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So funktioniert das Heizen mit einer Wärmepumpe
Wärmepumpen nutzen die Wärme von Luft, Grundwasser oder dem Erdboden zum Heizen oder Kühlen von Gebäuden. Da sie die Umweltwärme nutzbar machen, sind sie ein nachhaltiges Heizsystem mit enormem Zukunftspotenzial.
26.01.2023
Lesedauer: 11 Minuten
Funktionsweise der Wärmepumpe
Eine Wärmepumpe entzieht, angetrieben von elektrischem Strom, der natürlichen Umgebung Wärme und macht sie für Heizzwecke und Warmwasseraufbereitung nutzbar. Im Gegensatz zu einer rein elektrischen Heizung kann ein Vielfaches der eingesetzten elektrischen Energie in Wärmeenergie umgesetzt werden. Bei Verwendung von Strom aus erneuerbaren Energien ist diese Form der Wärmegewinnung besonders umweltschonend.
Unser Video zum Heizen mit Wärmepumpen
So kommt die Umweltwärme ins Heizsystem
Als Wärmequellen können beispielsweise Außenluft, Abluft, Grundwasser, Oberflächenwasser oder Erdwärme dienen. Um die außerhalb des Gebäudes liegenden Wärmequellen für die Heizung innerhalb des Gebäudes nutzen und die gewünschten Temperaturen bereitstellen zu können, arbeitet die Wärmepumpe mit Kältemitteln, welche in einem Kreislauf zirkulieren und als Transportmedium dienen.
Gut zu wissen: Moderne Kältemittel – wie Propan – sind nicht mehr ozonschädlich und haben ein deutlich reduziertes CO2-Potenzial. Darüber hinaus sind sie so leistungsfähig, dass auch bei niedrigen Außentemperaturen ausreichend Wärme im Gebäude zur Verfügung steht. Aktuell wird Propan überwiegend in Monoblock-Luft-Wasser-Wärmepumpen genutzt.
Das Prinzip des Kältekreisprozesses
Der Kältekreisprozess ist das Herzstück der Wärmepumpe. Das Funktionsprinzip ist bei allen Bauformen gleich, egal, welche Wärmequelle (Luft, Wasser, Umgebung etc.) genutzt wird.
Der Kältekreisprozess besteht aus vier Schritten:
1. Verdampfen
Im Verdampfer nimmt das flüssige Kältemittel Wärme (z. B. aus der Umgebungsluft) auf. Es verdampft und wird gasförmig.
2. Verdichten
Durch einen Kompressor wird der Druck auf das Gas erhöht. Dadurch steigt auch die Temperatur des Gases.
3. Verflüssigen
Im Verflüssiger gibt das Kältemittel Wärme an das Heizsystem des Gebäudes ab, wodurch es wieder flüssig wird.
4. Entspannen
Ein Expansionsventil senkt den Druck wieder ab. Auf dem ursprünglichen Druck- und Temperaturniveau angelangt, wird das Kältemittel zurück in den Verdampfer geleitet.
Dieser Ablauf wiederholt sich kontinuierlich und bildet somit einen geschlossenen Kreislauf, der stetig nutzbare Wärme für Raumheizung und/oder Brauchwasser liefert. Das Kältemittel verdampft aufgrund seiner Eigenschaften bereits bei niedrigen Quelltemperaturen. Dadurch kann auch an sehr kalten Tagen für die Raumheizung und Warmwasser nutzbare Wärme gewonnen werden.
Welche Bauformen gibt es?
Luft-Wasser-Wärmepumpe
Bei dieser Bauform wird die Außenluft mithilfe eines Ventilators angesaugt und als Wärmequelle genutzt. Dabei umströmt die Außenluft feine Rohre, durch die Kältemittel fließt. Das Kältemittel nimmt die Wärme der Außenluft auf und durchläuft den oben beschriebenen Kältekreisprozess. Die Effizienz hängt also von der Außentemperatur ab. Die gewonnene Wärme dient der Erwärmung von Wasser für den Heizungskreislauf oder Brauchwasser.
Luft-Wasser-Wärmepumpen sind effizient und platzsparend, deswegen sind sie sowohl für Neubauten als auch für Bestandsgebäude gut geeignet. Sie sind nicht genehmigungspflichtig und punkten mit niedrigen Wartungs- und Betriebskosten. Wenn Sie mit Ökostrom betrieben oder sogar mit der eigenen Photovoltaikanlage kombiniert werden, schonen sie die Umwelt besonders. Die Installation ist weniger aufwendig als bei anderen Wärmepumpenarten, sodass der Einbau günstiger ist. Die Kosten können zudem durch die KfW und das BAFA gefördert werden.
Wasser-Wasser-Wärmepumpe
Wasser-Wasser-Wärmepumpen (oder Grundwasserwärmepumpen) beziehen die thermische Energie mithilfe zweier Brunnen aus Grundwasserreservoirs. Die Temperaturen sind hier das ganze Jahr über weitgehend konstant. Das ermöglicht eine hohe Heizleistung und sehr hohe Effizienz, egal zu welcher Jahreszeit.
Die Funktionsweise ist der Luft-Wasser-Wärmepumpe sehr ähnlich. Sie unterscheidet sich lediglich in einigen baulichen Komponenten. Die Wasser-Wasser-Wärmepumpe arbeitet mit zwei Brunnen – einem Saugbrunnen und dem Schluckbrunnen. Über den Saugbrunnen wird Grundwasser angepumpt. Im Verdampfer nimmt das Kältemittel die Wärme auf. Über den Schluckbrunnen gelangt das Grundwasser zurück ins Erdreich.
Wasser-Wasser-Wärmepumpen gelten als die effizientesten Wärmepumpen. Sie brauchen nur wenig Platz und haben überschaubare Betriebskosten. Da die Temperatur des Grundwassers recht stabil ist, ist auch die Wärmeübertragung konstant. Allerdings ist eine Installation nicht in Wasserschutzgebieten möglich und die Installation ist mit einem verhältnismäßig hohen Planungsaufwand verbunden. Die Abhängigkeit vom Grundwasserspiegel wirkt sich auch auf die ohnehin nicht geringen Anschaffungskosten aus. Die Investition kann jedoch durch staatliche Förderungen (KfW oder BAFA) abgepuffert werden.
Sole-Wasser-Wärmepumpe
Sole-Wasser- oder Erdwärmepumpen nutzen die thermische Energie des Erdbodens. Die Erdwärme wird mithilfe von Erdwärmekollektoren oder Erdsonden gesammelt und an die Wärmepumpe übertragen. Auch hier können das ganze Jahr über weitestgehend konstante Temperaturen genutzt werden, was die Sole-Wasser-Wärmpumpe sehr effizient macht. Erdwärmekollektoren werden unter der Erdoberfläche unterhalb der Frostgrenze großflächig installiert und sammeln über ein Rohrsystem Wärme aus dem oberflächennahen Erdboden. Erdsonden können bei kleinen Grundstücksflächen zum Einsatz kommen, wo eine Umsetzung von Kollektoren nicht möglich ist.
Sie sind auch eine Lösung für Bestandsgebäude, bei denen der Garten meist voll angelegt ist. Durch eine Tiefenbohrung zirkuliert eine Sole, welche die Wärme aus tiefen Bodenschichten von über 100 Metern fördert. Die Erdarbeiten sind mit einem verhältnismäßig hohen Planungsaufwand verbunden und genehmigungspflichtig. Außerdem tragen sie zu hohen Anschaffungskosten bei, die aber über staatliche Förderungen abgepuffert werden können. Die Betriebskosten sind hingegen überschaubar, da das System sehr wartungsarm ist.
Luft-Luft-Wärmepumpe
Die Luft-Luft-Wärmepumpe überträgt die Umgebungswärme der Luft ausschließlich über Lüftungssysteme ins Haus. Dadurch ist sie besonders platzsparend und mit einem geringen Installationsaufwand verbunden. Auch ist keine Genehmigung für den Einbau erforderlich. Sie wärmt, lüftet und filtert die Raumluft und hat dabei nur geringe Betriebskosten. Für warmes Wasser wird allerdings eine zusätzliche Wärmequelle benötigt.
Da die Effizienz nicht so hoch ist wie bei anderen Wärmepumpenarten, eignet sich diese Version der Luft-Wärmepumpe vor allem für gut gedämmte Neubauten. Bei schlechter Dämmung wäre ein Betrieb unwirtschaftlich. Wer sich für eine Luft-Luft-Wärmepumpe entscheidet, kann ebenfalls staatliche Fördermittel beantragen. Allerdings fällt die Förderung nicht so hoch aus wie bei einer effizienten Wärmepumpe, die das Grundwasser oder das Erdreich als Wärmequelle nutzt.
Vorteile von Wärmepumpentechnik
Wärmepumpen nutzen kostenfreie und unbegrenzt verfügbare Umweltenergien. Sie sind umweltschonend, vor allem, wenn sie mit Solarstrom oder Ökostrom betrieben werden, und werden deshalb immer beliebter. Außerdem haben sie viele weitere Vorteile:
Einsparung von Heizkosten
Wärmepumpenanlagen nutzen unter optimalen Bedingungen Strom effizient zur Wärmeerzeugung und haben dadurch deutliche Vorteile gegenüber Öl- oder Gasheizungen. Auf lange Sicht führt das auch mit Blick auf die Energiepreisentwicklungen zu Einsparungen für den Verbraucher.
Lukrative Fördermittel
Für Um- und Neubauten gibt es verschiedene Förderprogramme der KfW und des BAFA. Diese können als Kredite und Zuschüsse beantragt werden und helfen, die höheren Investitionskosten zu decken. So übernimmt das BAFA bis zu 45 Prozent der Kosten beim Einbau einer effizienten Wärmepumpe.
Niedrige Emissionen
Wärmepumpentechnik ist umweltfreundlich, da sie ihre Wärme aus der Umgebung bezieht. Bei ihrem Betrieb werden keine Emissionen verursacht, da kein Verbrennungsvorgang stattfindet. Lediglich der für den Betrieb notwendige Strom kann CO2-Emissionen verursachen, solange er nicht regenerativ erzeugt wird.
Einsparung der Schornsteinfegerkosten
Da kein Verbrennungsvorgang beim Heizen mit Wärmepumpentechnik stattfindet, entfallen die Kosten für regelmäßiges Kehren und die Abgaskontrolle durch den Schornsteinfeger. Während der Schornstein bei Bestandsbauten nicht mehr notwendig ist, kann bei Neubauten komplett auf seinen Bau verzichtet werden.
Multifunktionalität
Viele Wärmepumpenanlagen können sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen verwendet werden. Während zum Heizen die Temperatur aus der Umwelt erhöht wird, um sie in die Heizung einzuspeisen, wird dieser Prozess zum Kühlen einfach umgekehrt. Die Wärmepumpe entzieht dem zu kühlenden Raum Wärme und gibt diese an die Umgebung ab, wie ein Kühlschrank.
Geringer Verschleiß
Wärmepumpen arbeiten quasi verschleißfrei. Bei der jährlichen Wartung der Luft-Wasser-Wärmepumpe werden lediglich der Kältemittelkreislauf überprüft und eine Reinigung vorgenommen. Luft-Luft-Wärmepumpen brauchen ab und an einen Filterwechsel. Durch den geringen Verschleiß sind die Wartungskosten sehr überschaubar.
Voraussetzungen für den Einbau einer Wärmepumpe
Im Neubau gehören Wärmepumpen zu den am häufigsten installierten Heizungssystemen. Doch auch im Altbau können sie nachgerüstet werden. Dabei eignet sich vor allem die Luft-Wasser-Wärmepumpe, da diese ohne großen Aufwand installiert werden kann.
Beim Nachrüsten einer Wärmepumpe im Altbau spielen zwei Voraussetzungen eine wichtige Rolle:
1. Dämmung
Allem voran geht grundsätzlich eine gute Dämmung von Wänden und Fenstern des Gebäudes. Diese vermeidet, dass Wärme verloren geht und reduziert den Heizbedarf. Sie ist also eine Grundvoraussetzung für den effizienten Betrieb einer Wärmepumpe und eine Minimierung des Stromverbrauchs.
2. Heizfläche
Für das Heizen mit Wärmepumpenheizungen gilt: Je größer die Heizflächen, desto besser. Fußboden- oder Wandheizungen eignen sich besonders, da sie größere Grundflächen haben. Das ermöglicht dem zirkulierenden Heizwasser in der Fläche mehr Wärme abzugeben, ohne dass dafür hohe Temperaturen notwendig sind.
Ob sich eine Wärmepumpe im individuellen Fall lohnt, lässt sich am besten durch eine energetische Beratung klären. Wer sich für einen individuellen Sanierungsfahrplan (iSFP) entscheidet, bekommt nicht nur den Besuch des Energieberaters mit 80 Prozent der Kosten bezuschusst, sondern auch eine Förderung auf die Umsetzung vorgeschlagener Maßnahmen.
Welche Wärmepumpe eignet sich im Altbau?
Luft-Wasser-Wärmepumpen sind am besten für die Nachrüstung einer Wärmepumpe in einem bestehenden Gebäude geeignet. Sie sind günstiger in der Anschaffung als andere Wärmepumpenarten, bergen keinen großen Installationsaufwand und sorgen auch bei Minusgraden für eine angenehme Wärme.
Das Leistungsspektrum der Luft-Wasser-Wärmepumpe hängt vom Haus und der Heizungsanlage ab. Wird ein Haus beispielsweise nachträglich gedämmt, können Wärmepumpen oft auch bei zweistelligen Minusgraden noch gut arbeiten.
Für den Fall, dass es im Winter extrem kalt wird, ist in den meisten Wärmepumpen ein Heizstab verbaut. Dieser Heizstab funktioniert wie ein Durchlauferhitzer. Er kommt aber nur im Ausnahmefall zum Einsatz.
Vattenfall Fazit
Luft-Wasser-Wärmepumpen bieten bei einer nachträglichen Installation in ein Gebäude das beste Preis-Leistungs-Verhältnis. Das Prinzip von Sole-Wasser- und Wasser-Wasser-Wärmepumpen funktioniert ähnlich, doch für deren Funktion müssen umfangreiche Erdarbeiten durchgeführt werden. Die Luft-Luft-Wärmepumpe hingegen erwärmt lediglich die Raumluft und wird nicht ans Heizsystem angeschlossen.
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Wärmepumpen heizen umweltfreundlich und werden vom Staat gefördert. Die Bundesförderung für effiziente Gebäude fasst seit Juli 2022 alle Zuschüsse für das Heizen mit erneuerbaren Energien in neuen Richtlinien zusammen.
Wärmepumpen gewinnen als effiziente und umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen Heizungssystemen zunehmend an Bedeutung. Die generelle Funktionsweise einer Wärmepumpe ist bei fast allen Wärmepumpen gleich, jedoch unterscheiden sie sich in Hinblick auf die Voraussetzungen, Effizienz und Kosten.
1 Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe, ihre Installation und Inbetriebnahme werden vom Bund mit einem Zuschuss von bis zu 40 % der Kosten gefördert. Die Gesamtförderung setzt sich wie folgt zusammen:
- Basisförderung Luft-Wasser-Wärmepumpe: 25 % der Kosten
- Austausch von funktionstüchtigen Öl-, Kohle- und Nachtspeicherheizungen: 10 % der Kosten. Für den Austausch von funktionstüchtigen Gasheizungen wird ein Bonus von 10 % der Kosten gewährt, wenn ihre Inbetriebnahme zum Zeitpunkt der Antragstellung mindestens 20 Jahre zurückliegt.
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Das förderfähige Mindestinvestitionsvolumen liegt bei 2.000 Euro brutto. Insgesamt sind die förderfähigen Kosten für energetische Sanierungsmaßnahmen von Wohngebäuden pro Wohneinheit und Kalenderjahr auf 60.000 Euro gedeckelt, insgesamt auf maximal 600.000 Euro pro Gebäude.
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Fotos: 1) Vaillant, 2) Vaillant, 3) Wolfilser/stock.adobe.com, 4) Robert Poorten/stock.adobe.com