Wärmepumpe

Eine Wärmepumpe besteht aus der Wärmequellenanlage, der Wärmepumpe selbst und einem Wärmeverteil- und Speichersystem. In dem geschlossenen Kreislauf der Wärmepumpe übernimmt das Arbeitsmedium Kältemittel die Aufgabe, die Wärme zu übertragen und zu transportieren.

1. Der eigentliche Umweltwärmegewinn findet im Verdampfer der Wärmepumpe statt.
   Hier macht man sich die Eigenschaft des flüssigen Kältemittel zunutze, dass dieses schon bei Minustemperaturen verdampft und die dabei aufgenommene Energie speichert.
2. Das Volumen des gasförmig gewordenen Kältemittels wird vom Verdichter angesaugt und verringert. Hierbei steigt der Druck und somit auch die Temperatur des Kältemittels stark an.
3. Das heiße Kältemittel strömt weiter zum Verflüssiger, einem Wärmetauscher, in dem die gewonnene Umweltwärme auf das Heizsystem übertragen wird.
4. Das durch Abkühlung wieder flüssig gewordene Kältemittel kann nach Druck- und Temperatursenkung durch das Expansionsventil erneut Wärme aus der Umwelt aufnehmen und der Kreislauf beginnt von neuem.

Da eine Wärmepumpe zu einem großen Teil, das kann bis zu 75% sein, kostenlose Umgebungswärme nutzt, ist sie nicht nur umweltfreundlich, sondern bietet auch günstige Betriebs- und Verbrauchskosten. Zudem macht sich eine Wärmepumpe unabhängig von fossilen Energieträgern.

Welche Wärmequellen gibt es?

Wärmepumpen kann man nach der Wärmequelle unterscheiden, die Sie anzapfen. Erdwärmesonden und Erdwärmekollektoren nutzen die im Erdboden gespeicherte Wärme.

Bei Erdwärmesonden fließt das frostsichere Arbeitsmittel, das dem Erdboden Wärme entzieht, durch zwei U-förmige Kunststoffrohre in einem senkrechten Bohrloch. Dadurch benötigen Sie nur wenig Fläche. Der Bohrlochdurchmesser ist etwa so groß wie ein Unterteller. In einer Tiefe von etwa 10 Metern ist die Temperatur das ganze Jahr nahezu konstant und insbesondere im Winter bei tiefen Temperaturen sehr effektiv. Die Tiefe der Sonde hängt vom Wärmebedarf und der Wärmeleitfähigkeit des Bodens ab. Bei einem Neubau liegt sie bei rund 100 Meter. Im Sommer kann man Wärmesonden auch sehr effektiv passiv kühlen.

Kollektoren arbeiten mit einem waagerecht verlegten Rohrsystem, das unter der Frostgrenze verlegt wird, das ist in etwa 1 bis 1,5 Metern tief. Dafür benötigen Sie je nach gewünschter Wärmeleistung 200 bis 250 Quadratmeter Fläche für ein Einfamilienhaus. Diese Fläche darf nicht überbaut werden, da der Boden die Wärme aus Regenwasser und Sonneneinstrahlung aufnehmen muss. Wenn Grundwasser in ausreichender Menge, Temperatur, Qualität und in einer möglichst geringen Tiefe vorhanden ist, kann man diese mit Wasser/Wasserwärmepumpe sehr wirtschaftlich nutzen. Selbst an den kältesten Tagen liegen die Temperaturen dieser Wärmequelle konstant bei rund 10 Grad. Das wird über einen Förderbrunnen hoch gepumpt, die Wärmepumpe entzieht ihm Wärme und anschließend wird das Wasser über einen Schluckbrunnen wieder in das Grundwasser eingeleitet. Im Sommer kann man die Grundwasser-Wärmepumpen ebenfalls sehr effektiv passiv kühlen. Der Nachteil dieser Wärmequelle ist allerdings der hohe Planungsaufwand und ein verhältnismäßig großer Anteil von Hilfsenergie für die Wasserpumpen.

Außenluft als Wärmequelle kann einfach und nahezu überall erschlossen werden. Da die Temperaturen allerdings im Winter, also zu Zeiten des größten Heizbedarfs, recht niedrig liegen, ist eine Luftwärmepumpe  etwas weniger effizient als erdgekoppelte Systeme. Dadurch steigt der Stromverbrauch einer Luft-Wasser-Wärmepumpe um rund 200 Euro pro Jahr im Vergleich zu erdgekoppelten Wärmepumpen. Allerdings spart man durch geringeren Bauaufwand im Schnitt ca.4000-5000Euro. Wenn bereits der Garten angelegt ist, eignen sich aufgrund der minimalen Erdarbeiten die Luft/Wasser-Wärmepumpen besonders gut. Sie können aber auch innen im Keller aufgestellt werden. Es ist zu empfehlen, dass ein Hausbesitzer zuerst überprüfen sollte, ob sich nicht eine zusätzlich Dämmung oder der Einbau größerer Heizkörper rechnen, die die Effizienz der Wärmepumpe steigern.

Auf großes Interesse stoßen Wärmepumpen, die mit Solarthermie noch mehr kostenlose Umweltwärme nutzbar machen. In diesem System ist der Pufferspeicher das Herzstück. Hier laufen die Wärmeströme aus dem Solarkollektor und der Wärmepumpe zusammen und werden für die Heizung und das Warmwasser nutzbar gemacht. Im Sommer kann die Wärmepumpe ganz abgeschaltet werden, da dann die Solarthermie-Anlage die Warmwasseraufbereitung komplett übernimmt. Da überschüssige Wärme in erdgekoppelten Systemen sogar in den Boden abgeführt und dort gespeichert werden kann, macht diese Heizperiode sogar noch effizienter. Einen Nachteil stellen allerdings die deutlich höheren Investitionskosten dar, aber dafür kann man auch höhere Förderungen beantragen, etwa über den das Marktanreizeprogramm, oder kurz MAP genannt.
In diesen komplexen Systemen ist eine optimale Regelung und Steuerung besonders wichtig für einen effizienten Betrieb.

Effizienz von Wärmepumpen COP und JAZ

Je effektiver eine Wärmepumpe arbeitet, desto weniger Strom benötigt sie. Für die Effizienz einer Wärmepumpe gibt es verschiedene Kenngrößen. Eine wichtige Kenngröße ist der COP (Coefficient of Performance). Dieser Wert bietet einen ersten Anhaltspunkt, um verschiedene Geräte miteinander zu vergleichen. Der COP ist der angegebene Normverbrauch. Er misst wie viel an den Heizkreislauf als abgegebene Wärme, und den eingesetzten Strom, im Verhältnis sind. In etwa vergleichbar mit dem Spritverbrauch eines Autos.

Der JAZ ist die Jahresarbeitszahl. Der Koeffizient aus der abgegebener Nutzwärme und aller eingesetzten Hilfsenergie beschreibt die Effizienz einer Wärmepumpe in der Praxis. Ein JAZ von 4,0 bedeutet etwa, dass das Vierfache des eingesetzten Stromes in Nutzwärme umgewandelt wird. Die eingesetzte Energie umfasst neben der elektrischen Energie für den Verdichter auch die Energie für die Pumpe oder den Ventilator sowie, falls vorhanden, die Energie für die elektrische Zusatzheizung. Diese springt an besonders kalten Tagen ein, um den zusätzlichen Wärmebedarf zu decken. Gemessen wird die JAZ mit Hilfe einen Extra-Stromzählers für die Wärmepumpe und eines Wärmemengenzählers. Die JAZ ist nicht nur für die Stromrechnung von Bedeutung, sondern auch für die Beantragung  von Fördermittel. Dafür muss die Wärmepumpe eine bestimmte JAZ erreichen. Für eine Luft/Wasserwärmepumpe im Neubau liegt diese bei 3,5 im Altbau genügt eine JAZ von 3,3. Bei anderen Wärmepumpen liegt der Wert bei 3,7 für Bestands – und 4,0 für Neubauten. Auch für die Nutzungspflicht ist eine Mindest-JAZ vorgeschrieben. Diese liegen bei 3,5 für Luft/Wasser-Wärmepumpen und 4,0 für andere Wärmepumpen. In beiden Fällen ist die Grundlage nicht die in der Praxis gemessene JAZ, sondern die Berechnung eines Fachunternehmens. Die tatsächliche JAZ weicht in der Regel von den prognostizierten JAZ ab. Besonders bei einen langen und strengen Winter beeinflusst die JAZ erheblich. Hier empfiehlt sich ein Fachunternehmen zu konsultieren.

Was kostet eine Wärmepumpe?

Die Anschaffungskosten können stark unterschiedlich sein und begründen sich auf die verschiedenen schwierig zu erschließenden Wärmequellen. Während eine Luft/Wasser-Wärmepumpe nahezu überall installiert werden kann, ist die Erschließung der Wärmequelle bei Erde-Flächenkollektoren oder über Tiefbohrsonden, technisch sehr aufwendig.
In der folgenden Übersicht bekommen Sie einen kleinen Überblick über die Preisunterschiede der verschiedenen Wärmepumpen. Es sind lediglich nur Durchschnittswerte und können von Unternehmen zu Unternehmen abweichen.
Anlagen zur Wärmeerzeugung z.B. durch eine Ölheizung, werden für einen Austausch zu einer Wärmpumpe, mit bis zu 45 Prozent gefördert. Eine genaue Förderübersicht für Wärmepumpen erhalten Sie vom Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA), den ich Ihnen hier verlinke.

Wärmepumpen	Grundgerät	Installation + Zubehör	Kosten inkl. Einbau	Gesamtkosten inkl. Förderung
Erd-Wärmepumpe mit Erdsonden	9.000 – 15.000€	9.000 – 17.500€	ca. 25.000€	ca. 16.250€
Erd-Wärmepumpe mit Erd-Wärmekollektoren	9.000 – 15.000€	4.500 – 9.000€	ca. 18.000€	ca. 11.700€
Wasser-Wasser Wärmepumpe	8.000 – 12.000€	15.000 – 18.000€	ca. 30.000€	ca. 19.500€
Luft-Wasser Wärmepumpe innen	10.000 – 12.000€	2.000 – 4.000€	ca. 15.000€	ca. 9.750€
Luft-Wasser Wärmepumpe außen	10.000 – 13.000€	2.000 – 4.000€	ca. 15.000€	ca. 10.100€
Luft-Luft Wärmepumpe	7.000 – 8.000€	6.000€	ca. 15.000€	ca. 12.000€

Nicht zu vergessen sind die jährlichen Folgekosten einer Wärmepumpe, unter anderem die Wartungskosten und die Stromkosten. Bei 10.000 Kilowattstunden Wärmebedarf und einen JAZ von 4,0 sollten Sie ungefähr von 2500 Kilowattstunden Strom pro Jahr ausgehen. Bei einem günstigen Wärmepumpenstrom-Tarif, der bei ca. 0,30€/KWh liegt, belaufen sich die Stromkosten auf 750 Euro pro Jahr.

Rechnet sich eine Wärmepumpe?

Nach einer gängigen Kalkulation geht man von einer Amortisationszeit für eine Wärmepumpe zwischen 10-15 Jahren aus. Dabei ist der Strompreis von zentraler Bedeutung. Treten Mehrkosten auf, die auf den Strompreis umgelegt werden müssen, verlängert sich die Amortisationszeit.
Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Lebensdauer einer Wärmepumpe. Eine wesentliche Eingangsvoraussetzung für die hohe Lebensdauer Ihrer Wärmepumpen-Heizung ist die optimale Dimensionierung von Kompressionsleistung im Verhältnis zur Wohnfläche, die es zu beheizen gilt. Ist dieses Verhältnis optimal abgestimmt, so geht man im Heizungsbau von einer durchschnittlichen Lebensdauer der Wärmepumpe von 15 bis 20 Jahren aus. Dazu müssen auch regelmäßig die Wartungsintervalle eingehalten werden.
Die Lebenszeit bei Erdsonde und Erdkollektoren kann sich bis auf 40 Jahren erstrecken.

Ab 1987 wurde das FCKW-Kältemittel schrittweise reduziert und später dann verboten, wegen der Ozonschichtschädigen Wirkung. HFKW-Kältemittel sollte dann das FCKW ersetzen. Es stellte sich später heraus, dass das teilflourierte Kohlenwasserstoff „HFKW“ tausendmal Klimaschädlicher ist als CO2. Im Jahre 2016 beschloss die internationale Staatengemeinschaft die HFKW schrittweise und die Verkaufsmengen bis zum Jahr 2030 zu reduzieren. Bei mittleren bis großen Wärmepumpen kommen Ammoniak als Kältemittel im Einsatz. Dagegen sind mittlere bis kleine Wärmepumpen sowohl nicht-halogenierte Kältemittel, wie auch fluorierte Treibhausgase vertreten. Weitere Informationen finden Sie bei Umwelt Bundesamt, welche ich Ihnen hier verlinke.
Wer sich eine Wärmepumpe anschaffen möchte, sollte sich vorher ganz genau informieren und die Risiken und Chancen abwägen.

Tipps für effiziente Wärmepumpen

• Wählen sie einen Fachhandwerker der Erfahrung mit Wärmepumpen hat.
• Zusätzlich Sicherheit gibt es eine Güteauszeichnung zum EU-zertifizierten Wärmepumpeninstallateur. Diese Handwerker haben Theorie und Praxis unter Beweis gestellt.
• Achten Sie auf eine Wärmepumpe mit D-A-C-H Gütesiegel. Diese haben in anerkannten Testzentren bestimmte Mindest-COPs nachgewiesen.
• Lassen Sie ihr gesamtes System aus einer Hand planen, von der Wärmequelle bis zum Wärmeverteilsystem, damit die einzelnen Komponenten optimal aufeinander abgestimmt sind.
• Sorgen Sie für eine möglichst geringe Differenz zwischen der Wärmequellen und der Heizungsvorlauftemperatur. Evtl. ist eine zusätzliche Wärmedämmung, größerer Heizkörper, um die die Vorlauftemperatur zu senken, erforderlich.
• Verzichten Sie auf Nachtabsenkung oder Drosselung der Temperatur bei einem kürzeren Urlaub. Beim Wiederaufheizen muss die Wärmepumpe deutlich höhere Temperaturen fahren und arbeitet damit deutlich ineffizienter.
• Effizienz-steigend ist, wenn Sie fürs Bad in der Übergangszeit als Zusatzheizung einen elektrischen Handtuchwärmer vorsehen, der im Bedarfsfall eingeschaltet wird. Da in der Übergangszeit die Heizung nicht mehr läuft, muss die Wärmepumpe ansonsten nur für diese eine Stunde anlaufen.
• Sinnvoll kann auch eine dezentrale Warmwasserbereitung in der Küche sein. Wenn Sie dadurch die Vorlauftemperaturen für das Warmwasser insgesamt heruntersetzen können, erhöhen Sie die Effizienz der Wärmepumpe deutlich.