Wärmepumpen - Heizen mit Energie aus der Umwelt

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Wärmepumpen - Heizen mit Energie aus der Umwelt

Pia Maier
April 21, 2023
1:00 pm

Die steigenden Preise für Gas und das Bewusstsein für die Klimakrise veranlassen Hausbesitzer, zunehmend auf Wärmepumpen als zukunftsfähige Heizung zu setzen. Der Anteil an Wärmepumpen als primäre Heizquelle in den neuen Gebäuden lag 2015 noch bei 31,4 % und stieg 2021 auf 50,6 %. Hier lesen Sie, wie Wärmepumpen funktionieren und ob Wärmepumpen tatsächlich eine umweltfreundliche und energieeffiziente Alternative zur bewährten Gasheizung darstellen.

Wie ist eine Wärmepumpe aufgebaut?

Die Funktionsweise der Wärmepumpe kennen viele Menschen bereits von ihrem Kühlschrank. Der nimmt die Wärme aus seinem Innenraum auf und gibt sie an die Umgebung ab, um den Innenraum kühl zu halten. Eine Wärmepumpe nimmt dagegen Wärme aus ihrer Umgebung auf und gibt sie an den Innenraum ab, um ihn zu heizen.

Im Kern funktionieren die verschiedenen Wärmepumpen sehr ähnlich. Fünf Komponenten sind dafür essenziell:

Verdampfer: Im Verdampfer befindet sich das Kältemittel, das über die Umwelt Wärme aufnimmt und dort zu sieden beginnt. Sobald es vollständig zu Dampf geworden ist, wird es in den Kompressor weitergeleitet.

Verdichter (Kompressor): Der Kompressor verdichtet das nun dampfförmige Kältemittel. Dadurch wird es wärmer.

Verflüssiger (Kondensator): Im Verflüssiger wird die Wärme des Kältemittels an einen Wärmeträger (z.B. Heizwasser) abgegeben. Dabei erkaltet das Kältemittel und wird wieder flüssig.

Expansionsventil (Drossel): Das Expansionsventil sitzt zwischen Kondensator und Verdampfer, wo es den Druckunterschied zwischen der Niederdruckseite und der Hochdruckseite regelt.

Kältemittel: Das Kältemittel ist zugleich das Arbeitsmittel der Wärmepumpe. Es verändert seinen Aggregatszustand und dient so als Heizmittel.

Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Wärmepumpen arbeiten mit einem thermodynamischen Kreisprozess. Hierbei durchläuft ein Arbeitsmittel mehrere Zustandsänderungen. Am Ende erreicht es wieder seinen Ausgangszustand, sodass der Prozess stetig wiederholt werden kann.

Bei Wärmepumpen wird das flüssige Kältemittel bei niedrigem Druck verdampft. Die Energie dafür stammt von einer Wärmequelle in der Umgebung (z.B. Erde oder Wasser). Danach wird das Kältemittel im Kompressor verdichtet. Mit dem höheren Druck steigt auch die Temperatur des Kältemittels. Das unter hohem Druck stehende und dampfförmige Kältemittel wird dann in den Kondensator geleitet, wo es seine Wärme an einen Wärmeträger (z.B. Heizwasser) abgibt. Diese Wärme kann dann zum Heizen oder Erhitzen von Wasser verwendet werden. Während dieses Prozesses kühlt das Kältemittel ab und wird wieder überwiegend flüssig. Danach wird es durch ein Expansionsventil geleitet, wodurch der Druck sinkt und sich das Kältemittel komplett verflüssigt. Jetzt kann der Prozess von neuem starten.

Welche Arten von Wärmepumpen gibt es?

Wärmepumpen lassen sich vor allem anhand ihrer Wärmequelle kategorisieren. Zur Verfügung stehen Luft, Wasser und Erde/Sole. Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe z.B. bezieht ihr Wärmeenergie aus der Luft und gibt sie an Wasser ab, das dann zum Heizen verwendet werden kann. Eine Luft-Luft-Wärmepumpe nutzt ebenfalls die Luft als Energiequelle, gibt die Wärme dann allerdings direkt in die Raumluft ab, anstatt sie auf Wasser zu übertragen.

Gängig sind in Einfamilienhäusern vor allem folgende Wärmepumpen:

Art	Wie funktioniert sie?
Luft-Wasser-Wärmepumpe	Bezieht Wärme aus der Luft und gibt sie an Wasser ab. Kann z.B. für eine Flächenheizung verwendet werden.
Sole-Wasser-Wärmepumpe	Sammelt mit Hilfe von Erdkollektoren oder Erdsonden Wärme aus dem Erdreich. Gibt sie an Wasser ab. Ermöglicht z.B. den Betrieb von Fußbodenheizung.
Wasser-Wasser-Wärmepumpe	Nimmt Wärme aus dem Grundwasser auf und gibt sie an Wasser ab. Ermöglicht so z.B. die Nutzung von Warmwasser.
Luft-Luft-Wärmepumpe	Nimmt Wärme aus der Luft auf und gibt sie an die Raumluft ab. Kann z.B. für ein Klimagerät genutzt werden.

Die Funktionsweise ist bei allen Wärmepumpen ähnlich. Wofür Sie sich als Hausbesitzer entscheiden hängt vor allem von der Lage und der Bauweise Ihres Gebäudes sowie von dem geplanten Aufwand ab. Luft-Luft-Wärmepumpen lassen sich z.B. in Gebäuden mit bereits existierendem Lüftungssystem einfach und vergleichsweise kostengünstig installieren. Bei Sole-Wasser-Wärmepumpen, für die umfangreiche Erdarbeiten zu Verlegung von Erdkollektoren oder eine Erdsonde durchgeführt werden müssen, sind Kosten und Aufwand deutlich höher.

Übrigens: Manche Wärmepumpen können nicht nur heizen, sondern auch kühlen – damit haben Sie sowohl Heizung als auch Klimaanlage zuhause.

Wann ist eine Wärmepumpe effizient? JAZ und COP

Um als effizient zu gelten, müssen Wärmepumpen mindestens eine Jahresarbeitszahl (JAZ) von 3 aufweisen. Die JAZ gibt an, in welchem Verhältnis die eingesetzte Energie zu der gewonnenen Wärme steht. Eine JAZ bedeutet z.B., dass eine Kilowattstunde Strom durchschnittlich 3 Kilowattstunden Wärme ergibt. Dabei gilt die JAZ auch als verlässlicher als die Leistungszahl (COP; coefficient of performance), die ebenfalls das Verhältnis zwischen eingesetzter Energie und gewonnener Wärme abbildet. Allerdings berücksichtigt die JAZ die Leistung im Jahresverlauf, während der COP-Wert nur einen Moment abbildet.

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Was muss man beim Einbau einer Wärmepumpe beachten?

Damit sich der Einbau einer Wärmepumpe lohnt, sollten im Vorfeld einige Aspekte berücksichtigt werden.

Die Beschaffenheit des Gebäudes

Besonders relevant für die Sinnhaftigkeit und Wirtschaftlichkeit einer Wärmepumpe sind die Dämmung und die Heizung eines Hauses. Die Vorlauftemperaturen einer Wärmepumpe sind mit ca. 50 °C im Allgemeinen geringer als die von Öl- oder Gasheizungen. Werden aufgrund der Gegebenheiten höhere Vorlauftemperaturen benötigt, verbraucht eine Wärmepumpe mehr Strom und wird dadurch ineffizient. Es ist daher essenziell, dass das Gebäude eine gute und effiziente Dämmung aufweist, um Wärmeverluste durch die Wände zu vermeiden. Gleichzeitig haben sich Flächenheizungen bewährt: Aufgrund ihrer großen Heizfläche benötigen sie weniger Vorlauftemperatur als herkömmliche Heizkörper.

Tipp: Auch für Altbauten lohnen sich Wärmepumpen. Lassen Sie sich dazu von einem Energieberater Ihren individuellen Sanierungsfahrplan oder ein Energiekonzept für Ihr Gebäude erstellen.

Dimensionierung der Wärmepumpe

Wärmepumpen müssen gemäß der Größe des Gebäudes, dem Warmwasserbedarf und der Heizlast dimensioniert werden. Die Heizlast wird in Kilowatt (kW) gemessen und gibt an, welche Heizleistung eine Wärmepumpe erbringen muss. Eine zu niedrige Dimensionierung führt dazu, dass die Wärmepumpe sich schneller abnutzt und hohe Energiekosten anfallen. Eine zu große Dimensionierung schlägt sich in zu hohen Anschaffungskosten nieder. In beiden Fällen leiden Effizienz und Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpe unter der Fehlplanung.

Installation und Wartung

Um eine optimale Effizienz und Leistung zu gewährleisten, sollten Fachpersonen sowohl die Installation ausführen als auch die Wartung vornehmen. Fehler bei der Installation können zu Leistungsverlusten oder unerwarteten Kosten führen. Wartungsintervalle und Wartungsarbeiten sollten den Empfehlungen des Herstellers entsprechend eingehalten werden, sodass die Wärmepumpe lange funktionsfähig bleibt.

Welche Vorteile und Nachteile hat eine Wärmepumpe?

Wärmepumpen werden zum Teil kontrovers diskutiert, obwohl sie einen wichtigen Beitrag zur Senkung des CO2-Ausstoßes im Gebäudesektor beitragen können.

Da viele Wärmepumpen bisher mit Strom betrieben werden und fossile Brennstoffe nach wie vor einen erheblichen Anteil am deutschen Strommix haben, arbeiten auch Wärmepumpen bisher nicht CO2-neutral. Doch der Anteil an erneuerbaren Energien im Strommix steigt jährlich, sodass sich die Ökobilanz von Wärmepumpen deutlich verbessern wird. Die zunehmende Effizienz und Langlebigkeit moderner Wärmepumpen tragen ebenfalls dazu bei, dass sie als umweltfreundliche Alternative zu Gas-oder Ölheizungen gelten. Zugleich sind die Betriebskosten von Wärmepumpen im Vergleich niedrig.

Demgegenüber stehen hohe Investitionskosten, die durch den hohen Planungsaufwand und die zum Teil erheblichen baulichen Maßnahmen entstehen. So muss ein Planer z.B. für jedes Gebäude die individuelle Heizlast berechnen.

Wärmepumpen – Vorteile und Nachteile

Die Wärmepumpe zwischen Lob und Kritik Wärmepumpen sind nachhaltig, für jedes Haus geeignet und senken den CO2-Ausstoß, behaupten Verfechter der Wärmepumpe. Kritiker bemängeln dagegen die

Kältemittel-Kontroverse: Was muss ich wissen?

In Wärmepumpen werden heute häufig synthetische Kältemittel verwendet, die Wärme gut leiten können. Besonders beliebt ist R410A, ein teilhalogenierter Fluorkohlenwasserstoff (HFKW). Allerdings sind diese Kältemittel nicht unumstritten, da sie erhebliches Treibhauspotenzial besitzen.

Wie schädlich ein Kältemittel ist, lässt sich an seinem Global Warming Potential, seinem GWP-Wert, ablesen. CO2 hat einen GWP-Wert von 1 und dient als Referenzwert. Ein GWP-Wert von z.B. 1500 bedeutet damit, dass das Kältemittel 1500-mal schädlicher ist als CO2. Ab 2020 waren nur noch Kältemittel mit einem maximalen GWP-Wert von 2500 erlaubt. Ab 2025 wird diese Regelung deutlich verschärft. Die Höchstgrenze für Split-Klimageräte mit weniger als 3kg Füllmenge liegt dann bei 750.

R410A hat einen GWP-Wert von 2088 und ist somit ab 2025 verboten. Als Alternative gilt R32, das einen GWP-Wert von lediglich 675 aufweist. Hersteller arbeiten bereits jetzt an weiteren Kältemitteln, deren GWP-Wert bei vergleichbarer Leistung noch geringer ist.

Fazit

Die Zukunft unseres Heizens und Wärmepumpen sind bereits untrennbar miteinander verbunden. Die Wärme aus der Umwelt stet uns unbegrenzt zur Verfügung und ist emissionsarm, wohingegen fossile Ressourcen endlich sind und erheblich zur Verschärfung der Klimakrise beitragen. Zudem sind Wärmepumpen erstaunlich vielseitig: Mit der richtigen Umsetzung und der richtigen Wärmepumpe sind sie nahezu für jedes Gebäude geeignet.

Quellen:

Header (Foto): stock.adobe.com/Robert Poorten

Wärmepumpen – Heizen mit Energie aus der Umwelt