Die Wärmepumpe - eine Glanzleistung an Effizienz

Die Wärmepumpe – Wie funktioniert sie eigentlich?

Die Wärmepumpe nutzt die ständig im Erdreich, im Grundwasser oder in der Luft vorhandene Warme und „pumpt“ diese auf die benötigte Heiztemperatur. Die Wärmepumpe arbeitet mit der gleichen Technik wie ein Kühlschrank, nur mit umgekehrtem Prinzip: Während der Kühlschrank die Wärme den Lebensmitteln entzieht und an der Rückseite nach außen abgibt, entnimmt die Wärmepumpe die Wärme der Umwelt – pumpt sie durch den Kompressor auf eine höhere Temperatur – und gibt sie an die Heizung oder zur Warmwasserbereitung ab. Damit dieser Prozess funktioniert, benötigt sie elektrischen Strom.

Wärme, die dem Außenbereich entzogen wird, wird oft als Umweltenergie bezeichnet. Die Umweltenergie kann aus dem Grundwasser, dem Erdreich oder der Außenluft gewonnen werden.

Warum die Temperatur über die Effizienz der Wärmepumpe entscheidet

Die Effizienz jeder Wärmepumpenheizung steht und fällt mit der Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Vorlauftemperatur des Heizungswassers. Je größer die Differenz, desto schlechter die Effizienz (Jahresarbeitszahl). Jedes Grad Temperaturdifferenz hat rund 2,5 % Einfluss auf die Effizienz. Und damit auf den Strombedarf und den ökologischen Nutzen der Wärmepumpe.

Die Temperaturen der Wärmequellen Grundwasser, Erdreich und Luft

Die Grundwassertemperatur beträgt auch im Winter im Mittel 5 bis 10 °C, bei Erdsonden als Wärmequelle für die Wärmepumpe liegt die Soletemperatur im Mittel im Winter etwa bei 0 °C, bei Luftwärmepumpen - je nach Standort - um einige Grad tiefer.

Die Temperatur auf der Wärmeabgabeseite

Genauso wichtig wie hohe Temperaturen der Wärmequelle sind niedrige Temperaturen auf der Wärmeabgabeseite. Vorlauftemperaturen weit über 50 °C werden irgendwann kritisch. Niedrige Vorlauftemperaturen werden dann erreicht, wenn der Energiestandard des Gebäudes gut und die Wärmeabgabeflächen groß sind. Meistens ist - hydraulisch bedingt - ein Speicher zwischen Wärmepumpe und Heizkreis geschaltet. Die Ladetemperatur des Speichers liegt immer nochmals um einige Grad höher als die erforderliche Vorlauftemperatur des Heizkreises.

Das Temperaturdilemma der Wärmepumpe

Je kälter, desto niedriger ist die Effizienz der Wärmepumpe (weil die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Heizungsvorlauf steigt), und umso höher ist der Wärmebedarf des Gebäudes. Eine Luftwärmepumpe erreicht Vergleich zu einer Erdsonden-Wärmepumpe im selben Gebäude eine um ca. 30 bis 50 % geringere Effizienz.

Zusätzlicher Stressfaktor Warmwasserbereitung

Ein Stressfaktor für jede Wärmepumpe ist die Warmwassererzeugung. Hohe Temperaturen, hohe Verteilverluste (Zirkulationsleitung!) und die Einhaltung von Normen (Legionellenverordnung) führen zu sehr geringen Wirkungsgraden. Die Gesamteffizienz der Wärmepumpenanlage kann da schon einmal auf 2,5 absaufen (sollte aber – siehe weiter unten – über 4 sein). In Gebäuden mit niedrigem Heizwärmebedarf wird gleichviel Energie für die Warmwasserbereitung benötigt, wie fürs Heizen selbst.

Im gut sanierten Wohnhaus läuft die Wärmepumpe zur Höchstform auf.

Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe – die Jahresarbeitszahl JAZ

Die Jahresarbeitszahl (JAZ) sagt aus, wie viel Wärme aus dem eingesetzten Strom erzeugt wird. Zum Beispiel bedeutet eine JAZ von 4 für eine elektrische Wärmepumpe, dass für die Erzeugung von 4 kWh Nutzwärme 1 kWh elektrischer Strom erforderlich ist (und somit 3 kWh Energie aus der Umwelt gewonnen wurden). Konkret bezeichnet sie das Verhältnis von jährlich produzierter Wärmemenge (für Heizung und Warmwasser) zur dafür eingesetzten Strommenge.

Im Gegensatz zum vom Hersteller angegebenen COP-Wert berücksichtigt die Jahresarbeitszahl alle Betriebszustände, die während eines Jahres im jeweiligen System vorkommen. Nur die Jahresarbeitszahl ist deshalb geeignet, die Effizienz einer Wärmepumpenheizung objektiv zu beurteilen.

Die Jahresarbeitszahl (JAZ) darf nicht mit dem COP-Wert der Wärmepumpe verwechselt werden. Der COP-Wert ist ein Messwert auf einem Prüfstand und gibt die Effizienz nur bei einem bestimmten Betriebspunkt an und wird vor allem in Datenblättern und Werbeprospekten angeführt.

Die Jahresarbeitszahl kann sowohl in der Planungsphase errechnet, als auch im Betrieb nachgewiesen werden. Erforderlich ist dafür ein eigener Stromzähler für die Wärmepumpe und ein Wärmemengenzähler im Heizkreis. Das ist übrigens auch eine Voraussetzung, damit die Wärmepumpe vom Land gefördert wird (mehr zu Förderungen weiter unten).

Warum soll die Jahresarbeitszahl JAZ größer als 4 sein?

Weil: Je höher die Jahresarbeitszahl, desto geringer ist der Strombedarf und desto niedriger sind die Umweltauswirkungen.

1. Strombedarf: Bei einer JAZ von 3 braucht die Wärmepumpe ein Drittel (!) mehr Strom, um die benötigte Wärme bereitzustellen, als bei einer JAZ von 4.
2. Umweltauswirkungen: Für die Klimarelevanz der Wärmepumpenheizung entscheidend ist die Art der Stromproduktion, wenn für Heizung und Warmwasser zusätzlich Strombedarf entsteht. Der stammt im Winter vor allem aus fossilen Kraftwerken und ist entsprechend CO₂-belastet. Erst ab einer JAZ von 3 ist die CO₂-Bilanz einer Wärmepumpenheizung nennenswert besser als jene einer Öl- oder Gasheizung. Bei einer JAZ von 4 beträgt die CO₂-Einsparung gegenüber einem fossilen Heizsystem rund 30 bis 50 %.

Erst ab einer Jahresarbeitszahl von 3 ist die CO₂-Bilanz einer Wärmepumpe nennenswert besser als jene einer Öl- oder Gasheizung.

Was sollte ich beachten, bevor ich mich für eine Wärmepumpe als Ersatz des Ölkessels entscheide?

Idealerweise liegen die Vorlauftemperaturen für eine Wärmepumpe unter 35 Grad. Neue Flächenheizungen wie Fußboden- oder Wandheizungen schaffen das. Aber auch bestehende Radiatoren, wenn das Gebäude thermisch saniert wurde. Vorlauftemperaturen über 50 Grad werden hingegen irgendwann einmal kritisch. Die Stromkosten steigen und die Ökobilanz ist mitunter schlechter, als beim Ölkessel zuvor.

Die Wärmepumpe freut sich über Unterstützung - hier durch eine thermische Solaranlage.

Ist die Kombination von Wärmpepumpe und Photovoltaik-Anlage sinnvoll?

Die Kombination einer Wärmepumpe mit einer PV-Anlage ist grundsätzlich möglich und sinnvoll. Allerdings deckt die PV nur einen relativ geringen Anteil des Strombedarfes der für die Wärmepumpe im Winter nötig ist. Dies liegt hauptsächlich daran, dass im Winter das solare Angebot und die Erträge der PV-Anlage am geringsten sind. Die Energiebilanz über das ganze Jahr kann zwar ausgeglichen sein, aber der durch die Wärmepumpe direkt genutzte Anteil am selbst produzierten Strom liegt in der Regel nicht über 10 bis 15 % (Basis: EFH Neubau, 4 Personen, 5 kWp).

Auch bei eigener PV-Anlage stammt der große Teil des Stroms für die Wärmepumpe im Winter aus dem Netz und damit aus Kohle- und Gaskraftwerken.

Was gibt es speziell bei Luftwärmepumpen noch zu beachten?

Die Außeneinheit einer Luftwärmepumpe kann Geräusche in nennenswerter Lautstärke produzieren. Für die Schallimmissionen von Luftwärmepumpen gelten behördlich festgelegte Grenzen. Für den konkreten Aufstellungsort wird das vorab durch den Installationsbetrieb geprüft. Unmittelbar beeinflussen lässt sich die Geräuschentwicklung durch den Aufstellungsort und die Dimensionierung der Außeneinheit. Eine Genehmigung durch die Gemeinde ist erforderlich. Alle Luftwärmepumpen benötigen systembedingt Energie, um das Vereisen des Wärmetauschers zu verhindern. Dabei kommen je nach Hersteller verschiedene Konzepte mit unterschiedlich hohem Energiebedarf zum Einsatz. Nachfragen lohnt sich.

Werfen Sie auch einen Blick in unseren Leitfaden zur Aufstellung von Luft-Wasser-Wärmepumpen und unseren Planungsleitfaden Luft-Wasser-Wärmepumpen mit hilfreichen Grundlagen.

Auch wenn's draußen schneit: Die Wärmepumpe heizt richtig ein.

Welche Förderungen gibt’s für Luftwärmepumpen, Erdsonden-Wärmepumpen und Grundwasser-Wärmepumen?

Wärmepumpen sind Heizsysteme, die erneuerbare Energieträger (Umweltwärme) nutzen. Deren Installation wird deshalb von Bund, Land und in Vorarlberg auch von den Energieversorgern gefördert. Details dazu hier.

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Werkzeuge und Beratung rund um die Wärmepumpe