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Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Wärmepumpen heizen mit Umweltwärme aus Luft, Erde oder Grundwasser und schonen dabei Klima und Geldbeutel. In Kombination mit grünem Strom oder einer eigenen Photovoltaikanlage arbeiten sie klimaneutral. Sie eignen sich vor allem für Neubauten aber in manchen Fällen auch für sanierten Altbau. Wir erklären, was eine Wärmepumpe ist und wie sie funktioniert.

Inhaltsverzeichnis

Klimafreundliche und vor allem klimaneutrale Heizungssysteme werden in den nächsten Jahren eine entscheidende Rolle bei der Umsetzung der Energiewende spielen. Die neue Bundesregierung will, dass ab 2025 alle neu eingebauten Heizungen zu 65 Prozent mit erneuerbaren Energien laufen. Heizungen mit Wärmepumpen können klimaneutral betrieben werden und sind technisch ausgereift. Ihr Einbau wird daher durch staatliche Förderprogramme unterstützt und die Nachfrage nach dieser innovativen Heiztechnologie wächst infolgedessen. So war im Jahr 2020 die Wärmepumpe im Neubau die meistverkaufte Heiztechnologie. Sie könnte zur neuen Standardheizung in Deutschland aufsteigen.

Da es zu der recht jungen Heiztechnologie Wärmepumpe immer wieder viele Fragen gibt, gehen wir tiefer auf das Thema ein. Im Folgenden erklären wir, wie genau eine Wärmepumpe funktioniert, für welche Gebäudetypen sich das Heizsystem eignet und warum Wärmepumpen so klimafreundlich sind.

Funktionsweise einer Wärmepumpe einfach erklärt

Eine Wärmepumpe nutzt minimale Temperaturunterschiede, die in natürlichen Umgebungen vorkommen und erzeugt daraus Energie für die Beheizung von Wohnräumen oder die Warmwasserversorgung. Häufig wird das mit dem umgekehrten Prinzip des Kühlschranks verglichen. Ein Kühlschrank entzieht dem Innenraum Wärme und gibt diese nach außen ab. Eine Wärmepumpe hingegen entzieht dem Außenraum Wärme und gibt diese in das Haus ab.

Als Außenraum dienen Außenluft, das Grundwasser oder der Erdboden, die konstant über eine höhere Temperatur als die so genannten Kältemittel verfügen, die in einer Wärmepumpe eingesetzt werden. Diese Kältemittel, zum Beispiel flüssiges Propan, werden in einem speziellen Leitungssystem durch die natürliche Umwelt geleitet und erwärmen sich dabei – wenn auch nur in geringem Umfang. 

Um diesen minimalen Temperaturunterschied zu nutzen, findet in der Wärmepumpe folgender Prozess statt:

  • Das leicht erwärmte Kältemittel wird in die Wärmepumpe geleitet, wo es in einem Verdampfer zu Gas umgewandelt wird.
  • Dieses Gas wird daraufhin in einem Kompressor durch mechanische Energie verdichtet, wodurch sich dessen Temperatur stark erhöht. Dieser Vorgang benötigt den Zufluss elektrische Energie.
  • Das verdichtete, heiße Gas gibt seine Wärme im nächsten Schritt an den Heizkreislauf ab, indem das darin zirkulierende Wasser erwärmt wird.
  • Durch den Energieaustausch erkaltet das gasförmige Kältemittel und verflüssigt sich wieder.
  • Das flüssige Kältemittel wird erneut in die Umwelt geleitet, wo es sich wieder erwärmt. Der Kreislauf beginnt von neuem.

Eine Wärmepumpe ist also in der Lage, in der Umwelt vorhandene Wärmeenergie aufzunehmen und durch den Einsatz von elektrischer Energie für die Versorgung mit Heizwärme und Warmwasser nutzbar zu machen. Dieser Vorgang funktioniert auch im Winter, denn die Kältemittel sind immer sehr viel kälter als die tiefsten Minusgrade.

Wichtig für den wirtschaftlichen Betrieb einer Wärmepumpe ist immer auch das Heizungssystem. Die meisten Wärmepumpen arbeiten mit sehr niedrigen Vorlauftemperaturen und brauchen daher große Flächenheizungen wie Fußboden- oder Wandheizungen. Kleine Heizkörper, wie sie oft in Altbauten zu finden sind, benötigen eine höhere Vorlauftemperatur und lassen sich daher nicht gut mit einer Wärmepumpe kombinieren. Ohne eine umfangreiche energetische Sanierung ist eine Wärmepumpe in diesem Fall weniger sinnvoll.

Funktionsprinzip Wärmepumpe

Warum ist eine Wärmepumpenheizung klimafreundlich?

Klimafreundlich sind Wärmepumpen generell, da sie die kostenlos vorhandene Energie in Außenluft, Erdreich oder Grundwasser nutzen. Es kommen dann keine fossilen Brennstoffe zum Einsatz. Dafür wird allerdings Strom benötigt. Stammt dieser aus erneuerbaren Energien, kann eine Wärmepumpenheizung sogar klimaneutral arbeiten.

Nachdem bis in die 1990er noch FCKW als Kältemittel gedient hatte, kommen heute nur noch natürliche Kältemittel, also reine Kohlenstoffe, zum Einsatz.

Wärmepumpen generieren aus 1 kWh Strom etwa 3 bis 6 kWh Wärme. Um 100 Prozent Wärmeenergie zu gewinnen, benötigen sie im Durchschnitt 25 Prozent elektrische Energie. Stammt diese elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen, z. B. aus der Photovoltaikanlage auf dem eigenen Hausdach, arbeiten Wärmepumpen klimaneutral. Der CO2-Fußabdruck einer Wärmepumpe im Betrieb ist dann folglich viel geringer als im u. a. deutschen Strommix. Außerdem können sich Hausbesitzer damit vollständig unabhängig von Gas, Öl oder externer Stromlieferung machen.

(1)CO2 (g/kWh)Staub (mg/kWh)SO2 + NOx (mg/kWh)
Heizöl31922309
Gasbrennwert2506136
BHKW207
Wärmepumpe19118230(4)
Infrarot/Stromdirekt55122604(4)
Holzpellets27107452
Solarthermie241766
Fernwärme19859374
Heizungsarten im Vergleich: CO2, Staub, Schwefeldioxid, Stickoxide

Wie effizient arbeitet die Wärmepumpe?

Eine Wärmepumpe arbeitet dann effizient, wenn die eingesetzte Stromenergie kleiner ist als die erzeugte Wärmeenergie. Dieses Verhältnis wird als Jahresarbeitszahl (JAZ) bezeichnet. Sie definiert, wie viele Einheiten Wärme mit einer Einheit Energie pro Jahr im Durchschnitt erzeugt werden.

Die Formel für die Jahresarbeitszahl lautet

JAZ = Heizwärme (kWh/a) / Strom (kWh/a)

Das bedeutet: Bei einer JAZ von 4 erzeugt die Wärmepumpe mit einer Kilowattstunde Strom vier Kilowattstunden Wärme. Je höher die JAZ, desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe. Aktuell gilt eine Wärmepumpe allerdings erst ab eine JAZ von 3 als effizient, da noch zu viel Strom aus Großkraftwerken und nicht aus erneuerbaren Energien stammt.

Wichtig zu erwähnen ist, dass die Angaben der Hersteller immer auf Laborbedingungen basieren und die Heizungen in der Praxis den angegebenen Wert nur selten erreichen. Hausbesitzer sollten sich vorab wirklich gut beraten lassen und die individuellen Voraussetzungen sowie den Wärmebedarf des Hauses berücksichtigen. Wie sich die JAZ entwickelt, muss dann im ersten Betriebsjahr genau beobachtet werden.

Neben der Jahresarbeitszahl spielt auch die Leistungszahl (COP) eine Rolle. Sie bezieht sich aber nur auf das Verhältnis von Nutzwärme zur aufgewendeten Energie und spiegelt lediglich eine Momentaufnahme unter bestimmten Bedingungen. Die Leistungszahl sollte mindestens 3 betragen. Unter 2 gilt eine Wärmepumpe als unwirtschaftlich. 

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Welche Arten einer Wärmepumpenheizung gibt es?

Wärmepumpen nutzen ohnehin vorhandene Umweltwärme und erzeugen Energie ohne klimaschädliche Nutzung fossiler Brennstoffe. Sie beziehen die Energie aus dem Grundwasser, dem Erdreich oder der Luft. Es gibt daher unterschiedliche Wärmepumpen-Systeme, je nach der Quelle, aus der sie Energie beziehen. Denn die technischen Anforderungen unterscheiden sich. Wir stellen sie im Folgenden kurz vor.

Luftwärmepumpe

Die Luftwärmepumpe funktioniert nach dem Prinzip der Aerothermie. Sie bezieht ihre Wärme über einen Ventilator aus der Außenluft, und zwar unabhängig von der Außentemperatur. Selbst bei minus 20 °C heizt eine Luftwärmepumpe, denn das Kältemittel verdampft auch dann noch. Moderne Luftwärmepumpen sind leise und benötigen nicht besonders viel Platz.

Man unterscheidet Luft-Wasser- und Luft-Luft-Wärmepumpen. Letztere nutzen nicht Wasser als Wärmeträger, sondern leiten die Luftwärme direkt ins Heizungssystem und benötigen hierfür keine Heizkörper.

Luftwärmepumpen erreichen eine Jahresarbeitszahl von etwa 3 und sind in ihrer Anschaffung am kostengünstigsten. Außerdem sind sie wartungsarm, platzsparend und können sowohl im Innenraum (zum Beispiel im Keller oder Erdgeschoss) als auch im Außenbereich angebracht werden. Luftwärmepumpen zur Innenaufstellung saugen Luft über Luftkanäle ein und können sogar bereits abgekühlte Raumluft erneut verarbeiten.

Da im Innenraum Kondensat anfällt, muss der Aufstellraum über einen Abwasseranschluss verfügen. Split-Wärmepumpen kombinieren eine Außen- mit einer Inneneinheit.

Bei Luftwärmepumpen spielt die Lautstärke immer eine wichtige Rolle, denn von allen Wärmepumpen sind sie wegen der Ventilatoren die lautesten Systeme. Je nach Leistung steigt auch die Geräuschentwicklung und generell haben Luftwärmepumpen zur Außenaufstellung eine höhere Lautstärke als Geräte zur Innenaufstellung.

Die Lautstärke für Wärmepumpen bemisst sich in Dezibel nach Bewertungskurve A, kurz dB(A). In Innenaufstellung oder bei Splitgeräten erreichen sie bis 50 dB(A), Geräte in reiner Außenaufstellung kommen bis 63 dB(A). Zum Vergleich: Ein Fernseher bei Zimmerlautstärke hat 65 dB(A). Neuere Geräte laufen aber mit sehr viel geringerer Lautstärke und liegen bei 35 dB(A). (2)

Seit Ende 2021 bietet der Markt auch Geräte, die eine Vorlauftemperatur von bis zu 70 °C erreichen und damit nicht unbedingt mit einer Fußbodenheizung kombiniert werden müssen. Bei einer Nachrüstung fällt der Austausch der Heizkörper dann weg, die bestehenden Radiatoren können weiterhin genutzt werden. Dabei arbeiten die Geräte sehr leise und erreichen lediglich Lautstärken von 30 bis 34 dB(A).

Vorteile und Nachteile der Luftwärmepumpe

VorteileNachteile
Aufstellung innen und außen möglichGefahr der Vereisung bei Außenaufstellung aufgrund mangelnder Dämmung
Geringer PlatzbedarfBei Außenaufstellung Heizstab für die Wintermonate notwendig
Geringer Aufwand bei der InstallationRegelmäßige Wartung und Kontrolle des Kältemittels notwendig
Lässt sich im Altbau gut nachrüstenLohnt sich nur bei wirklich guter Dämmung, sonst nicht wirtschaftlich
Gut kombinierbar mit anderen erneuerbaren Energiequellen
Staatliche Förderung und Zuschüsse durch BAFA und KfW
Vergünstigte Stromtarife möglich 

Erdwärmepumpe

Die Erdwärmepumpe, auch Sole-Wasser-Wärmepumpe genannt, basiert auf dem Prinzip der Geothermie. Im Erdreich lagern große Energiemengen. Zur Wärmegewinnung werden entweder oberflächennahe Kollektoren verlegt, die diese thermische Energie aufnehmen und weiterleiten, oder Erdsonden 40 bis 100 Meter tief in die Erde eingebracht. Der Planungsaufwand ist deutlich höher als bei einer Luftwärmepumpe, weil im Vorlauf Baugenehmigungen eingeholt werden müssen.

Die Erdwärmepumpe erreicht mit einer Jahresarbeitszahl von 4 einen hohen Wirkungsgrad. Diese Art der Wärmepumpen erfordern aufgrund der notwendigen Bohr- bzw. Erdarbeiten allerdings höhere Investitionen als andere Heizsysteme.

Vorteile und Nachteile einer Erdwärmepumpe mit Erdkollektor

VorteileNachteile
Staatliche Förderung und Zuschüsse durch BAFA und KfWGroßer Platzbedarf für die Kollektoren
Erdarbeiten auch selbständig möglichWichtiger Faktor der Bodenbeschaffenheit in Bezug auf Effizienz
Einsparen fossiler BrennstoffeNur wirtschaftlich bei optimierter Heizung, da sehr geringe Vorlauftemperatur
Kühlen und heizen 
Gut kombinierbar mit anderen erneuerbaren Energiequellen 
Vergünstigte Stromtarife möglich 

Vorteile und Nachteile einer Erdwärmepumpe mit Erdsonden

VorteileNachteile
Staatliche Förderung und Zuschüsse durch BAFA und KfWAufwendige und kostenintensive Tiefbohrungen
Geringer PlatzaufwandGenehmigungspflichtig
Einsparen fossiler BrennstoffeWichtiger Faktor der Bodenbeschaffenheit in Bezug auf Effizienz
Kühlen und heizenNur wirtschaftlich bei optimierter Heizung, da sehr geringe Vorlauftemperatur
Gut kombinierbar mit anderen erneuerbaren Energiequellen 
Vergünstigte Stromtarife möglich 

Grundwasserwärmepumpe

Die Grundwasserwärmepumpe oder Wasser-Wasser-Wärmepumpe arbeitet mit Hydrothermie. Neben dem Erdreich birgt auch das Grundwasser jede Menge Energie. Unabhängig von der Jahreszeit hat das Grundwasser in unseren Breitengraden eine konstante Temperatur von 10 bis 12 °C.

Diese Art der Wärmepumpe benötigt zwei Brunnen: einen Saugbrunnen für das Grundwasser und einen Schluckbrunnen für das genutzte, abgekühlte Wasser. Das Grundwasser sollte nicht tiefer als 20 Meter liegen, weil der Energieaufwand für den Betrieb der Pumpen sonst zu hoch ist.

Eine Grundwasserwärmepumpe kann eine Jahresabsatzzahl von über 5 erreichen und hat damit den höchsten Wirkungsgrad aller Wärmepumpentypen. Ihre Betriebskosten sind sehr gering, allerdings muss man mit höheren Anschaffungskosten rechnen.

Grundwasserwärmepumpen müssen aufgrund des Wasserschutzes behördlich genehmigt werden. Es gibt auch Varianten, in denen das Grundwasser direkt zur Wärmepumpe geleitet wird und kein Kältemittel zum Einsatz kommt.

Vorteile und Nachteile einer Grundwasserwärmepumpe

VorteileNachteile
Staatliche Förderung durch BAFAGenehmigungspflichtig
Integration bestehender Brunnen möglichWichtiger Faktor Wassermenge und -qualität in Bezug auf Effizienz
In manchen Fällen auch im Altbau nachrüstbarLeistungsrückgang bei fallendem Grundwasserstand
Einsparen fossiler Brennstoffe 
Konstante Temperatur der Wärmequelle 
Kühlen und heizen 
Gut kombinierbar mit anderen erneuerbaren Energiequellen 
Vergünstigte Stromtarife möglich 

Weitere Wärmepumpen

Wenn eine Wärmepumpe als Heizsystem nicht in Frage kommt, kann man sie auch nur zur Warmwassergewinnung nutzen. Dann generiert die Anlage aus der Wärme von Umluft oder Abluft warmes Wasser für den alltäglichen Gebrauch. Der Vorteil von Warmwasser-Wärmepumpen, oftmals auch Brauchwasser-Wärmepumpen genannt, sind die niedrigen Investitions- und Betriebskosten. 

Großwärmepumpen versorgen Wohngebäude oder auch Industrieunternehmen mit Wärme und warmem Wasser. Dabei übertreffen sie zum Teil europäische Standards. Großwärmepumpen können sowohl Luft-, Erdwärme- wie auch Grundwasserwärmepumpen sein.

Entwicklung der Wärmpumpe auf dem Heizungsmarkt

Auf dem deutschen Heizungsmarkt dominiert nach wie vor die Gasheizung. Dennoch verzeichnen die erneuerbaren Heizungstypen ein deutliches Plus, allen voran die Wärmepumpe. Im Jahr 2021 verzeichneten die Hersteller mit 154.000 verkaufen Anlagen einen Zuwachs von 28 %.

Den größten Absatz dabei erbringt mit einem Plus von 33 % die Luftwärmepumpe: 127.000 Anlagen wurden im vergangenen Jahr installiert. Bei Erdwärmepumpen stieg der Absatz mit 23.000 Geräten um 12 %, Grundwasserwärmepumpen blieben mit etwa 4.000 Anlagen auf dem gleichen Niveau.

Absatzzahlen Wärmepumpen

Verglichen mit anderen Heizungstypen liegt der Zuwachs der Wärmepumpe hinter dem der Biomasse-Heizsysteme, die einen Zuwachs von 41 % verzeichnen, am meisten davon die Pelletheizungen. Gas- und Ölheizungen kommen nur auf einen Zuwachs von 5 bzw. 2 %, was allerdings bei genauer Betrachtung nichts an der Führungsposition der beiden Technologien ändert. Gasheizungen führen nach wie vor mit einem Anteil von 70 % am Gesamtmarkt und kommen auf ein Plus von 653.000 Geräten. 

Fazit: Wärmepumpen gehört die Zukunft

Die Wärmepumpe überzeugt vor allem mit ihrer umweltschonenden Technik, mit hoher Effizienz und niedrigen Betriebskosten. In Kombination mit grünem Strom arbeitet sie komplett klimaneutral. Alle Wärmepumpen-Typen verzeichneten in den vergangenen Jahren einen hohen Anstieg, 2021 hatte die Luftwärmepumpe innerhalb des Wärmepumpenmarktes einen Marktanteil von knapp 80 Prozent. Auch bei Bestandsgebäuden werden alte Heizungssysteme immer häufiger durch Wärmepumpen ersetzt.

Eine Studie des Fraunhofer Instituts (5) beschrieb schon im Jahr 2020, dass Wärmepumpen auch im Altbau effektiv arbeiten können. Sie zeigte, dass nicht unbedingt das Alter eines Gebäudes hier ausschlaggebend ist, sondern die individuelle Beschaffenheit. So ist z. B. ein Zuschalten eines Heizstabes – der in besonders kalten Tagen die Wärmepumpe unterstützt – nur selten nötig. Eine gute Parametrierung der Anlage ist also sehr wichtig.

Ob eine Wärmepumpe in Frage kommt, ist von vielen Faktoren abhängig. Nicht jedes Heizsystem – und sei es noch so umweltfreundlich – eignet sich für jede Wohnsituation. Welche Heizung die richtige ist, ist eine Entscheidung zu der man unbedingt einen Fachmann einbeziehen sollte. Denn die individuellen Gegebenheiten unterscheiden sich von Fall zu Fall und nicht immer sind die baulichen und infrastrukturellen Voraussetzungen für den Einbau einer Wärmepumpe gegeben.

So müssen Bodenbeschaffenheit, Grundwasserstand und Grundstücksgröße gewisse Vorgaben erfüllen und gerade bei Erd- oder Grundwasserwärmepumpen braucht man behördliche Genehmigungen. Außerdem sollte das Haus gut gedämmt sein und idealerweise über eine Flächenheizung verfügen. Denn optimal arbeiten Wärmepumpenheizungen dann, wenn das Heizungssystem mit niedrigen Vorlauftemperaturen arbeitet. Sprich: Sanierter Altbau oder Neubau mit Fußbodenheizungen sind die besten Einsatzszenarien.

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Belege
(1) https://www.heizspiegel.de/heizung-tauschen/heizungsarten-im-vergleich/#c156907
(2) https://www.viessmann.de/de/wissen/technik-und-systeme/waermepumpe.html
(3) Infografiken vom Bundesverband Wärmepumpe e.V.
(4) Bei Strommix. Verringert sich je nach Ökostromanteil.
(5) Studie des Fraunhofer Instituts zur Funktion von Wärmepumpen im Gebäudebestand.

  1. Maria Schwarz

    Danke für den wichtigen Beitrag! Interessant, dass Wärmepumpen aus 1 kWh Strom etwa 3 bis 6 kWh Wärme generieren. Ich möchte in Zukunft ebenfalls klimaneutral heizen und werde mir daher eine Wärmepumpenheizung installieren lassen. Hoffentlich finde ich diese Woche noch einen guten Installateur.

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