutzung von Luft, Erde oder Grundwasser als thermische Energiequellen.

2.1 Luft-Wasser-Wärmepumpe

Die Umweltenergie lässt sich am einfachsten aus der Luft gewinnen. Hierfür benötigt man lediglich eine Vorrichtung zum Ansaugen und Ausblasen der Außenluft. Bei einer im Gebäudeinneren aufgestellten Luft-Wasser-Wärmepumpe erfolgt dies beispielsweise über Kanäle, die das Gerät mit Lüftungsgittern in der Außenwand verbinden. Bei Geräten zur Außenaufstellung entfallen sogar diese Kanäle, und die thermische Energie der Luft kann direkt aus der Umgebung gewonnen werden. Die Luft-Wasser-Wärmepumpe extrahiert Wärme aus der Luft und überträgt sie auf das Wasser des Heizungssystems.

Ein Nachteil der Luft als Energiequelle ist jedoch ihre niedrige Temperatur im Winter, wenn die Heizung am meisten benötigt wird. Dadurch müssen die Wärmeübertrager, über die die kalte Außenluft geleitet wird, immer frostfrei gehalten werden, und die Effizienz der Wärmepumpe nimmt ab. Der Heizkoeffizient (Wirkungsgrad) einer Luft-Wasser-Wärmepumpe liegt typischerweise zwischen 3,4 und 4.

2.2 Sole-Wasser-Wärmepumpe oder Erdwärmepumpe

Ähnlich wie die Luft speichert auch die Erde thermische Energie, die mit Sole-Wasser-Wärmepumpen genutzt werden kann. Dies geschieht durch Rohrleitungen, in denen ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel zirkuliert. Diese Flüssigkeit entzieht der Erde Wärme und transportiert sie zur Wärmepumpe. Die Leitungen können entweder als Tiefenbohrungen oder Flächenkollektoren eingebaut werden. Bei Tiefenbohrungen werden Kunststoffrohre (Geosonden) in bis zu 100 Meter tiefe Bohrlöcher eingebracht. Jeder Meter kann dabei etwa 50 Watt thermische Energie aus dem Erdreich entziehen. Für die Beheizung eines modernen Gebäudes sind etwa 150 Tiefenmeter erforderlich, die auf mehrere Bohrungen aufgeteilt werden können.

Wenn Sondenbohrungen aus technischen oder rechtlichen Gründen nicht möglich sind, können die Rohre auch direkt unter der Oberfläche im Garten verlegt werden, in einer Tiefe von etwa 1,50 Metern. Jeder Quadratmeter entzieht dem Boden etwa 25 Watt, daher benötigt man für ein modernes Einfamilienhaus etwa 350 Quadratmeter Gesamtfläche.

Im Vergleich zur Luft kann die thermische Energie aus dem Erdreich ganzjährig mit höheren Temperaturen gewonnen werden, was die Effizienz der Wärmepumpe steigert und die Heizkosten senkt. Der Heizkoeffizient (Wirkungsgrad) einer Sole-Wasser-Wärmepumpe liegt zwischen 4,4 und 5.

2.3 Wasser-Wasser-Wärmepumpe

Im Grundwasser ist ebenfalls thermische Energie gespeichert. Grundwasser eignet sich ideal als Energieträger für Wärmepumpen, da es das ganze Jahr über eine konstante Temperatur zwischen 8 und 12 Grad Celsius hat und somit kaum saisonale Energieschwankungen auftreten. Für den Betrieb einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe sind zwei Brunnen erforderlich: ein Förderbrunnen (auch Saugbrunnen genannt) und ein Schluckbrunnen.

Durch den Förderbrunnen wird das Grundwasser nach oben gepumpt, und in der Wärmepumpe wird dem Wasser thermische Energie entnommen. Der Heizkoeffizient (Wirkungsgrad) einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe liegt zwischen 5,2 und 6,2. Das abgekühlte Wasser wird dann über den Schluckbrunnen derselben Grundwasserschicht wieder zurückgeführt. Die Tiefe der Brunnen kann je nach Stand des Grundwassers zwischen 4 und 15 Metern variieren.

Die Eignung einer Wärmepumpenheizung für den Einsatz mit Grundwasser hängt von der Prüfung der Wasserqualität ab, da verschiedene chemische Inhaltsstoffe den Wärmetauscher belasten und die Funktion einschränken können.

3. Heizkosten sparen mit einer Wärmepumpe

Eine Wärmepumpe arbeitet zwar mit Strom, verbraucht jedoch drei- bis fünfmal weniger Energie, als sie produziert, und nutzt diesen Überschuss zum Heizen. Durch den Austausch einer herkömmlichen Ölheizung gegen eine Wärmepumpe können sich die Heizkosten um bis zu 75 % senken!

Die Heizkostenersparnis hängt stark von der Vorlauftemperatur der Heizung ab. Wärmepumpen eignen sich besonders gut für Niedertemperaturheizungen über große Flächen wie Wände, Decken oder eine konventionelle Fußbodenheizung.

4. Welche Wärmepumpe ist am geeignetsten?

Die Effizienz einer Wärmepumpe ist stark von ihrer Leistung abhängig. Es ist daher wichtig, vor dem Kauf und der Installation der Wärmepumpe den Energiebedarf des Hauses, der Heizungsanlage (z. B. Heizkörper oder Fußbodenheizung) und die verfügbaren Energiequellen (Wasser, Erde oder Luft) zu ermitteln, um sicherzustellen, dass die Wärmepumpe optimal dimensioniert ist.