Wärmepumpen

Eine Wärmepumpe entzieht der Umwelt – Luft, Erdreich oder Grundwasser – thermische Energie und hebt diese über einen Kältekreislauf auf Heizniveau an. Sie dient der Raumheizung und Warmwasserbereitung in Neu- und Bestandsbauten. Da sie vor allem Umgebungswärme nutzt, reduziert sie den Primärenergiebedarf gegenüber fossilen Verbrennungssystemen erheblich.

Was ist das / Wie funktioniert es

Eine Wärmepumpe ist ein thermodynamischer Wärmeerzeuger, der Umweltwärme aus der Umgebungsluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser aufnimmt und auf ein für Heizzwecke nutzbares Temperaturniveau anhebt. Der physikalische Prozess läuft in einem geschlossenen Kältekreislauf ab. Im Verdampfer nimmt ein Kältemittel bereits bei niedrigen Umgebungstemperaturen Wärme auf und geht in den gasförmigen Aggregatzustand über. Ein elektrisch angetriebener Verdichter komprimiert dieses Gas, wodurch dessen Druck und Temperatur stark ansteigen. Im Verflüssiger überträgt das heiße Kältemittel seine Wärme auf das Heizungswasser des Gebäudes, kühlt ab und verflüssigt sich wieder. Ein Expansionsventil baut den Druck anschließend ab, sodass der Kreislauf von vorn beginnt.

In der Praxis werden vier Hauptbauarten unterschieden:

Luft-Wasser-Wärmepumpen: Nutzen die Außenluft als Wärmequelle. Sie zeichnen sich durch geringe Erschließungskosten aus und sind als Monoblock (Kältekreislauf komplett in der Außeneinheit) oder Split-System erhältlich.
Sole-Wasser-Wärmepumpen (Erdwärme): Nutzen Erdwärmesonden (Tiefenbohrungen bis ca. 100 Meter) oder oberflächennahe Erdwärmekollektoren. Sie arbeiten dank ganzjährig stabiler Quellentemperaturen besonders effizient.
Wasser-Wasser-Wärmepumpen: Nutzen die thermische Energie des Grundwassers über einen Förder- und Schluckbrunnen. Sie erreichen die höchsten Wirkungsgrade, erfordern jedoch eine wasserrechtliche Genehmigung.
Luft-Luft-Wärmepumpen: Übertragen die Wärme direkt auf den Luftstrom der Raumlüftung oder arbeiten als Split-Klimageräte mit Heizfunktion. Sie kommen vor allem in Passivhäusern und energieeffizienten Einzelräumen zum Einsatz.

Die Effizienz wird momentan über den COP (Coefficient of Performance nach DIN EN 14511) und im Realbetrieb über die Jahresarbeitszahl (JAZ nach VDI 4650) beziffert. Eine JAZ von 4 bedeutet, dass aus einer Kilowattstunde Strom vier Kilowattstunden Nutzwärme erzeugt werden.

Wann ist es sinnvoll

Wärmepumpen sind im gut gedämmten Neubau der technologische Standard, eignen sich aber auch für die Mehrheit der Bestandsgebäude. Entscheidend für den wirtschaftlichen Einsatz ist nicht zwingend das Baujahr des Gebäudes, sondern die benötigte Vorlauftemperatur des Heizsystems an kalten Wintertagen. Liegt die maximale Vorlauftemperatur bei höchstens 55 °C, lässt sich eine Wärmepumpe mit guter Jahresarbeitszahl betreiben.

Besonders vorteilhaft ist der Betrieb in Kombination mit Flächenheizungen wie Fußboden- oder Wandheizungen, da diese mit Vorlauftemperaturen zwischen 30 °C und 35 °C auskommen. Doch auch mit herkömmlichen Heizkörpern kann eine Wärmepumpe effizient arbeiten, sofern die Heizflächen ausreichend groß dimensioniert sind. In unsanierten Altbauten mit sehr hohen Vorlauftemperaturanforderungen über 65 °C empfiehlt sich vor dem Einbau eine Teilsanierung (Dämmung der obersten Geschossdecke, Fenstertausch) oder der gezielte Austausch einzelner Heizkörper gegen Niedertemperatur-Modelle. Alternativ kommt eine Hybrid-Wärmepumpe infrage, bei der ein bestehender Spitzenlastkessel an sehr kalten Tagen unterstützt.

Worauf achten

Für eine dauerhaft effiziente und störungsfreie Funktion sind folgende Planungsfaktoren maßgeblich:

Exakte Heizlastberechnung: Die Dimensionierung muss auf einer raumweisen Heizlastberechnung nach DIN EN 12831 basieren. Eine Überdimensionierung führt zu häufigem Takten (Start-Stopp-Betrieb) des Verdichters, was die Lebensdauer verkürzt und den Stromverbrauch erhöht.
Hydraulischer Abgleich: Nach Verfahren B optimiert er die Volumenströme aller Heizkreise und stellt sicher, dass jeder Raum bedarfsgerecht mit der niedrigstmöglichen Vorlauftemperatur versorgt wird.
Schallschutz: Bei Luft-Wasser-Wärmepumpen muss die Außenaufstellung nach den Richtlinien der TA Lärm (Technische Anleitung zum Schutz gegen Lärm) geplant werden. Im reinen Wohngebiet gilt nachts ein Immissionsrichtwert von 35 dB(A). Ausblasöffnungen dürfen nicht auf schallreflektierende Wände oder direkt auf Nachbarfenster gerichtet sein.
Zukunftssichere Kältemittel: Zunehmend setzen Hersteller auf natürliche Kältemittel wie Propan (R290). Diese haben ein minimales Treibhauspotenzial (GWP von 3) und ermöglichen hohe Vorlauftemperaturen bis 75 °C ohne Effizienzeinbußen.

Häufige Fragen

Funktioniert eine Wärmepumpe auch im Altbau mit vorhandenen Heizkörpern?

Ja, wenn die vorhandenen Heizkörper die Räume bei Vorlauftemperaturen von maximal 55 °C ausreichend erwärmen. Sollte dies in einzelnen Räumen nicht ausreichen, können gezielt einzelne Heizkörper gegen größere Typen oder Tieftemperatur-Heizkörper mit integrierten Lüftern ausgetauscht werden.

Was ist der Unterschied zwischen COP und Jahresarbeitszahl (JAZ)?

Der COP (Coefficient of Performance) beschreibt den Wirkungsgrad einer Wärmepumpe zu einem fest definierten Betriebspunkt unter Laborbedingungen. Die Jahresarbeitszahl (JAZ) hingegen beziffert das reale Verhältnis der erzeugten Wärmemenge zum gesamten eingesetzten Strom über ein komplettes Betriebsjahr inklusive aller saisonalen Temperaturschwankungen.

Wie laut ist die Außeneinheit einer Luft-Wasser-Wärmepumpe?

Moderne Geräte erreichen in drei Metern Entfernung typischerweise Schalldruckpegel zwischen 30 und 40 dB(A), was etwa einem leisen Flüstern oder Blätterrauschen entspricht. Über einen Nachtmodus kann die Drehzahl des Ventilators weiter abgesenkt werden, um die Grenzwerte der TA Lärm zuverlässig einzuhalten.

Warum ist Propan (R290) als Kältemittel vorteilhaft?

Propan ist ein natürlicher Kohlenwasserstoff mit einem geringen Treibhauspotenzial (Global Warming Potential von 3), wodurch er von künftigen F-Gase-Verboten nicht betroffen ist. Zudem besitzt R290 vorteilhafte thermodynamische Eigenschaften, die Vorlauftemperaturen bis zu 75 °C ermöglichen.

Wann ist ein Pufferspeicher für die Wärmepumpe erforderlich?

Ein Reihen-Rücklauf-Pufferspeicher oder hydraulischer Trennspeicher ist erforderlich, wenn der Mindestvolumenstrom des Heizkreises durch geschlossene Thermostatventile nicht garantiert werden kann oder die Wärmepumpe Abtauenergie für den Verdampfer benötigt. Bei reinen Fußbodenheizungen mit offenen Kreisen kann unter Umständen auf einen Trennspeicher verzichtet werden.

Wie wirkt sich die Kombination mit einer Photovoltaikanlage aus?

Eine PV-Anlage liefert vor allem in den Übergangsmonaten Frühling und Herbst günstigen Solarstrom für den Verdichter und die Warmwasserbereitung. Dadurch lässt sich der Fremdstrombezug der Wärmepumpe je nach Auslegung grob um etwa 20 bis 40 Prozent reduzieren.