Wärmepumpen

So funktioniert eine Wärmepumpe

Die Wärmepumpe funktioniert wie ein Kühlschrank, nur umgekehrt. Die Wärme stammt aus der Umgebung, z.B. aus dem Grundwasser, dem Erdreich oder der Außenluft. Sie wird auf ein Kältemittel übertragen, das verdampft. Im Verdichter oder Kompressor wird dieser Dampf komprimiert, wodurch er noch heißer wird. Im Verflüssiger wird der Dampf entspannt, das heiße Kältemittelgas kondensiert und gibt Wärme ab. Diese lässt sich zum Heizen nutzen. Anders, als ein Heizstab in einem Wärmespeicher (Power-to-Heat-Anlage) heizt die Wärmepumpe nicht direkt mit Strom, sondern nutzt diesen lediglich als Hilfsenergie. Aus einer kWh Strom macht die Wärmepumpe 3 bis 4 kWh Wärme.

Drei Arten von Wärmepumpen

Es gibt drei Arten von Wärmepumpen: Die Sole-Wasser-Wärmepumpe nutzt die Erdwärme mithilfe einer Sonde oder durch einen im Erdreich eingelassenen Flächenkollektor. Ihre Erträge sind laut Bundesverband der Deutschen Heizungsindustrie (BDH) sehr stabil, weil die Bodentemperatur im Jahresverlauf kaum schwankt. Der Installationsaufwand ist allerdings vergleichsweise hoch.

Eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe ist ertragreicher. Mithilfe eines Saugbrunnens wird das Warmwasser nach oben zur Wärmepumpe befördert, gibt an sie seine Wärme ab und fließt anschließend über einen Schluckbrunnen zurück ins Erdreich.

Am einfachsten zu installieren, aber nicht ganz so effizient, ist die Luft-Wasser-Wärmepumpe. Sie entzieht der Außenluft Energie – bis zu einer Temperatur von minus 20° C.

Auch im Bestand zuverlässig

Wärmepumpen haben sich in den vergangenen Jahren zum Renner unter den Heizsystemen erwiesen: Heute sind knapp 1,2 Mio. Stück installiert. Die Technik ist das beliebteste Heizsystem im Neubau. Die Bundesregierung setzt mit dem Gebäudeenergiegesetz stark auf den Ausbau der Wärmepumpentechnik. Flankiert werden soll das ab 2024 durch ein Verbot von fossilen Heizungen im Neubau.

Mittlerweile ist die Wärmepumpentechnik aber auch interessant für bestehende Gebäude. Denn die Hersteller haben sich auf diesen Markt eingestellt, die Technik ist ausgereifter. Während früher nur gut gedämmte und sanierte Altbauten dafür infrage kamen, ist das heute nicht mehr nötig. Lediglich eine Flächenheizung an Wand oder Fußboden sowie eine Vorlauftemperatur von maximal 55 °C sind die Voraussetzungen.

Auch der Bundesverband Wärmepumpe erklärt, dass Wärmepumpen mit Flächenverteilsystemen wie Fußboden-, Wand- oder Deckenheizungen besonders effizient sind. Allerdings sei gerade im Altbau der Austausch der ineffizientesten Heizkörper eine Option, um die notwendigen Vorlauftemperaturen für einen wirtschaftlichen Betrieb zu erreichen. Sowohl die Umrüstung auf ein Flächenheizsystem, als auch der Austausch von Heizkörpern wird im Rahmen der Förderung von Wärmepumpen in der Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) gefördert.

Dass Wärmepumpen auch in Bestandsgebäuden zuverlässig funktionieren und ökologisch vorteilhaft sind, zeigt das Forschungsprojekt „WPsmart im Bestand“ des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE). In dem Projekt untersuchten die Wissenschaftler fünf Jahre lang 56 bestehende Gebäude mit Wärmepumpen.

Das Fraunhofer ISE konnte 41 Wärmepumpen mit gleichem Auswertzeitraum und einheitlicher Bilanzgrenze auswerten. Für den Zeitraum Juli 2018 bis Juni 2019 hat das Institut 29 Außenluft-Wärmepumpen zur Raumheizung und Trinkwassererwärmung analysiert. Die Anlagen erreichten Jahresarbeitszahlen (JAZ) von 2,5 bis 3,8. Der Mittelwert lag bei 3,1. Zwei Ausreißer mit besonders guten JAZ wurden bei der Berechnung nicht berücksichtigt. Bei den zwölf Erdreich-Wärmepumpen ermittelten die Forscher JAZ zwischen 3,3 und 4,7 bei einem Mittelwert von 4,1.

Kombination mit Solarstrom

Immer mehr Hausbesitzer interessieren sich dafür, Solarstrom zum Antrieb der Wärmepumpe zu verwenden. Hierzu gibt es mehrere Strategien:

• Der Hausbesitzer installiert zu einer vorhandenen Wärmepumpe eine neue Photovoltaikanlage. Nach aktuellen Preisen lässt sich damit Strom für ca. 8 bis 9 ct/kWh produzieren, also günstiger, als Haushaltsstrom oder sogar ein Wärmepumpentarif. Ziel: die Wärmepumpe günstiger zu betreiben. Bis zu 30 % des Wärmepumpenbedarfs könnte die Photovoltaikanlage decken.
• Der Hausbesitzer installiert eine Wärmepumpe und verbindet sie mit einer vorhandenen Photovoltaikanlage. Ziel: Den Eigenstromanteil der PV-Anlage zu erhöhen. Das könnte auch bei älteren Anlagen eine Strategie sein, die ab 2021 keine Vergütung mehr nach dem EEG erhalten.
• Wärmepumpen können auch Weg sein, überschüssigen Strom zu nutzen, der sich sonst im Haus nicht nutzen lässt und der ansonsten zu sehr geringen Abnahmepreisen eingespeist werden muss.

Die Wärmepumpen selbst haben einen unterschiedlichen hohen Stromverbrauch: Anlagen, die Grundwasser- oder Erdwärme nutzen, verbrauchen weniger als Luft-Wärmepumpen. Wird die Wärmepumpe nachträglich installiert, sollte der Hausbesitzer das berücksichtigen.

Ebenso ist es möglich, mit einigen Wärmepumpenmodellen auch zu kühlen. Dafür laufen sie „andersherum“ und funktionieren wie ein Kühlschrank. Auch das ist bei der Wahl der Wärmepumpe zu beachten. In diesem Fall würde an sonnigen Tagen mit hohem Kühlbedarf auch viel Solarstrom zur Verfügung stehen.

Wird die Dachanlage gezielt für die Heizung nachgerüstet, sollte sie etwa das Dreifache der Anschlussleistung der Wärmepumpe haben. Zu beachten ist auch: Die Photovoltaikanlage liefert im Sommer den meisten Strom, wenn wenig Heizbedarf besteht und umgekehrt. Besonders lukrativ ist der Antrieb mit Solarstrom also in der Übergangszeit, wenn es draußen noch kalt ist, aber die längeren Tage schon für höheren Solarstromertrag sorgen.