Wärmepumpen: Energie aus der Umwelt
Mit Wärmepumpen wird Dein Zuhause gemütlich warm. Die moderne Art zu heizen schont natürliche Ressourcen, ist nachhaltig und macht Dich unabhängig von Gas- und Öllieferanten.
Quelle: Panasonic
Heiztechnologie mit Mehrwert
Wärmepumpen sind gefragt wie nie. Weil die Technologie für weniger CO₂ Emissionen und mehr Klimaschutz, für Komfort, Unabhängigkeit und eine energieeffiziente Lebensweise sorgt, stehen Wärmepumpen für die Abkehr von konventionellen Gas- und Ölheizungen. Wir stellen Dir drei Varianten vor.
So funktionieren Wärmepumpen
Wärmepumpen funktionieren alle nach einem ähnlichen Prinzip. Was sie grundsätzlich unterscheidet, ist die Wärmequelle, die sie nutzen sowie ihre Effizienz. Für Dich sind diese Kriterien interessant. Sie bestimmen den möglichen Standort und haben Einfluss auf die Installationskosten.
Energie aus der Umwelt
Das Grundprinzip: Wärmepumpen wandeln thermische Energie aus der Umwelt, im folgenden auch Umweltenergie genannt, aus Luft (Aerothermie), Erde (Geothermie) oder Wasser (Aquathermie) in nutzbare Wärmeenergie um, die zum Heizen oder für die Erzeugung von Warmwasser dient. Neben Luft-Luft-Wärmepumpen, die die Wärme direkt in den Raum abgeben, setzen die Wärmepumpen, die wir in diesem Blogbeitrag betrachten, Wasser als Wärmemedium ein. Sie heißen deshalb Luft-Wasser-Wärmepumpe (Wärmequelle Luft), Erdwärmepumpe (Wärmequelle Erdreich) oder Wasser-Wasser-Wärmepumpe (Wärmequelle Grundwasser). Erdwärmepumpen werden über Kollektoren betrieben, andere über Sonden im Erdreich.
Entnommen und verändert aus: Volker Quaschning: Erneuerbare Energien und Klimaschutz, Carl Hanser Verlag 2021
Technik nach einem bewährten Prinzip
Wärmepumpen sind Kraft-Wärme-Maschinen. Sie erzeugen mittels eines elektrisch angetriebenen Verdichters nutzbare Heizwärme aus einer Niedrigtemperaturwärmequelle der Umwelt.
Dazu dient ihnen ein Kältemittel, das seinen Aggregatzustand im entsprechenden Temperaturbereich ändert.
Entnommen und verändert aus: Volker Quaschning: Erneuerbare Energien und Klimaschutz, Carl Hanser Verlag 2021
Im Verdampfer der Wärmepumpe wird das Kältemittel durch Zuführen der Umweltenergie von flüssig zu gasförmig. Dieses Gas wird mittels eines Verdichters komprimiert. Durch diesen Vorgang erwärmt sich das Kältemittel und es entsteht eine Temperatur von bis zu 100 Grad Celsius. Den Prozess kannst Du auch bei einer Fahrradluftpumpe beobachten, bei der Du den Luftauslass zuhältst. Wird nun gepumpt, steigt der Druck in der Pumpe und das Gas erwärmt sich.
Anschließend wird im Verflüssiger die im Kältemittel enthaltene thermische Energie an das Wasser des Heizsystems übertragen. Durch das Abführen der Wärme an das Heizsystem kondensiert und verflüssigt sich das Kältemittel wieder.
Bevor die Wärmeträgerflüssigkeit wieder zurückströmt, wird der Druck abgesenkt. Dabei kühlt das Kältemittel weiter ab, gelangt zum Verdampfer und der Kreislauf beginnt von Neuem.
Alle Wärmepumpen funktionieren also nach dem Prinzip eines Kühlschranks – nur umgekehrt: Im Kühlschrank entzieht der Verdampfer dem Kühlschrankinneren Wärme. Anschließend wird das Kältemittel mittels eines Verdichters komprimiert und die entstehende Wärme über die Kühlrippen auf der Rückseite des Kühlschrankes an die Raumluft abgegeben. Diese Gemeinsamkeit erweist sich als zusätzliches Potenzial für Wärmepumpenbesitzer, denn einige Wärmepumpen lassen sich auch zur Kühlung nutzen.
Quelle: Voltus
Effizienz und ökologische Wirksamkeit
Wie effizient eine Wärmepumpe arbeitet, erkennst Du an der Jahresarbeitszahl (JAZ). Sie beschreibt das Verhältnis von thermischer Energie zu der elektrischen Energie, die zum Betrieb benötigt wird. Sie nennt also den Faktor, um den die Wärmepumpe mehr Wärme produziert als elektrischer Strom eingesetzt wird. Das Bundesumweltamt nennt die Werte von 4,0 und höher als optimal. Eine Wärmepumpe, die 1 kWh elektrischen Strom benötigt, um 4 Kilowattstunden (kWh) Heizwärme zu erzeugen, arbeitet demnach effizient.
Hat die Umgebung eine hohe Temperatur und das Heizwasser eine möglichst niedrige, ist die JAZ höher. Besonders effizient sind Wasser-Wasser- und Solewärmepumpen. Ihre Sonden liegen in tiefen Grundwasserregionen oder Erdschichten. Hier ist es nie kälter als 0 Grad Celsius. Solewärmepumpen, die ihre thermische Energie über Kollektoren aus einem Meter Tiefe gewinnen, sind weniger effektiv. Ihre Umgebungstemperatur kann im Winter unter dem Gefrierpunkt liegen. Das gleiche gilt auch für Luft-Wasser-Wärmepumpen.
Eine elektrische Zusatzheizung sichert die Wärmeversorgung für extreme Temperaturen.
In allen Fällen sind Heizungsanlagen, die per Wärmepumpenbetrieb laufen, effizienter als Gasheizungen, so das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE).
Wärmepumpen im Vergleich
Wärmequelle Wasser
Wasser-Wasser-Wärmepumpen beziehen die Energie für die Wärmegewinnung aus unterirdischen Wasserreservoirs. Auf der einen Seite ist das von Vorteil, weil die Temperatur des Grundwassers kaum schwankt, auf der anderen Seite benötigen sie eine besondere Wasserqualität und einen gleichmäßig hohen Grundwasserspiegel.
Für eine Grundwasserpumpe benötigst Du die Genehmigung der Unteren Wasserbehörde, die das Vorhaben hinsichtlich möglicher Gefahren für das Grundwasser prüft.
Wer den Planungsaufwand und die hohen Investitionskosten nicht scheut, erhält eine Technologie, die sehr effizient ist. Ihr Wirkungsgrad liegt bei etwa 500 Prozent. Eine Heizanlage, die mit Grundwasser betrieben wird, kann 5 kWh Wärme mit 1 kWh elektrischer Energie bereitstellen.
Wärmequelle Erde
Bis in etwa 50 Meter Tiefe herrschen unter der Erdoberfläche über das Jahr konstant etwa 10 Grad Celsius. Unterhalb von 50 Metern steigt die Temperatur durch den Einfluss des Wärmestroms aus dem Erdinneren durchschnittlich um 3 Grad Celsius pro 100 Meter an.
Deswegen ist die Effizienz einer Solewärmepumpe mit einer Erdsonde und großer Tiefe besonders hoch. Sie liegt bei einer JAZ zwischen 4 und 5. Das heißt, 1 kWh elektrische Energie sorgen für 4 bis 5 kWh Wärme.
Während die Bohrung bei einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe höchstens bis 20 Meter Tiefe reichen sollte, kann eine Bohrung für die Sonde einer Erdwärmepumpe in bis zu 100 Metern Tiefe liegen. Das macht sie kostenintensiver. Eine Alternative bilden Erdkollektoren, die in rund einem Meter Tiefe unter der Erdoberfläche verlegt werden. Die Viessmann Climate Solutions SE beziffert die Investition für die Verlegung von Flächenkollektoren auf 20 bis 50 Euro pro Quadratmeter. „Rechnet man die 10 000 bis 15 000 Euro für die Anschaffung der Wärmepumpe hinzu, erscheint das zwar erst einmal teuer, ist aber immer noch günstiger als Sondenbohrungen, die mit bis zu 100 Euro je Meter zu Buche schlagen“, so die Heizungsexperten.
Erdwärmepumpen, die mit Flächenkollektoren arbeiten, benötigen allerdings eine ausreichend große Bodenfläche. Heizungsexperten nennen als Faustformel: Wohnfläche mal zwei.
Für die Installation von Solewärmepumpen sind also intensive Bauarbeiten nötig. Muss mehr als 100 Meter tief gebohrt werden, was bei der Nutzung für das Einfamilienhaus meist nicht erforderlich ist, brauchst Du eine Genehmigung nach Bergbaurecht, ansonsten von der zuständigen Unteren Wasserbehörde.
Wärmequelle Luft
Bei einer Luft-Wasser-Wärmepumpe wird die Umgebungsluft als Wärmequelle genutzt.
„Moderne Luftwärmepumpen haben hinsichtlich ihrer Energieeffizienz aufgeholt“, sagt Marek Miara vom Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg. Auch wenn sie weniger effizient sind als Wärmepumpen, die Grundwasser oder Erde als Wärmequelle nutzen, gehört diese Technologie zu den meistverwendeten Heizungsarten. Eigenheimbesitzer mit einer begrenzten Grundstücksfläche schätzen sie, weil eine Luft-Wasser-Wärmepumpe im Garten aufgebaut werden kann und wenig Platz benötigt. Zudem sind sie unkompliziert und günstiger als die beiden anderen Wärmepumpentechnologien
Quelle: Panasonic
Wärmepumpe und Altbau?
Viele Verbraucher befürchten, dass eine Entscheidung für die Wärmepumpentechnologie mit einer Lawine an teuren Sanierungsmaßnahmen gekoppelt ist. Doch das ist nicht immer der Fall. Hersteller und Planer entwickeln Anlagen und Konzepte, die einen effizienten Betrieb der Wärmepumpe auch in den allermeisten un- oder teilsanierten Bestandsgebäuden gewährleisten.
Wärmeverlust vermeiden
Grundsätzlich ist ein Wärmepumpenbetrieb dann effizient, wenn die Wärmeverluste gering sind. Außerdem ist der Wirkungsgrad von Wärmepumpen abhängig von der Vorlauftemperatur im Heizkreislauf. Idealerweise drückt man sie auf 30 Grad Celsius. Das sind 20 bis 30 Grad weniger als bei konventionellen Gas- oder Ölheizungen. Im Gegenzug müssen in einem Gebäude, das Wärmepumpen zum Beheizen nutzt, die Flächen, die Wärme abgeben, größer sein als die konventionellen Heizkörper. Wer eine Fußbodenheizung oder eine Wandheizung einsetzt, ist also im Vorteil.
Der Bundesverband für Wärmepumpen beschreibt einen Test, mit dem Du selbst feststellen kannst, ob Deine Immobilie die Voraussetzungen für eine Wärmepumpe erfüllt: Wenn Du an einem kalten Tag die Vorlauftemperatur Deines Heizkessels auf 50 Grad einstellst, danach alle Thermostate der Heizkörper aufdrehst, es gemütlich warm wird und es im Verlauf mehrerer Tage auch bleibt, reichen Energiestandard und Heizflächen für den Betrieb einer Luftwärmepumpe aus.
Wird es im Haus nicht angenehm warm, solltest Du überlegen, ob eine Luftwärmepumpe die richtige Wahl ist. „Allerdings zeigen die Ergebnisse aus unseren Felduntersuchungen, dass so hohe Vorlauftemperaturen auch bei nicht sanierten Häusern sehr selten vorkommen“, sagt Marek Miara vom ISE. Oft seien auch kleine Sanierungsmaßnahmen ausreichend. Der Wärmepumpenspezialist hat einen anderen Ansatzpunkt. „Ich würde mich immer zuerst fragen, was muss mit dem Haus gemacht werden, um eine Wärmepumpe zu installieren und nicht, ob ich eine Wärmepumpe installieren soll.“
Rechnet sich eine Wärmepumpe?
Die Kosten für eine Heizungsanlage, die mit Wärmepumpe betrieben wird, setzen sich aus den eigentlichen Gerätekosten, den Kosten für die Erschließung der Wärmequelle, für die Installation, für die Wartung sowie die Kosten für den Stromverbrauch zusammen.
Eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe kostet inklusive der Brunnenbohrung zwischen 17 000 und 30 000 Euro, je nachdem, wie aufwendig die Planung ist und ob Du Grundwassergutachten benötigst.
Die Solewärmepumpe kostet zwischen 12 000 und 15 000 Euro. Wenn Du Erdkollektoren verlegen lassen möchtest, solltest Du mit Installationskosten von 20 bis 50 Euro pro Quadratmeter rechnen. Das sind bei etwa 150 Quadratmetern zusätzliche 3000 bis 7500 Euro. Eine Tiefenbohrung kostet etwa 50 bis 75 Euro pro Meter. Bei gesteinshaltigem Untergrund kann es auch teurer werden. Inklusive aller Installationsmaßnahmen kommst Du bei dieser Technik auf Kosten zwischen 18 000 und 23 000 Euro.
Der Vorteil einer Luft-Wasser-Wärmepumpe ist, dass Du das Gerät in Deinem Garten installieren kannst und keine aufwendige Erschließung der Wärmequellen betreiben musst. Inklusive der Installation beträgt die Gesamtinvestition für eine Luft-Wasser-Wärmepumpenheizung etwa 20 000 Euro.
Die Betriebs- und Wartungskosten einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe mit 10 000 kWh/Jahr inklusive einer jährlichen Wartung liegen bei 700 Euro. Bei einer Erdwärmepumpenheizung kommst Du etwa auf 900 Euro und bei einer Luft-Wasser-Wärmepumpe auf etwa 1000 Euro.
Die Stromkosten für ein effizientes Heizsystem mit Wärmepumpe liegen laut einer Analyse des Vergleichsportals Verivox im bundesweiten Durchschnitt deutlich unter den herrschenden Öl- und Gaskosten. So ist die Gesamtinvestition für eine Heizungsanlage, die auf der Wärmepumpentechnologie basiert, hoch, sie amortisiert sich aber in den ersten zehn Jahren.
Quelle: Bundesverband Wärmepumpe (BWP) e.V.
Kombinierst Du Deine Wärmepumpentechnik mit einer Photovoltaikanlage, kannst Du die Stromkosten für die Wärmepumpe erheblich reduzieren. Mit einem zusätzlichen Stromspeicher, der Dir Strom auch in Zeiten zur Verfügung stellt, in denen die Sonne nicht scheint, lässt sich dieser Wert noch steigern.
Immer hilfreich: der Rat von Experten
Die Zusammenarbeit mit einem Energieberater und einem Fachbetrieb ist bei Modernisierungsprojekten immer eine gute Entscheidung.
Erfahrene Fachleute entwickeln Lösungen, die auf Deine Situation zugeschnitten sind. Außerdem beraten sie Dich, wenn Du staatliche Förderungen im Rahmen der Bundesförderung effiziente Gebäude (BEG) und den KfW-Programmen für energieeffizientes Bauen und Sanieren in Anspruch nehmen möchtest.
Ab März 2023 gilt zudem die Bundesförderung Klimafreundlicher Neubau.
Das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle hat zudem eine Liste der förderfähigen Wärmepumpen erstellt.
Quellen:
https://www.umweltbundesamt.de/umwelttipps-fuer-den-alltag/heizen-bauen/waermepumpe#gewusst-wie
https://www.ise.fraunhofer.de/de/daten-zu-erneuerbaren-energien.html
https://www.bundesregierung.de/breg-de/aktuelles/energieeffiziente-neubauten-2038426
https://www.ffe.de/subtopics/wie-heizen-wir-in-zukunft/
Volker Quaschning: Erneuerbare Energien und Klimaschutz, Carl Hanser Verlag 2021
