Funktion von Wärmepumpen im Überblick

Gastbeitrag von Kerstin Bruns, Kesselheld.de

Der Trend zu regenerativen Energien wird immer größer und bewegt Bauherren dazu über umweltbewusstes Heizen nachzudenken. Hintergründe sind zum Einen die stetig steigenden Energiepreise, zum Anderen aber auch die Vorgaben bezüglich des Klimaschutzes. So sind Bauherren über das Erneuerbare Wärme Gesetz verpflichtet mindestens 15 Prozent der für die Beheizung genutzten Wärme aus erneuerbaren Energien zu beziehen. Eine der Möglichkeiten ist der Einsatz von Wärmepumpen in der Heizung.

Wie funktionieren Wärmepumpen überhaupt?

Eine Wärmepumpe pumpt Wärme von einem tieferen Temperaturniveau auf einen höheren Wärmezustand. Bereits ab Temperaturen von null, fünf oder zehn Grad ist sie in der Lage Wärme zu sammeln und in Heizenergie umzuwandeln. So entzieht Sie dem Erdreich, dem Wasser oder der Luft Wärme und gibt diese an einen Wärmetauscher ab, der Verdampfer genannt wird. In diesem verdampft ein flüssiges Kältemittel (zum Beispiel Propan), das gasförmig wird. Um nun den gewünschten Temperaturanstieg zu erreichen wird ein Motor (Kompressor) benötigt, der das Gas unter hohen Druck setzt und damit dessen Temperatur anhebt. Im zweiten Wärmetauscher, dem Verflüssiger, gibt dieses Kältemittel nun die Wärme an den Heizkreislauf ab und sorgt für wohlige Wärme im Haus. Ein nachgeschaltets Expansionsventil kühlt das gasförmige Kältemittel wieder ab, damit es flüssig wird und der Kreislauf von vorn beginnen kann.

Woher kommt der Strom für die Wärmepumpen?

Auch eine Wärmepumpe ist nicht frei von Kritik, die sich insbesondere in Nachhaltigkeitsdiskussionen zum Stromverbrauch äußert. Zwar bietet einen Wärmepumpe dem Eigentümer eine Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen, jedoch benötigt sie auch Strom für eine reibungslose Funktionsweise. Immerhin werden selbst bei einer effizienten Wärmepumpe 25 % der Wärmeenergie über Heizstrom bezogen, damit der Kompressor angetrieben werden kann. Wer eine Photovoltaikanlage besitzt kann diese optimal mit einer Wärmepumpe verbinden und nachhaltigen Ökostrom erzeugen. Dies führt jedoch im Winter zu Problemen, da in den kalten Monaten nur wenig Strom über eine Solarstromanlage bereit gestellt werden kann. Hier bestünde die Möglichkeit einen zweiten Stromzähler für Wärmepumpenstrom anzuschaffen, da dessen Bezug günstiger als gewöhnlicher Haushaltsstrom ist. Dies ist jedoch weniger nachhaltig, als Ökostrom aus Photovoltaik- oder Windkraftanlagen zu beziehen.

Einflussfaktoren für einen nachhaltigen Stromverbrauch bei der Wärmepumpe

Damit Sie mit einer Wärmepumpe tatsächlich nachhaltig Strom verbrauchen können, ist eine hohe Jahresarbeitszahl notwendig. Diese gibt an wieviel Einheiten Wärme mithilfe des Stroms erzeugt werden. Erst ab einer Jahresarbeitszahl von drei arbeitet eine Wärmepumpe wirtschaftlich sinnvoll und bringt die gewünschten Heizkosteneinsparungen. Eine möglichst niedrige Temperatur wirkt sich positiv auf die Arbeitszahl der Wärmepumpe aus. Daher gilt: Je wärmer die Wärmequelle, umso ökonomischer kann Energie bereitgestellt werden. Denn die Pumpe muss in einem solchen Fall deutlich weniger leisten. Vor diesem Hintergrund ist darauf zu achten, dass der Temperaturunterschied zwischen dem Energieträger (Wasser, Sole, Erde) und der Vorlauftemperatur der Pumpe nicht zu hoch ausfällt. Andernfalls wird ungewollt mehr elektrische Energie benötigt, um den Kompressor anzutreiben. Im Endeffekt resultieren daraus höhere Betriebskosten und der Einspareffekt, der mit einer Wärmepumpe eigentlich erzielt werden soll, wird verfehlt. Informierte Bauherren kombinieren ihre Wärmepumpe daher häufig mit einer Fußboden- oder Wandheizung, da sie geringe Vorlauftemperaturen benötigen und damit zur mehr Effizienz führen.

Luft als Wärmequelle

Damit Wärme aus der Luft gewonnen werden kann, ist ein Ansaugsystem zu installieren. Allerdings hat diese Form der Energiegewinnung den Nachteil, dass die Luft im Winter besonders kalt ist. Daher verfügt diese Art der Wärmepumpe in den Wintermonaten über den schlechtesten Wirkungsgrad. Das liegt an der erhöhten Pumpenleistung und dem erhöhten Stromverbrauch. Bei einer Lufttemperatur von +2 bis -5 Grad kann sie als alleinige Heizung eingesetzt werden. Sie ist von allen Arten der Wärmepumpe die günstigste, da auf Bohrungsarbeiten verzichtet wird.

Heizen mit Erdwärme

Diese Variante hat den großen Vorteil, dass Bauherren beim Einsatz der Wärmepumpe auf einen zusätzlichen Kessel verzichten können. Denn das Erdreich hat das ganze Jahr über eine ziemlich konstante Temperatur von 8- 10 Grad Celsius und stellt damit immer ein konstantes Temperaturniveau zur Verfügung. Insbesondere die oberen Erdschichten sind für die Nutzung der Wärmepumpe, die in diesem Zusammenhang auch als oberflächennahe Geothermie bekannt ist, von Bedeutung. Bauherren können zwischen zwei Varianten wählen, um Wärme aus dem Erdreich zu gewinnen: Die erste Möglichkeit umfasst sogenannte Flächenkollektoren, die schlangenförmig unter der Erde verbaut werden. Innerhalb des verlegten Rohrsystems fließt Sole. Daher wird diese Form auch Sole-Wasser-Wärmepumpe genannt. Wichtig ist, dass die Grundstücksfläche mindestens doppelt so groß sein sollte wie die zu beheizende Wohnfläche. Dies erfordert viel Platzbedarf, der weder bebaut noch bepflanzt werden darf. Aber auch bei kleineren Grundstücken kann das Erdreich genutzt werden. In einem solchen Fall bieten sich Erdsonden an, die bis zu 100 Metern senkrecht in die Erde gebohrt werden können. Falls mehrere Sonden einzusetzten sind, ist darauf zu achten, dass ein Abstand von 5 Metern zwischen den einzelnen Erdsonden eingehalten wird.

Energiequelle Wasser

Grundwasser wird mithilfe einer Förderpumpe nach oben gepumpt. Über einen Schluckbrunnen fließt es anschließend wieder zurück. Wer sich für Wasser als Energiequelle entscheidet hat den Vorteil, dass es ebenfalls über sehr konstante Temperaturen verfügt. Achtung: Die Entnahme des Grundwassers aus dem Erdreich bedarf der Genehmigung. Insbesondere bei Wasser-Wärmepumpen mit einer Leistung von über 10 kW profitieren Bauherren von wirtschaftlichen Vorteilen zum Beispiel gegenüber einer Erdwärmepumpe. Dies liegt daran, dass kein Wärmetauscher in der Erde nötig ist. Darüber lassen sich Wärmeverluste bereits beim Beziehen der Wärme reduzieren. Dies ermöglicht hohe Jahresarbeitszahlen von bis zu 5 kW. Der hohen Effizienz stehen jedoch aufgrund der Brunnenanlage hohe Baukosten entgegen.

Wärmepumpen können eine gute Alternative zu Gas- und Ölheizungen sein

Eine Wärmepumpe erweist sich trotz der zunächst höheren Anschaffungskosten sowie der Einhaltung bestimmter Voraussetzungen als nachhaltige Lösung: Schadstoffemissionen sinken im Vergleich zur klassischen Gas- oder Ölheizung deutlich, da die Wärmepumpe 75 Prozent der benötigten Energie aus der Umwelt gewinnt. Außerdem amortisiert sich diese Heizungsart in der Regel in rund 10 Jahren durch eine deutliche Senkung der jährlichen Heiz- und Betriebskosten. Dennoch sollte sie immer beachten, dass eine Wärmepumpe lediglich bei einer guten JAZ eine rentables Heizsystem darstellt.