Wärmepumpe. Funktionsweise, Typen und Einsatzbereiche

Wärmepumpen nutzen Umweltwärme aus Luft, Erdreich oder Grundwasser, um Gebäude zu heizen. Das Prinzip ähnelt einem Kühlschrank, nur umgekehrt: Während der Kühlschrank seinem Innenraum Wärme entzieht und nach außen abgibt, entzieht die Wärmepumpe der Umwelt Wärme und gibt sie ins Gebäude ab. Dieser Prozess funktioniert selbst bei Minusgraden.

Der große Vorteil: Aus einer Einheit Strom entstehen drei bis fünf Einheiten Wärme. Diese Effizienz macht Wärmepumpen zu einer der wichtigsten Heiztechnologien für klimaneutrale Gebäude. Das Verständnis der Funktionsweise hilft bei der Entscheidung, ob und welche Wärmepumpe für das eigene Gebäude geeignet ist.

Dieser Artikel erklärt das Funktionsprinzip, vergleicht die verschiedenen Typen und zeigt, für welche Einsatzbereiche welches System am besten geeignet ist.

Das Funktionsprinzip

Eine Wärmepumpe arbeitet mit einem Kältekreislauf, der aus vier Hauptkomponenten besteht: Verdampfer, Verdichter, Verflüssiger und Expansionsventil.

Im Verdampfer zirkuliert ein Kältemittel mit sehr niedrigem Siedepunkt. Dieses Kältemittel nimmt Wärme aus der Umwelt auf, auch wenn diese nur null Grad Celsius oder kälter ist. Dadurch verdampft das Kältemittel und wird gasförmig. Selbst bei minus fünf Grad Außentemperatur enthält Luft noch Energie. Das Kältemittel siedet bereits bei minus 20 Grad und nimmt diese Restwärme auf.

Der gasförmige Kältemitteldampf wird in den Verdichter gesaugt und komprimiert. Durch die Kompression steigen Druck und Temperatur stark an. Das Gas erreicht Temperaturen von 60 bis 100 Grad Celsius. Hier wird elektrische Energie benötigt. Der Verdichter ist der Hauptstromverbraucher der Wärmepumpe.

Das heiße, komprimierte Gas strömt in den Verflüssiger. Dort gibt es seine Wärme an das Heizsystem ab. Das Kältemittel kühlt ab und wird wieder flüssig. Die abgegebene Wärme heizt das Heizungswasser auf, das zu den Heizkörpern oder der Fußbodenheizung fließt.

Das flüssige Kältemittel wird durch ein Expansionsventil entspannt. Dadurch sinken Druck und Temperatur wieder auf das Ausgangsniveau. Der Kreislauf beginnt von vorn.

Die Jahresarbeitszahl

Die Jahresarbeitszahl gibt an, wie effizient eine Wärmepumpe über ein ganzes Jahr arbeitet. Sie beschreibt das Verhältnis zwischen erzeugter Wärme und eingesetztem Strom. Eine Jahresarbeitszahl von 4,0 bedeutet: Aus einer Kilowattstunde Strom entstehen vier Kilowattstunden Wärme.

Grundwasser-Wärmepumpen erreichen Jahresarbeitszahlen von 4,5 bis 5,5. Erdreich-Wärmepumpen mit Sonde erreichen 4,0 bis 5,0, mit Kollektor 3,8 bis 4,5. Luft-Wasser-Wärmepumpen im Neubau mit Fußbodenheizung erreichen 3,5 bis 4,5, im Altbau mit Heizkörpern 2,8 bis 3,5.

Je höher die Jahresarbeitszahl, desto wirtschaftlicher arbeitet die Wärmepumpe. Werte unter 3,0 sind für Neuinstallationen nicht mehr zeitgemäß.

Luft-Wasser-Wärmepumpe

Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe entzieht der Außenluft Wärme. Das Außengerät saugt Luft an, die über den Verdampfer strömt. Dort gibt die Luft ihre Wärme an das Kältemittel ab. Die abgekühlte Luft wird wieder nach außen geblasen.

Die Installation ist einfach. Es ist kein Genehmigungsverfahren erforderlich und keine Erdarbeiten sind notwendig. Das Außengerät wird neben dem Haus aufgestellt. Die Investitionskosten sind mit 12.000 bis 20.000 Euro für ein Einfamilienhaus am niedrigsten. Luft-Wasser-Wärmepumpen sind auch in Bestandsgebäuden ohne größere Baumaßnahmen nachrüstbar. Sie funktionieren auch auf kleinen Grundstücken, wo für Erdkollektoren kein Platz wäre.

Allerdings ist die Effizienz geringer als bei anderen Wärmepumpen-Typen. Besonders bei sehr kalten Temperaturen sinkt die Leistung. Die Jahresarbeitszahl liegt typischerweise bei 3,5 bis 4,0 im Neubau und 2,8 bis 3,5 im Altbau. Das Außengerät verursacht Geräusche durch Ventilator und Kompressor. Ein Abstand von mindestens drei Metern zum Nachbargrundstück sollte eingehalten werden. Bei Frost vereist der Verdampfer, die Wärmepumpe muss regelmäßig abtauen, was Energie kostet und die Effizienz senkt.

Luft-Wasser-Wärmepumpen sind ideal für Neubauten, für Sanierungen ohne Erdarbeiten, für kleine Grundstücke und überall dort, wo Erdwärme oder Grundwasser nicht verfügbar sind.

Sole-Wasser-Wärmepumpe (Erdwärme)

Eine Sole-Wasser-Wärmepumpe nutzt die Wärme des Erdreichs. Es gibt zwei Varianten: Erdkollektoren und Erdsonden.

Erdkollektoren sind horizontal verlegte Rohrleitungen in 1,2 bis 1,5 Meter Tiefe. Darin zirkuliert eine Sole, ein Frostschutz-Wasser-Gemisch, die dem Erdreich Wärme entzieht. Erdsonden sind vertikale Bohrungen von 50 bis 150 Meter Tiefe. In den Bohrlöchern werden Sonden eingebracht, die Erdwärme aufnehmen.

Die Effizienz ist hoch, weil das Erdreich ganzjährig stabile Temperaturen von 8 bis 12 Grad hat. Die Jahresarbeitszahl liegt bei 4,0 bis 5,0. Es gibt keine Abtauzyklen, weil das Erdreich nicht einfriert. Das System ist leise, weil kein Außengerät mit Ventilator erforderlich ist. Nur die Umwälzpumpe ist zu hören. Die Lebensdauer ist lang, Erdkollektoren und Sonden halten 50 bis 100 Jahre.

Die Investitionskosten sind allerdings hoch. Erdsonden kosten 20.000 bis 35.000 Euro, Kollektoren 15.000 bis 25.000 Euro. Für Erdsonden ist eine wasserrechtliche Genehmigung erforderlich. In Wasserschutzgebieten sind sie oft nicht erlaubt. Erdkollektoren benötigen viel Fläche, etwa das 1,5- bis 2-fache der zu beheizenden Fläche. Für 150 Quadratmeter Wohnfläche werden etwa 225 bis 300 Quadratmeter Grundstücksfläche benötigt. Über Kollektoren dürfen keine Gebäude, versiegelten Flächen oder tiefwurzelnden Pflanzen stehen.

Sole-Wasser-Wärmepumpen sind ideal für Neubauten mit ausreichend Grundstücksfläche, für hohe Effizienzanforderungen wie im Passivhaus und für Gebäude in ruhigen Wohngebieten, wo Geräusche vermieden werden sollen.

Wasser-Wasser-Wärmepumpe (Grundwasser)

Eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe nutzt Grundwasser als Wärmequelle. Es werden zwei Brunnen gebohrt. Ein Förderbrunnen pumpt Grundwasser nach oben, die Wärmepumpe entzieht ihm Wärme, und das abgekühlte Wasser wird über einen Schluckbrunnen zurück ins Erdreich geleitet.

Die Effizienz ist am höchsten. Grundwasser hat ganzjährig 8 bis 12 Grad. Die Jahresarbeitszahl liegt bei 4,5 bis 5,5. Der Stromverbrauch ist am niedrigsten, die Betriebskosten sind am geringsten aller Wärmepumpen-Typen. Das Grundwasser ist immer verfügbar, unabhängig von der Außentemperatur.

Die Investitionskosten sind mit 25.000 bis 40.000 Euro am höchsten. Eine wasserrechtliche Genehmigung ist erforderlich, das Genehmigungsverfahren ist komplex, nicht überall ist eine Genehmigung möglich. Es müssen bestimmte Grundwasser-Voraussetzungen erfüllt sein: ausreichende Grundwassermenge und geeignete Wasserqualität mit niedrigem Eisen- und Mangangehalt. Der Wartungsaufwand ist höher, die Brunnen müssen regelmäßig gespült werden, um Verschlammung zu vermeiden.

Wasser-Wasser-Wärmepumpen sind ideal für Neubauten mit hohen Effizienzanforderungen, für gewerbliche Gebäude, für landwirtschaftliche Betriebe und überall dort, wo Grundwasser verfügbar und genehmigungsfähig ist.

Vergleich der Systeme

Die Investition für Luft-Wasser-Wärmepumpen liegt bei 12.000 bis 20.000 Euro, für Sole-Wasser bei 15.000 bis 35.000 Euro, für Wasser-Wasser bei 25.000 bis 40.000 Euro. Die Jahresarbeitszahl beträgt bei Luft-Wasser 3,0 bis 4,5, bei Sole-Wasser 4,0 bis 5,0, bei Wasser-Wasser 4,5 bis 5,5.

Für Luft-Wasser ist keine Genehmigung erforderlich, für Sole-Wasser ist eine Genehmigung bei Erdsonden nötig, für Wasser-Wasser ist ebenfalls eine Genehmigung erforderlich. Der Platzbedarf ist bei Luft-Wasser gering, bei Sole-Wasser mittel bis hoch, bei Wasser-Wasser gering. Geräusche sind bei Luft-Wasser mittel, bei Sole-Wasser und Wasser-Wasser sehr gering. Luft-Wasser ist leicht nachrüstbar, Sole-Wasser und Wasser-Wasser nur eingeschränkt.

Fazit

Wärmepumpen sind eine ausgereifte Technologie für klimaneutrales Heizen. Die Wahl des richtigen Systems hängt von Gebäudezustand, Grundstücksgröße, Budget und Effizienzanforderungen ab. Luft-Wasser-Wärmepumpen sind flexibel und kostengünstig. Erdwärme- und Grundwasser-Wärmepumpen bieten höchste Effizienz, erfordern aber größere Investitionen und Genehmigungen. Alle Systeme arbeiten wirtschaftlich, wenn Gebäude und Heizflächen geeignet sind.

Häufige Fragen

Funktioniert eine Wärmepumpe auch bei Minusgraden? Ja. Moderne Luft-Wasser-Wärmepumpen arbeiten bis minus 20 Grad. Die Effizienz sinkt zwar, aber die Heizleistung bleibt erhalten.

Wie laut ist eine Luft-Wasser-Wärmepumpe? Moderne Geräte arbeiten mit 45 bis 55 Dezibel in drei Metern Entfernung. Das entspricht einem normalen Gespräch. Nachts sind sie leiser durch Nachtabsenkung.

Brauche ich eine Fußbodenheizung? Nein, aber sie ist optimal. Auch Heizkörper funktionieren, wenn sie für niedrige Vorlauftemperaturen dimensioniert sind.

Was ist der COP-Wert? Der COP ist die Leistungszahl unter Laborbedingungen. Die JAZ ist die reale Effizienz im Jahresbetrieb und immer niedriger als der COP.

Kann eine Wärmepumpe auch kühlen? Ja, viele Wärmepumpen können im Sommer passiv oder aktiv kühlen. Passive Kühlung senkt die Raumtemperatur um 3 bis 5 Grad.

Wie lange hält eine Wärmepumpe? 15 bis 20 Jahre. Bei guter Wartung auch länger. Erdkollektoren und Sonden halten 50 bis 100 Jahre.

Brauche ich einen Pufferspeicher? Bei Fußbodenheizungen ist er empfohlen, bei Heizkörpern oft zwingend. Er reduziert Taktung und erhöht die Effizienz.

Wie viel Strom verbraucht eine Wärmepumpe? Für ein 150-Quadratmeter-Haus: 3.000 bis 6.000 kWh pro Jahr, abhängig von Gebäudedämmung und JAZ.