Klimaschutz- und Energieagentur Niedersachsen

Die Wärmepumpe funktioniert wie ein Kühlschrank: Der Kühlschrank entzieht seinem Inneren die Wärme und gibt sie nach außen ab, die Wärmepumpe hingegen entzieht der Umgebung (Erdreich, Wasser oder Luft) die Wärme und gibt sie nach innen ab. So wird Heizwärme und warmes Trinkwasser für das Gebäude erzeugt. Die Wärmepumpe ist dabei sehr effizient: Sie kann mit einem Teil Strom drei bis fünf Teile Wärme erzeugen. Und im Sommer kühlt sie mit dieser Technik – in umgekehrter Wirkung – die Räume ebenso umweltfreundlich.

Umweltwärme gewinnen
In der Wärmequellenanlage zirkuliert eine Flüssigkeit (Wasser mit Frostschutzmittel, so genannte Sole), welche die Umweltwärme aus dem Boden oder dem Grundwasser aufnimmt und sie zur Wärmepumpe transportiert. Auch eine Luft-Wasser-Wärmepumpe funktioniert nach diesem Prinzip. Hier saugt ein Ventilator die Außenluft an und gibt sie an die Wärmepumpe ab.

Wärme nutzbar machen
In der Wärmepumpe befindet sich ein Kreislauf mit zwei Wärmetauschern (Verdampfer und Verflüssiger), in dem ein Kältemittel zirkuliert. Im Verdampfer wird die Umweltwärme von der Wärmequellenanlage auf das Kältemittel übertragen. Dadurch verdampft das Kältemittel bei geringer Temperatur (z. B. 5 °C) und bei geringem Druck. Der Kältemitteldampf wird nun zu einem Verdichter (auch Kompressor genannt) weitergeleitet.

Durch die Verdichtung des gasförmigen Kältemittels erhitzt sich dieses und wird zum zweiten Wärmetauscher, dem so genannten Verflüssiger oder Kondensator geleitet. Hier wird das nun unter hohem Druck stehende, heiße Kältemittelgas kondensiert. Bei der Kondensation gibt es die im Verdichter und in der Wärmequellenanlage aufgenommene Wärme wieder ab und stellt sie einem Heizsystem zur Verfügung. Das Kältemittel wird wieder flüssig und erfährt im nächsten Schritt eine Druckabsenkung. Jetzt gelangt es wieder zum Verdampfer und der Kreislauf beginnt von Neuem.

Heizwärme und Warmwasser bereitstellen
Im zu beheizenden Gebäude befindet sich nun das Wärmeverteil- und Wärmespeichersystem. Darin zirkuliert als Wärmeträger in der Regel Wasser. Dieses Wasser nimmt die Wärme, die das Kältemittel im Verflüssiger abgibt, auf und leitet dieses entweder über ein Verteilersystem zu den einzelnen Heizflächen des Gebäudes, oder die Wärme wird zunächst in einem Heizungspufferspeicher zwischengespeichert. Aus diesem Pufferspeicher kann ein Trinkwarmwasserspeicher oder eine Frischwasserstation mit Wärme versorgt werden.

Kühlen
Wird eine Wärmepumpe auch zur Kühlung genutzt, unterscheidet man zwei Formen der Kühlung: die aktive Kühlung, bei welcher der Verdichter der Wärmepumpe in Betrieb ist und die passive Kühlung, bei der überschüssige Wärme aus dem Gebäude in den kühleren Untergrund abgeführt wird. Letzteres ist nur bei erd- und grundwassergekoppelten Systemen möglich.

Im Falle der aktiven Kühlung wird die Wärme nicht der Umgebung, sondern dem zu kühlenden Gebäude entzogen. Die erzeugte Wärme kann dann an die Umgebung abgegeben oder anderweitig genutzt werden. Daher ist es erforderlich, dass in der Wärmepumpe eine Umschaltung stattfindet: Der Verdampfer wird mit dem Kühlkreislauf im Gebäude bzw. über die vorhandenen Heizflächen und der Kondensator mit der Umgebung gekoppelt. Die aktive Kühlung erfordert den Betrieb des Verdichters, d. h. der Stromverbrauch ist ähnlich hoch wie im Heizbetrieb.

Die passive Kühlung erfolgt über die vorhandenen Heizflächen im Gebäude: Die überschüssige Raumwärme wird über diese aufgenommen und über den Umgebungswärmetauscher an das Erdreich oder Grundwasser abgeführt. Die Kühlleistung eines passiven Systems ist begrenzt, da zum einen die Temperaturen der Heizflächen nur wenige Grad abgesenkt werden können, damit eine Kondensation von Raumluftfeuchte vermieden wird. Zum anderen ermöglicht das Temperaturniveau des Untergrunds nur eine begrenzte Wärmeabfuhr.

Der große Vorteil der passiven Kühlung ist: Die „Kälte" wird vom Erdreich oder Grundwasser kostenlos zur Verfügung gestellt, der Verdichter der Wärmepumpe wird nicht benötigt. Lediglich eine geringe Stromaufnahme durch die Umwälzpumpen bleibt notwendig. Zusätzlicher Nutzen: Durch Wärmerückführung aus dem Gebäude in das Erdreich wird die Temperatur der Erdwärmequelle angehoben. Sommerliche Wärme kann so zumindest teils im Winter genutzt werden.

Die Effizienz, also der Stromverbrauch einer Wärmepumpe, hängt vom Temperatur-niveau der Wärmequelle und von der Temperatur der Heizungsanlage und der Trinkwassererwärmung ab. Wichtig für den Betrieb einer Wärmepumpe ist es, dass die Heizungsanlage auch an kalten Tagen mit einer Vorlauftemperatur von unter 60 °C auskommt. Das ist in der Regel mit geringen Anpassungen der Heizungsanlage auch in Bestandsbauten gut erreichbar. Eine zusätzlich durchgeführte Wärmedämmung des Gebäudes führt natürlich zu weiterer Effizienzsteigerung und Energieeinsparung.

Auskunft über die Effizienz von Wärmepumpen gibt die Jahresarbeitszahl (JAZ). Sie ist das Verhältnis von „bereitgestellter thermischer Energie" (Nutzen) der Wärmepumpe und der „zum Betrieb der Wärmepumpe eingesetzten elektrischen Energie" (Aufwand). Die JAZ bezieht damit auch Temperaturschwankungen der jeweiligen Wärmequelle und der Heizkreistemperaturen im Jahresverlauf sowie die elektrische Energie für die Nebenantriebe wie Ventilatoren, Pumpen für die Umgebungswärmenutzung, die Steuerung sowie den möglicherweise vorhandenen Heizstab mit ein.

Eine JAZ von 4 bedeutet zum Beispiel, dass die Wärmepumpe im Jahresmittel 4 Kilowattstunden Wärme ans Haus abgibt (Nutzen), wenn diese eine Kilowattstunde Strom aufnimmt (Aufwand). Es zeigt sich: Je höher die JAZ, desto besser für die Umwelt und den Geldbeutel.

Um die tatsächliche Effizienz ihrer Wärmepumpe nachvollziehen zu können, sollten Hauseigentümer selbst aktiv werden! Durch den Einbau von Strom- und Wärmemengenzählern kann jährlich nach Ende der Heizperiode die JAZ sehr einfach errechnet werden: Man dividiert die Heizwärmeabgabe an das Gebäude (Wärmemengenzähler) durch den Stromeinsatz (Stromzähler Wärmepumpe). Wichtig ist dabei, dass auch der Stromeinsatz für die Heizungspumpen und der Wärmeeinsatz für das Warmwasser berücksichtigt werden. Das Warmwasser sollte in Gebäuden mit kurzen Zuleitungen des Warmwassers, wie in Einfamilienhäusern üblich, unbedingt auch von der Wärmepumpe erwärmt werden. Eine dezentrale Warmwasserbereitung durch elektrische Durchlauferhitzer würde viel mehr Strom verbrauchen als eine Wärmepumpe.

In Gebäuden mit langen Zuleitungen des Trinkwarmwassers, wie z. B. in Mehrfamilienhäusern, vielen kommunalen Gebäuden und industriellen Gebäuden, ist der Einsatz von Wärmepumpen zur zentralen Warmwasserbereitung gegenüber dezentralen Systemen zur Warmwasserbereitung abzuwägen.

Grundsätzlich sollte ein Gebäude über einen ausgezeichneten Wärmeschutz verfügen – denn unabhängig von der Effizienz der Wärmepumpe erzielt man den größten Nutzen für Umwelt und Geldbeutel, wenn man nur so wenig Wärme wie möglich braucht!

Für den effizienten Betrieb einer Wärmepumpe ist ein möglichst geringes Temperaturniveau entscheidend, auf das die Wärmepumpe das Heizwasser von der Temperatur des genutzten Umweltmediums (z. B. von +8 °C) für das Heizsystem „hinaufheizen" muss. Ein Heizsystem, das auch an kalten Tagen mit Vorlauftemperaturen von möglichst deutlich unter 60 °C auskommt und eine moderne hygienische Trinkwarmwasserbereitung hat, ist dafür geeignet.

In Neubauten sind diese Voraussetzungen in der Regel erfüllt – sie sind gut gedämmt und benötigen dank groß angelegter Heizflächen geringe Temperaturniveaus für die Beheizung. Daher sind Wärmepumpen in Neubauten deutschlandweit die mittlerweile am häufigsten installierte Heizungsart. Demgegenüber müssen viele Bestandsgebäude für die Beheizung mit Wärmepumpen vorbereitet werden. Dazu ist folgendes nötig:

Große Heizkörper: Am häufigsten werden Fußbodenheizungen eingesetzt, aber auch Wand- und Deckenheizungssysteme, da diese das Haus mit vergleichsweise geringen Temperaturen des Heizwassers erwärmen können. Alternativ sind auch großflächige Heizkörper möglich, die derart dimensioniert werden, dass auch diese mit Temperaturen unter 60 °C die benötigte Raumwärme bereitstellen. Ein guter Wärmeschutz des Gebäudes ist hilfreich, dieses Ziel zu erreichen.

Gute Beratung: Neubauten sind in der Regel gut vorbereitet für den Betrieb einer Wärmepumpe. Bei älteren Gebäuden ist zu prüfen, ob Heizungsanlage und Warmwasserbereitung ein ausreichend geringes Temperaturniveau aufweisen können. Ist dies nicht der Fall, sollte geprüft werden, ob durch eine Anpassung des Heizsystems oder durch punktuelle Maßnahmen an der Gebäudehülle (z. B. Tausch von Fenstern) ein geringes Temperaturniveau erreicht werden kann. Zudem muss geprüft werden, wie eine Erschließung der Umgebungswärmequellen realisiert werden kann. Diese Fragen werden am besten in einer auf Wärmepumpen fokussierten, qualifizierten und unabhängigen Energieberatung geklärt.

Experten-Blog "Wärmepumpen in Bestandsgebäuden": Auch ältere Gebäude können mit einer Wärmepumpe ausgestattet werden, wenn sie bestimmte Voraussetzungen erfüllen. Welche das genau sind, welche technischen Lösungen bereit stehen erläutert ein Experten-Blog "Innovation4e" des Fraunhofer ISE Instituts. Mit dem Autor, Dr. Marek Miara, haben wir zudem ein Interview geführt.