Letzte Aktualisierung: 03.05.2022
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Wärmepumpenheizung im Experten-Check: Technik, Systeme und Einsatzmöglichkeiten
Heutige Wärmepumpenheizungen sind Platz sparende und kompakte Geräte. An den Aufstellungsort werden keine besonderen Anforderungen gestellt, einige Luft-Wärmepumpen können auch außerhalb des Gebäudes aufgestellt werden. Wärmepumpenheizungen können optimal auf die Nutzungswünsche des Kunden ausgewählt und angepasst werden. Sie erfüllen alle Anforderungen, die an ein modernes Gebäude gestellt werden, und werden daher im Rahmen der EnEV entsprechend berücksichtigt.
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Das Prinzip der Wärmepumpenheizung kurz erklärt
Jeder Körper unserer Umgebung enthält Wärme, man spricht von "innerer Energie". Aber nicht nur Heizmaterialien enthalten Energie, sondern alle Körper, sogar das kalte Wasser eines Sees oder Flusses, das Grundwasser oder der Erdboden, ja sogar die Luft kann sozusagen zum Heizen genutzt werden kann. Wie lässt sich aber die Energie des scheinbar kalten Grundwassers oder Erdbodens in das Wohnzimmer pumpen, um es zu erwärmen?
Schon 1852 beschrieb der englische Gelehrte William Thompson, der als Lord Kelvin bekannt wurde, ein "mechanisches System zur Heizung oder Kühlung von Räumen". Zunächst waren es nur Kältemaschinen, die eine rasche Verbreitung fanden. Erst in den 20er-Jahren des 20. Jahrhunderts wurden Maschinen entwickelt, die das gleiche Prinzip für Heizzwecke nutzen können: die so genannte Wärmepumpenheizung.
Die Wärmepumpe, der wichtigste Teil einer solchen Heizung, ist eine Maschine, die der Umgebung des Hauses Energie entzieht und sie mittels eines Wärmetauschers an das Heizsystem innerhalb des Gebäudes abgibt. Sie funktioniert also genau umgekehrt wie ein Kühlschrank, wo den Lebensmitteln im Kühlraum Wärme entzogen wird, die dann an der Rückseite des Kühlschranks wieder abgegeben wird.
Das Prinzip der Wärmepumpenheizung beruht darauf, dass beim Verdampfen einer Flüssigkeit der Umgebung Wärme entzogen wird, die beim Verflüssigen wieder an das Heizsystem abgegeben wird. Für den Wärmetransport in der Wärmepumpe wird ein Kältemittel verwendet. Sein Siedepunkt ist sehr niedrig und liegt unterhalb der Temperatur der abzukühlenden Umgebung. Daher verdampft das Kältemittel, wenn es mit der Umgebung in Berührung kommt.
Der Kühlmittelkreislauf innerhalb einer Wärmepumpenheizung
Folgende vier Komponenten einer Wärmepumpenheizung durchläuft dieses Kühlmittel im Kreislauf:
1) Im Verdampfer, der im Allgemeinen aussieht wie ein feingliedriger Zentralheizungsradiator, verdampft das Kältemittel bei einem Druck von etwa 3 bar, ohne seine Temperatur zu erhöhen. Die dafür notwendige Energie kommt aus der Umgebung, welcher Wärme entzogen wird.
2) Durch einen Kompressor, der nichts anderes ist als ein Verdichter mit einem angekoppelten Antrieb, wird das Kältemittel verdichtet, das heißt, sein Druck wird erhöht und somit auch seine Temperatur. Der Kompressor benötigt dafür Energie. Meist wird der Kompressor mit elektrischer Energie angetrieben. Es könnte aber auch ein Verbrennungsmotor sein. Gleichzeitig saugt der Verdichter das dampfförmige Kältemittel an, damit der niedrige Druck im Verdampfer erhalten bleibt und so das Verdampfen und damit die Wärmeaufnahme aus der Umgebung aufrechterhalten wird.
3) Im Verflüssiger, der ähnlich aussieht wie der Verdampfer, kondensiert das dampfförmige Kältemittel, das heißt, es wird wieder flüssig. Dabei werden die vorher aus der Umgebung aufgenommene Wärmeenergie und die Antriebsenergie an die Leitungsrohre der Heizungsanlage abgegeben.
4) Das noch immer unter hohem Druck stehende Kältemittel strömt durch das sogenannte Expansionsventil. Dabei dehnt es sich aus. Der Druck wird also abgebaut, die Temperatur sinkt und das Kältemittel gelangt wieder in den Verdampfer. Der Kreislauf ist geschlossen.
Effizienz und Ökologie von Wärmepumpen als Heizungssystem
Als kostensparende und umweltschonende Alternative zu konventionellen Heizungsanlagen gewinnen regenerative Energiesysteme wie Wärmepumpenheizungen zunehmend an Bedeutung. Die Umwandlung von Umweltwärme in Heizwärme bietet viele Vorteile. In anderen Ländern hat sich diese Technologie bereits erfolgreich am Markt etabliert. In der Schweiz werden inzwischen mehr als 30%, in Schweden sogar über 90% aller Neubauten mit Wärmepumpen als alleinige Heizungssysteme ausgestattet.
Die Effizienz einer Wärmepumpenheizung wird in der Jahresarbeitszahl (JAZ) gemessen, die vergleichbar mit dem Nutzungsgrad konventioneller Heizungsanlagen ist. Sie berechnet sich aus dem Verhältnis der gelieferten Wärme zum eingesetzten Energieaufwand. Schon ab einer JAZ von knapp 3 wird der zum Antrieb einer Wärmepumpe erforderliche Strom - bezogen auf Primärenergieeinsatz und CO2-Emissionen - optimal eingesetzt. Die steigenden Wirkungsgrade moderner Kraftwerkstechnologien oder auch der verstärkte Einsatz regenerativer Energien wirken sich unmittelbar positiv auf die Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpe und damit auch auf die CO2-Bilanz aus.
Überblick über verschiedene Arten von Wärmepumpenheizungen
Luft-Wärmepumpenheizungen
Luft-/Wasser-Wärmepumpen entnehmen die benötigte Energie der Außenluft. Die Vorteile von Luft-/Wasser-Wärmepumpen sind
- die einfache Installation,
- eine sehr kostengünstig zu erschließende Wärmequelle,
- hohe Leistungszahlen bei hoher Außentemperatur,
- kein Bewilligungsverfahren,
- keine besonderen Anforderungen an die Grundstücksgröße und, dass sie
- ohne Fremdfirmen (z. B. Tiefbauunternehmen) umsetzbar sind.
Die Investitionskosten einer Luft-/Wasser-Wärmepumpenanlage liegen deutlich niedriger als eine vergleichbare Anlage mit Erdwärmekollektoren. Luft-/Wasser-Wärmepumpen arbeiten im Winter mit einer relativ kalten Wärmequelle. Deshalb wird pro Jahr etwas mehr Antriebsenergie als bei anderen Bauarten benötigt. Trotzdem werden z. B. in der Schweiz heute aufgrund der Einfachheit des Systems bereits 54 % aller Wärmepumpenheizungen als Luft-/Wasser-Wärmepumpenanlage ausgeführt.
Als Wärmequelle kann auch Abluft aus Privatgebäuden, der Landwirtschaft oder Industrie eingesetzt werden. Steht eine konstante Wärmequelle mit hohem Temperaturniveau zur Verfügung, lassen sich auch relativ hohe Leistungszahlen erreichen. Darüber hinaus lassen sich bei Luft-Wärmepumpenanlagen vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten realisieren. Trotz dieser Vorteile ist eine Luft-/Wasser-Wärmepumpe nur dann zu empfehlen, wenn die Nutzung der Erdwärme nicht möglich ist.
Wärmepumpenheizungen auf Erdwärme-Basis
Die Sole/Wasser-Wärmepumpe nutzt eine sogenannte Sole als Wärmeträgermedium. Die Sole ist dabei ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel, das im Erdreichwärmetauscher zirkuliert. Die Sole nimmt die im Erdreich gespeicherte Wärme auf und gibt sie über einen Wärmetauscher an das Wasser der Heizungsanlage ab. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie die Wärmeübertragung aus dem Boden funktionieren kann:
- Erdkollektoren sind häufig für Neubauer mit großer Grundstücksfläche interessant. Als ersten Anhaltspunkt, welche Fläche der Erdkollektor benötigt, nimmt man die 2fache Wohnheizfläche an. Erdkollektoren werden in einer Tiefe von ca. 1,2 bis 1,5 m verlegt. Die in den verlegten Rohren, zirkulierende Sole, wird von der sie umgebenden Erde erwärmt. Diese Wärmeenergie wird dann durch die Sole/Wasser-Wärmepumpe auf das benötigte Vorlauftemperaturniveau hoch "gepumpt". Oftmals kann die Verlegung der Rohrleitungen im Boden kostengünstig vom Bauherren selbst durchgeführt werden.
- Erdwärmesonden sind in Tiefbohrungen eingebrachte Rohrbündel. Die Tiefe einer Bohrung variiert je nach den geologischen Bedingungen des Untergrundes und dem Heizwärmebedarf des Hauses. Für den normalen Wohnungsbau werden die Erdsondenbohrungen bis zu 100m durchgeführt. Da ab einer Tiefe von ungefähr 10 Metern eine konstante Temperatur herrscht, unterliegt die Wärmepumpenheizung nur geringen Schwankungen der Kälteentzugsleistung. Im Gegensatz zum Flächenkollektor ist der Platzbedarf einer Erdsondenbohrung relativ gering und somit insbesondere für Heizungssanierungen im Bestand zu empfehlen. Die Kosten einer Tiefenbohrung sind im Vergleich zum Flächenkollektor jedoch höher. Pro Meter Erdbohrung kann mit Kosten von 50 bis 75 Euro gerechnet werden.
Weitere Wärmepumpenheizungen und -Systeme
Der Markt bietet neben Heizungswärmepumpen auch eine Vielzahl von Kombigeräten zur zusätzlichen, kontrollierten Wohnungslüftung, zur Wärmerückgewinnung oder zur Gebäudeklimatisierung oder zur ausschließlichen Trinkwassererwärmung (sog. Brauchwasser-Wärmepumpen). Zudem können Wärmepumpen nicht allein als Heizung, sondern auch zur Kühlung eingesetzt werden. Bei der passiven Kühlung erfolgt die Wärmeübertragung z. B. aus dem Gebäude ins Erdreich, indem im Sommer bei ausgeschalteter Wärmepumpe die Heizungspumpe und die Kollektorpumpe eingeschaltet werden. Zusätzlich existieren Systeme, die durch eine aktive Kühlung ergänzt werden können.
Alle Wärmepumpenheizungen lassen sich mit Solarkollektoren zur Trinkwassererwärmung oder Heizungsunterstützung kombinieren. Der gleichzeitige Betrieb einer Solarthermieanlage ist besonders primärenergetisch sinnvoll, da der (Primär-) Energieaufwand für jede solar erzeugte Kilowattstunde Wärme nahezu gegen null geht und damit der Betreiber Stromkosten für die Wärmepumpe spart. Bei jeder bivalenten Betriebsart sind jedoch die Investitionskosten für diese Betriebsweise zu berücksichtigen und ins Verhältnis zu den eingesparten Betriebskosten zu setzen. Oftmals wird durch den bivalenten Betrieb die Wirtschaftlichkeit einer Wärmepumpenheizung verschlechtert.
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