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Wärmepumpe

Wärmepumpe

Eine Wärmepumpe ist eine Maschine, die dem Erdreich, der Luft oder dem Grundwasser Wärmeenergie aus der Umwelt entzieht, um diese dann im Inneren des Hauses für die Warmwasser-Bereitung oder Raumheizung abzugeben. Das Funktionsprinzip einer Wärmepumpe beruht auf den Gesetzmäßigkeiten der technischen Arbeit, wie sie die Thermodynamik beschreibt. Nach dieser setzt sich technische Arbeit aus Volumenänderungs- und Verschiebearbeit zusammen. Durch den Einsatz von technischer Arbeit wird aus einem Reservoir mit vergleichsweise niedriger Temperatur wird Umweltwärme aufgenommen, die dann in der Form von Nutzwärme durch Zufuhr von Antriebsenergie (Strom) wieder auf ein System mit vergleichsweise hoher Temperatur abgegeben wird. Der Strombedarf lässt sich auch durch eine Photovoltaik-Solaranlage mit angeschlossenem Batteriespeicher decken. Auf diese Art und Weise erhöht sich der finanziell lukrative Eigenanteil zur Nutzung des Sonnenstroms erheblich.

Wärmepumpe Pro und Kontra

+ Geringer Platzbedarf

Bei optimalen Voraussetzungen eine günstige Heizlösung (bei COP-Wert über 4)

+ Eine Wärmepumpe harmoniert mit Solaranlagen für Wärme und Strom

Staatliche Förderprogramme erleichtern die Investition

Vergleichsweise wartungsarm

 

- Abhängig vom Stromversorger und dessen Tarife

Geräuschentwicklung; wird oft als störend empfunden

Herstellerangaben in Bezug auf Wirkungsgrade und Jahresarbeitszahl sind in der Praxis selten zu erreichen

Klimabilanz oftmals schlechter als bei einer Gas-Solar Kombination. Abhängig von Ökostromanteil im Tarif (meist 0%)

Im Gebäudebestand sind hohe COP-Werte und niedrige Heizkosten meist nicht zu erreichen

In kalten Jahreszeiten muss teuer elektrisch nachgeheizt werden, meist über einen E-Heizstab

Wärmepumpen Funktionsprinzip

Das Funktionsprinzip einer Wärmepumpe lässt sich einfach auch als das eines umgekehrten Kühlschranks beschreiben. Bei einem Kühlschrank wird dem Kühlraum Wärme entzogen, die dann gemeinsam mit der Antriebsenergie als Abwärme an die wärmere Umgebung wieder abgegeben wird. Der Nutzen einer Wärmepumpe liegt, anders als beim Kühlschank, nicht in der Abkühlung, sondern in der abgegebnen Wärme bei höherer Temperatur. Soweit das grundlegende Funktionsprinzip einer Wärmepumpe.

Wärmepumpe Funktionsweise
Funktionsweise einer Wärmpumpe zum Heizen

Funktionsweise der Kompression

Wärmepumpen werden meist als elektrische Kompressions-Geräte ausgeführt und gehorchen folgendem Konzept: Das Arbeitsmedium, auch Kältemittel genannt, verdampft unter Wärmezufuhr bei niedrigem Druck und kondensiert unter Wärmeabgabe durch Verdichtung. Der Verdichter saugt das Arbeitsmedium an, vom Verflüssiger wird die Wärme an die Raumluft oder in einen Warmwasser-Kreislauf (Vorlauf) übertragen. Das Arbeitsmedium wird anschließend wieder auf ein Niveau abgekühlt, das unter jenem des Umgebungsmediums (bspw. Erdreich oder Außenluft) liegt.

Dieser Vorgang erfolgt im so genannten Verdampfer. Dort verdampft das Kältemittel, entzieht auf diese Weise der Umgebung Wärme und strömt wieder zurück in den Verdichter. Das hat folgende Konsequenzen: Im Vergleich mit einer konventionellen, direkten Heizung kann durch eine Elektro-Wärmepumpe der thermische Wirkungsgrad kaum entscheidend gesteigert werden. (eine geringe Temperaturdifferenzen vorausgesetzt). Der Bedarf an Energie, der zugeführt werden muss, ist dabei umso geringer, je kleiner die Temperaturdifferenz zwischen Eingangstemperatur und Ausgangstemperatur (Temperatur und Wärmebedarf des Wohnraums) ist. Ideal für den gut gedämmten Neubau und Fußbodenheizungen mit niedrigen Vorlauftemperaturen.

Wann macht diese Heiztechnik Sinn?

  • Im Neubau mit geringem Wärmebedarf und niedrigen Vorlauf-Temperaturen
  • Bei zusätzlicher Installation einer Photovoltaik Solaranlage (->Anteil an Eigennutzung erhöhen) 
  • Wenig Platz für alternative Heiztechniken wie einer Pelletsheizung vorhanden

Wärmepumpe: Der Wirkungsgrad und Jahresarbeitszahl COP

Um den Energiebedarf und den Wirkungsgrad einer Wärmepumpe möglichst gering zu halten, empfehlen sich Niedertemperaturheizungen (Fußbodenheizungen). Wird das Heizgerät durch Erdgas oder Solarstrom (Photovoltaik) angetrieben, reduziert sich überdies der Ausstoß an Kohlendioxid.

Deutlich höher liegt der thermische Wirkungsgrad einer Wärmepumpe, wenn Gas oder Öl als Primärenergie genutzt werden, um den Verdichter anzutreiben. Dieses Funktionsprinzip garantiert zwar einen höheren Wirkungsgrad, muss aber durch höhere Anschaffungs- und Wartungskosten erkauft werden. Andere Techniken der erneuerbaren Energien wie beispielsweise die Solarthermie sind in der Lage, wesentlich höhere Wirkungsgrade zu erzielen, was sich jedoch nicht zwangsläufig zu niedrigeren Heizkosten führt.

Wenn neben dem Funktionsprinzip vom Wirkungsgrad einer Wärmepumpe die Rede ist, sollten Sie Folgendes beachten: Der Wirkungsgrad ist nur eine Kennzahl, die bei der Beurteilung der Qualität einer Heizung berücksichtigt werden soll. Neben dem Wirkungsgrad entscheidende Kennzahlen einer Wärmepumpe sind die Leistungs- und die Jahresarbeitszahl. Die Leistungszahl zeigt das Verhältnis von abgegebener Wärmeleistung und aufgenommener elektrischer Leistung. Neuere Modelle haben (je nach Wärmequelle) Leistungszahlen zwischen 3,5 und 5,5. Pro kWh Strom (d.h. sie erzeugen 3,5 bis 5,5 kWh Heizwärme). Die Leistung elektrischer Hilfsaggregate wird von der Leistungszahl allerdings nicht beachtet. Dazu dient der COP-Wert. Er bezieht die Leistungen aller angeschlossenen Geräte ein und ist neben dem Wirkungsgrad ein entscheidender Indikator für die Qualität der Heizung.

In Bezug auf den Wirkungsgrad von Wärmepumpen und in Bezug auf eine energetische Bewertung der Gesamtanlage ist die Jahresarbeitszahl der entscheidende Parameter. Er beschreibt die Relation von abgegebener Wärmemenge und zugeführter Energie im Jahresverlauf. Diese Zahl kann man auch als Anlagen-Nutzungsgrad verstehen.

Die Umweltwärme dient jedoch nicht allein der Raumheizung, auch als Brauchwasser-Wärmepumpen kommen kleinere Ausführungen zur Erwärmung von Trinkwasser zum Duschen, Waschen und Baden zum Einsatz.

Nutzungsgrad 

Eine weitere bedeutende Kennzahl neben dem Wirkungsgrad ist der Nutzungsgrad. Er gibt an, wie viel ein Energieträger während einer Heizungsperiode tatsächlich gespeichert hat. Der Nutzungsgrad wird über einen längeren Zeitraum verifiziert, der eigentliche Wirkungsgrad wird hingegen bloß in einem Betriebspunkt gemessen. Weil der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe bei optimalem Betriebszustand bestimmt wird, ist er in der Regel höher als der Nutzungsgrad. In jedem Fall gilt: Die Qualität einer Heizung oder Gerät zur Warmwasser-Bereitung sollte daher nicht allein nach dem Wirkungsgrad beurteil werden.

Wärmepumpen Arten

Die üblichen Wärmequellen für Wärmepumpen sind das Erdreich, das Grundwasser und die Luft. Sie folgen einem jeweils unterschiedlichen Funktionsprinzip. Aus dem Erdreich kann die Wärme entweder durch Erdwärmekollektoren, die in geringer Tiefe verlegt (ca. 1 bis 1,5 m) werden, oder von Erdwärmesonden bezogen werden, die meist in Bohrrohre mit einer Tiefe von 50 Metern eingeführt werden.

Erd-Wärmepumpen

Das Funktionsprinzip der Erdwärmesonden ist bis heute die zuverlässigste Wärmequelle für eine Heizung auf Basis der Umweltwärme. Es hat auch den höchsten thermischen Wirkungsgrad. Sein Nachteil: die Bohrungen sind sehr teuer. Für beide Anwendungen gibt es heute spezifisch auf die Wärmequellen abgestimmte Erd-WP, mit verbessertem Wirkungsgrad.

Grundwasser Wärmepumpe

Das Funktionsprinzip von Grundwasser-Wärmepumpen: Aus einem Förderbrunnen wird Grundwasser entnommen, durch einen Schluckbrunnen wird dieses wieder rückgeführt. Für die Zuverlässigkeit des Systems ist die Wasserqualität entscheidend. Der Wirkungsgrad einer Anlage, die auf dem Funktionsprinzip der Grundwasser-Wärmepumpe beruht, liegt recht hoch, ein Problem bereitet jedoch die Oxidierung.

Luft Wärmepumpe

Diese Anlagen folgen einem anderen Funktionsprinzip: Verwendet wird Umgebungsluft, der Wärme durch einen Wärmetauscher entzogen wird und der Luft-Wärmepumpe zugeführt wird. Die Investitionskosten sind gering, die Montage ist unproblematisch. Neben dem Unterscheidungskriterium Wärmequelle, können diese Geräte auch nach einem anderen Funktionsprinzip oder Technologie zum Zweck einer Heizung eingeteilt werden.