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Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Wie arbeitet eine Wärmepumpe?

Die Funktionsweise einer Wärmepumpe

Wärmepumpen Funktion

Energie aus der Umwelt zu gewinnen, erweist sich als ökologisch, klimaneutral und durchaus effizient. Die regenerative Energiequelle liefert dank physikalischer Prozesse am Ende Wärme und die CO2-Emission wird zudem pro Nutzer gesenkt. Die optimale Nutzung der gewonnenen Energie aus Erde, Luft oder Wasser wird am besten mittels Flächenheizungssystem realisiert. Auch die Erwärmung der Raumluft zeugt von Effizienz und Effektivität. Die Funktion einer Wärmepumpe ist wie folgt in vier wichtige Schritte unterteilt:

  • Aufnahme

  • Verdichtung

  • Abgabe

  • Entspannung

  • Nachtabsenkung

Dabei erwärmt die aufgenommene Umweltenergie ein Kältemittel, welches zum Verdampfen gebracht wird. Ein Strom betriebener Kolbenverdichter presst diese Gase zusammen, damit ausreichend Energie für die Heizung der gesamten Räume realisiert werden kann. Wenn der Druck folgend steigt, wird letztendlich die gewünschte Temperatur erreicht. Ein angrenzender Wärmetauscher erhitzt nun das Wasser im Heizungssystem. Damit dieser Vorgang stetig wiederholt werden kann, benötigt das Kältemittel eine Abkühlung und die Senkung des Drucks beim Strömen durch ein Entspannungsventil.

Die Wärmepumpe funktioniert mittels der Prinzipien Aufnahme, Verdichtung, Abgabe und Entspannung. Dabei verwenden diese technischen Heizlösungen Umweltenergie aus Luft, Wasser und Erde. Ein Kältemittel wird dabei zum Verdampfen gebracht, während ein Kolbenverdichter die Gase für die Heizenergie zusammenpresst. Anschließend realisiert ein Wärmetauscher die Übertragung auf den Heizwasserkreislauf.

Wofür steht die Jahresarbeitszahl?

Die Jahresarbeitszahl – kurz JAZ – ist ein Indiz für die Effektivität der Wärmepumpe. Der Wirkungsgrad zwischen aufgebrachter und nutzbarer Energie wird mit dieser Kenngröße kommuniziert. Dabei ist der angegebene Wert ein Maximalwert für nahezu optimale Rahmenbedingungen. Da die Wärmepumpe strombetriebene Bauteile enthält, muss ein Anteil an zugeführter Energie einkalkuliert werden. Dieser erhöht sich bei großen Temperaturgefällen zwischen existenter Umweltwärme und gewünschtem Wärmebedarf im Haus. Ebenso haben Kältemittel, Außentemperaturen und das individuelle Nutzverhalten einen Einfluss auf die Effizienz. Wärmepumpen mit einer JAZ von 4 können einen bis zu 400-prozentigen Wirkungsgrad erzielen. Folgende Kriterien begünstigen die JAZ und die Effizienz der Wärmepumpe:

  • Niedriger Heizwärmebedarf (Dämmung senkt ihn)

  • Heizsystem benötigt geringe Vorlauftemperatur (Flächenheizungen)

  • Gleichmäßig verfügbare Wärmequelle

Welche Bedeutung hat die Jahresarbeitszahl?

Wie sieht die Auswahl an Wärmepumpen aus?

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Welche Arten an Wärmepumpen gibt es?

Abhängig von den Standortfaktoren kann eine Wärmepumpe durchaus auch als nicht sinnvoll betrachtet werden. Dies hängt unter anderem von folgenden Faktoren ab:

  • Platz

  • Geographische Lage

  • Wetterzyklen

  • Grundwasserspiegel

Nach physikalischen Prinzipien werden die gängigen technischen Lösungen unterschieden:

Kompressionswärmepumpe

Über die Verdichtung eines Kältemittels wird der Anstieg der Temperatur erzeugt. Ein Wärmetauscher leitet die Energie an das Heizungssystem weiter. Im Anschluss erfolgt eine Abkühlung. Die Warmwasser-Wärmepumpe als Spezialfall dient lediglich zur Erwärmung des Brauchwasserkreislaufes – ohne Strom spart sie Kosten.

Adsorptionswärmepumpe

Wasser als Kältemittel läuft an einem Sorptionsmittel (oft Zeolith) vorbei und wird automatisch angesaugt. Die Übertragung der Wärme erfolgt in einem chemischen Prozess. Anschließend sorgt ein Brenner für die Austrocknung des Sorptionsmittels und der Verflüssigung des Wassers, der Wärmetauscher nutzt die Energie.

Absorptionswärmepumpe

Ein Sorptionsmittel wird im gasförmigen Zustand von einer Lösung aus Wasser und Ammoniak aufgenommen. Letztendlich werden die Bestandteile in einem Austreiber wieder voneinander getrennt und für den neuen Prozess vorbereitet. Die gespeicherte Energie in Form von Wärme wird hierbei entnommen und zur Heizung verwendet. Diese Variante ermöglicht eine Verbindung der Wärmepumpe mit Heizungsarten großer Vorlauftemperatur. Andererseits wird für die Austreibung eine Erdgasverbrennung benötigt.

Allgemeine Informationen:

Luft-Luft-Wärmepumpe
Funktionsweise
1. Abluft wird wieder Verwendet
2. Wärme wird durch Lüftungsanlage an Frischluft verteilt
Vorteile
+ Keine fossilen Brennstoffe
+ CO2-Neutral mit Ökostrom
+ Kein Brennstoffvorrat notwendig
+ Wartungsarm
+ 90 Prozent Wärme der Raumluft nutzbar
+ Keine Abhängigkeit von Rohstoffen
+ Optimales Raumklima
+ Keine Genehmigungspflicht
+ Kein Schornstein
+ Keine jährliche Abgaskontrolle
Nachteile
– Abhängigkeit von der Temperatur
– Über 10 Watt Heizleistung ineffizient
– Nachrüstung der Luftkanäle teuer
– Keine staatliche Förderung
Kosten
Anschaffung 4.000-16.000 Euro
+
Betriebskosten 1.600 Euro pro Jahr
Amortisation
9-10 Jahre
Luft-Wasser-Wärmepumpe
Funktionsweise
1. Ansaugen der Außenluft mit Ventilator
2. Übertragung an Wärmetauscher
3. Entzug der Wärmeenergie aus der Luft
4. Zirkulierendes Kältemittel verdampft bei Kontakt mit Wärme
5. Verdichtung durch Kompressordruck
6. Temperaturanstieg
7. Weiterleitung ins Heizungssystem durch Wärmeüberträger
8. Kältemittel kühlt ab und verflüssigt sich
Vorteile
+ Keine fossilen Brennstoffe
+ CO2-Neutral mit Ökostrom
+ Staatliche Förderung
+ Kein Brennstoffvorrat notwendig
+ Wartungsarm
+ Flexibel einsetzbar (innen, außen, Splitgeräte)
+ Keine Abhängigkeit von Rohstoffen
+ Kein Schornstein
+ Keine jährliche Abgaskontrolle
Nachteile
– Lärmkulisse (etwa 50 Dezibel)
– Abhängigkeit von der Außentemperatur (Leistungseinbußen im Winter)
Kosten
Anschaffung 14.000-17.000 Euro
+
Betriebskosten 1.650 Euro pro Jahr
Amortisation
9-10 Jahre
Wasser-Wasser-Wärmepumpe
Funktionsweise
1. Ansaugen des Grundwassers im Förderbrunnen
2. Übertragung an Wärmetauscher
3. Entzug der Wärmeenergie aus dem Wasser
4. Zirkulierendes Kältemittel verdampft im Schluckbrunnen bei Kontakt mit Wärme
5. Verdichtung durch Kompressordruck
6. Temperaturanstieg
7. Weiterleitung ins Heizungssystem durch Wärmeüberträger
8. Kältemittel kühlt ab und verflüssigt sich
Vorteile
+ Keine fossilen Brennstoffe
+ CO2-Neutral mit Ökostrom
+ Staatliche Förderung
+ Kein Brennstoffvorrat notwendig
+ Wartungsarm
+ Wärme von Abwasser nutzbar
+ Kein Schornstein
+ Keine jährliche Abgaskontrolle
Nachteile
– Genehmigung von der Unteren Wasserbehörde notwendig
– Bedarf an ausreichend Wasserzufuhr
– Abhängigkeit von Wasserqualität
– Nicht an jedem Standort nutzbar
– Hohe Erschließungs- kosten
Kosten
Anschaffung 25.000-30.000 Euro
+
Betriebskosten 900 Euro pro Jahr
Amortisation
12-14 Jahre
Sole-Wasser-Wärmepumpe
Funktionsweise
1. Erdsonde / Erdkollektoren nehmen Wärme aus der Erde auf
2. Übertragung an Wärmetauscher und Entzug der Energie
3. Zirkulierendes Kältemittel verdampft bei Kontakt mit Wärme
4. Verdichtung durch Kompressordruck und Temperaturanstieg
5. Weiterleitung ins Heizungssystem durch Wärmeüberträger
6. Kältemittel kühlt ab und verflüssigt sich
Vorteile
+ Keine fossilen Brennstoffe
+ CO2-Neutral mit Ökostrom
+ Staatliche Förderung
+ Kein Brennstoffvorrat notwendig
+ Wartungsarm
+ Hohe Effizienz auch im Winter (Arbeiten bereits ab 0 Grad Celsius Umgebungstemperatur)
+ Keine Abhängigkeit von Rohstoffen
+ Kein Schornstein
+ Keine jährliche Abgaskontrolle
Nachteile
– Genehmigung Berg- und Wasserbehörde notwendig
– Erdsonden nicht an jedem Standort nutzbar
– Erdkollektoren erhöhen Platzbedarf
– Hohe Erschließungskosten
Kosten
Anschaffungskosten 18.000-23.000 Euro
+
Betriebskosten 1.150 Euro pro Jahr
Amortisation
11-13 Jahre

Für wen eignen sich Wärmepumpen?

Wärmepumpen sind prädestiniert für gedämmte Gebäude. Als Heizungssystem für den Neubau bieten sie sich demzufolge förmlich an. Aber auch ein energiesanierter Altbau kann mit einer Sole-Wasser-Wärmepumpe ein Ideal der Leistungszahl 4 erreichen. Gerade für Besitzer von Passiv- oder Niedrigenergiehäusern stellt diese Heizungsart eine Verlockung dar.

In Kombination mit einer Photovoltaikanlage kann eine sehr klimafreundliche Heizvariante geschaffen werden. In diesem Fall wird der Großteil des benötigten Stroms für die Wärmepumpe in Eigenregie produziert. Zusätzliche Kosten und Abhängigkeiten entfallen nun – die Einspeisung des restlichen Stroms in das regionale Stromnetz bringt außerdem eine kleine Einnahmequelle.

Für den Bau einer Wasser-Wasser- / Sole-Wasser-Wärmepumpe benötigt man bestimmte Genehmigungen:

  • Untere Wasserbehörde (Wasser-Wasser-Wärmepumpe)

  • Bergbehörde (Sole-Wasser-Wärmepumpe mit Erdsonde)

  • Genehmigung zur Einhaltung der Richtlinien des Wasserhaushaltsgesetzes (alle)

Daher sollten folgende Kriterien vorher in Augenschein genommen werden:

  • Bodenbeschaffenheit

  • Grundwasserstand

  • Grundstücksgröße

  • Richtlinien der Bundesländer

Bauliche Vorraussetzungen: hier kann eine Wärmepumpe installiert werden – und hier nicht

Während Luft-Wärmepumpen sowohl im Neubau als auch im Bestandsbau eingesetzt werden können und vergleichsweise wenig Platz benötigen, sind für den Betrieb von Erd- und Wasserwärmepumpen bestimmte Bedingungen notwendig. So brauchen Sie für eine Heizung mit Erdwärmepumpe ein Grundstück, das groß genug ist, um die Kollektoren unter der Erde zu installieren. Als Faustregel gilt: Je 100 Quadratmeter zu beheizender Fläche wird die doppelte Fläche für die Kollektoren benötigt – in diesem Fall 200 Quadratmeter freie Grundstücksfläche. Nutzen Sie Sonden, die tief ins Erdreich versenkt werden, ist zwar weniger Platz notwendig, Sie müssen jedoch immer noch über ein entsprechendes Grundstück verfügen. Zudem spielen auch die Höhe des Grundwasserspiegels auf Ihrem Grundstück und die Gesteinsschichten eine Rolle. Erdwärmepumpenheizungen sind daher vor allem etwas für Eigenheimbesitzer und werden idealerweise im Neubau verbaut.

Das gilt prinzipiell auch für die Wärmepumpenheizung, die mit Wasser arbeitet. Sie benötigen für ihren Betrieb einen Brunnen, der, sollte er auf dem Grundstück nicht vorhanden sein, gebaut werden muss. Auch hier ist ein eigenes Grundstück notwendig. Anders sieht es jedoch mit Luft-Wärmepumpen aus. Sie nehmen weniger Platz ein und es sind keine baulichen Veränderungen am Haus notwendig. So können Sie etwa auch im Mehrfamilienhaus eingesetzt werden und in Altbauten, die Sie nachträglich mit einer Wärmepumpe ausstatten möchten.

Wird die Wärmepumpe gefördert?

Wärmepumpen werden von der KfW sowie der BAFA gefördert. Dies hängt von der Technik und des jeweiligen Bauprojektes ab. Die Förderinstitute unterstützen Installationen, wenn folgende Punkte erfüllt werden:

  • Bereitstellung von Prozesswärme

  • Raumheizung in Nichtwohngebäuden

  • Kombination von Raumheizung und Warmwasser

  • Raumheizung, wenn andere erneuerbare Energien die Warmwasserbereitung regeln

  • Bereitstellung von Wärme fürs Wärmenetz

Die Jahresarbeitszahl entscheidet ebenso über die Art und Höhe der Förderung. So stehen folgende Ansprüche an die Wärmepumpe im Raum:

Basisförderung

  • Gas-Wärmepumpen – JAZ 1,25

  • Luft-Wasser-Wärmepumpen – JAZ 3,5

  • Wasser-Wasser-Wärmepumpen – JAZ 3,8

  • Sole-Wasser-Wärmepumpen – JAZ 3,8

Innovationsförderung

  • Gas-Wärmepumpen – JAZ 1,5

  • Luft-Wasser-Wärmepumpen – JAZ 4,5

  • Wasser-Wasser-Wärmepumpen – JAZ 4,5

  • Sole-Wasser-Wärmepumpen – JAZ 4,5

Mit folgenden Fördermitteln dürfen Bauherren rechnen:

  • Luft-Luft Wärmepumpe – mindestens 1.300 Euro (40 € pro kW Wärmeleistung)

  • Sole-Wasser Wärmepumpe – mindestens 4.500 (100 € pro kW Wärmeleistung)

  • Wasser-Wasser Wärmepumpe –mindestens 4.000 Euro (100 € pro kW Wärmeleistung)

Des Weiteren besteht die Förderung bei diesen Kriterien:

  • 500 Euro für Kombination mit anderen erneuerbaren Energien

  • 500 Euro für Einspeisung ins Wärmenetz

  • Gebäudeeffizienzbonus von 50 Prozent der Basisförderung

  • Optimierungsbonus von 10 Prozent der Investitionskosten

  • mindestens 100 Euro für einen Wärmepumpencheck

Welche Wärmepumpen existieren auf dem Absatzmarkt?

  • Kompressionswärmepumpe – Verdichtung des Kältemittels und Übergabe der Heizenergie mittels Wärmetauscher

  • Adsorptionswärmepumpe – Ansaugung des Kältemittels per Sorptionsmittel und Wärmeübertragung per chemischem Prozess

  • Absorptionswärmepumpe – Aufnahme des Sorptionsmittels in Wasser-Ammoniak-Lösung und Bereitstellung der Wärme durch Austreibung dieser Komponenten

Ebenso hinsichtlich der Energiequelle stehen diverse Modelle zur Verfügung:

Luft-Luft-Wärmepumpe:

  • Keine fossilen Brennstoffe

  • CO2-Neutral mit Ökostrom

  • Kein Brennstoffvorrat notwendig

  • Wartungsarm

  • 90 Prozent Wärme der Raumluft nutzbar

  • Keine Abhängigkeit von Rohstoffen

  • Optimales Raumklima

  • Keine Genehmigungspflicht

  • Kein Schornstein

  • Keine jährliche Abgaskontrolle

Nachteile

  • Abhängigkeit von der Temperatur

  • Über 10 Watt Heizleistung ineffizient

  • Nachrüstung der Luftkanäle teuer

  • Keine staatliche Förderung

Kosten

  • Anschaffung 4.000-16.000 Euro

  • Betriebskosten 1.600 Euro pro Jahr

Luft-Wasser-Wärmepumpe:

  • Keine fossilen Brennstoffe

  • CO2-Neutral mit Ökostrom

  • Staatliche Förderung

  • Kein Brennstoffvorrat notwendig

  • Wartungsarm

  • Flexibel einsetzbar (innen, außen, Splitgeräte)

  • Keine Abhängigkeit von Rohstoffen

  • Kein Schornstein

  • Keine jährliche Abgaskontrolle

Nachteile

  • Lärmkulisse (etwa 50 Dezibel)

  • Abhängigkeit von der Außentemperatur (Leistungseinbußen im Winter)

Kosten

  • Anschaffung 14.000-17.000 Euro

  • Betriebskosten 1.650 Euro pro Jahr

Wasser-Wasser-Wärmepumpe:

  • Keine fossilen Brennstoffe

  • CO2-Neutral mit Ökostrom

  • Staatliche Förderung

  • Kein Brennstoffvorrat notwendig

  • Wartungsarm

  • Flexibel einsetzbar (innen, außen, Splitgeräte)

  • Keine Abhängigkeit von Rohstoffen

  • Kein Schornstein

  • Keine jährliche Abgaskontrolle

Nachteile

  • Lärmkulisse (etwa 50 Dezibel)

  • Abhängigkeit von der Außentemperatur (Leistungseinbußen im Winter)

Kosten

  • Anschaffung 14.000-17.000 Euro

  • Betriebskosten 1.650 Euro pro Jahr

Luft-Wasser-Wärmepumpe:

  • Keine fossilen Brennstoffe

  • CO2-Neutral mit Ökostrom

  • Staatliche Förderung

  • Kein Brennstoffvorrat notwendig

  • Wartungsarm

  • Wärme von Abwasser nutzbar

  • Kein Schornstein

  • Keine jährliche Abgaskontrolle

Nachteile

  • Genehmigung von der Unteren Wasserbehörde notwendig

  • Bedarf an ausreichend Wasserzufuhr

  • Abhängigkeit von Wasserqualität

  • Nicht an jedem Standort nutzbar

  • Hohe Erschließungskosten

Kosten

  • Anschaffung 25.000-30.000 Euro

  • Betriebskosten 900 Euro pro Jahr

Sole-Wasser-Wärmepumpe:

  • Keine fossilen Brennstoffe

  • CO2-Neutral mit Ökostrom

  • Staatliche Förderung

  • Kein Brennstoffvorrat notwendig

  • Wartungsarm

  • Hohe Effizienz auch im Winter (Arbeiten bereits ab 0 Grad Celsius Umgebungstemperatur)

  • Keine Abhängigkeit von Rohstoffen

  • Kein Schornstein

  • Keine jährliche Abgaskontrolle

Nachteile

  • Genehmigung von der Unteren Wasserbehörde notwendig

  • Nicht an jedem Standort nutzbar

  • Hoher Platzbedarf

  • Hohe Erschließungskosten

Kosten

  • Anschaffung 18.000-23.000 Euro

  • Betriebskosten 1.150 Euro pro Jahr

Für wen bieten sich Wärmepumpen an?

  • Grundstücksgröße

  • Grundwasserstand

  • Bodenbeschaffenheit

  • Richtlinien der Bundesländer

Bestehen Förderprogramme für Wärmepumpen?

  • Luft-Luft Wärmepumpe – mindestens 1.300 Euro (40 € pro kW Wärmeleistung)

  • Sole-Wasser Wärmepumpe – mindestens 4.500 Euro (100 € pro kW Wärmeleistung)

  • Wasser-Wasser Wärmepumpe – mindestens 4.000 Euro (100 € pro kW Wärmeleistung)

Wer profitiert von Wärmepumpen?

  • Gute Dämmung

  • Neubauten

  • Energiesanierte Altbauten

  • Ausreichende Grundstücksgröße

  • Grundwasserstand

  • Bodenbeschaffenheit

Welche Förderungen gibt es?

Was muss ich bei einer Wärmepumpe noch beachten?

Wärmepumpe – worauf muss ich beim Kauf achten?

Vor dem Kauf zu beachten

Bei der Nutzung einer Wärmepumpe für die Heizung der eigenen vier Wände sind folgende Tipps nützlich:

  • Erzielende Jahresarbeitszahl mit dem Handwerker schriftlich vereinbaren

  • Strom- und Wärmemengenzähler erleichtern JAZ-Berechnung der Heizperioden

  • Wärmedämmung der Gebäudehülle senkt Bedarf

  • Geringe Heizwassertemperatur durch Heizkörpervergrößerung

  • Puffer- oder Kombispeicher notwendig

  • Drehstromanschluss mit eigenem Stromzähler für Wirkungsgrad

  • Info: Bezüglich der Tendenz der Brennstoffpreise können mit einer Wärmepumpe bis zu 50 Prozent der Energiekosten eingespart werden.

Eine regelmäßige Wartung schenkt dem Besitzer eine garantierte Langlebigkeit seiner Wärmepumpe. Wärmepumpen sind sehr störungsanfällig. Daher sollten Einstellungen und Regelungen konsequent kontrolliert und Änderungen des Nutzverhaltens vermieden werden.

Dabei sollten folgende Maßnahmen durchgeführt werden:

  • Wärmedämmung

  • Strom- und Wärmemengenzähler

  • Heizkörpervergrößerung

  • Pufferspeicher

  • Wärmedämmung der Gebäudehülle senkt Bedarf

  • Strom- und Wärmemengenzähler erleichtern JAZ-Berechnung

  • Geringe Heizwassertemperatur durch Heizkörpervergrößerung

  • Puffer- oder Kombispeicher notwendig

  • Erzielende Jahresarbeitszahl mit dem Handwerker schriftlich vereinbaren

  • Drehstromanschluss mit eigenem Stromzähler für Wirkungsgrad

Alles über Wärmepumpen
  • Reinigung

  • Funktionsüberprüfung

  • Überprüfung der Sicherheitsventile

  • Füllstandsmessung

  • Kontrolle der Zu- und Ableitungen

  • Reinigung von Kondensatwanne und Kondensatwasserablauf

  • Überprüfung der Heizungsregelung und der Schaltzeiten

  • Prüfung der Steuerungselektronik

  • Info: Sondertarife von Stromanbietern für Wärmepumpenbesitzer enthalten Abschaltzeiten und somit die Senkung der Stromkosten. Hierbei muss ein Pufferspeicher in der Planung berücksichtigt werden.

  • Tipp: Zudem sollte das im Kreislauf zirkulierende Wasser regelmäßig auf 60 Grad Celsius aufgeheizt werden, um Legionellen vorzubeugen.

FAQ - Noch Fragen?

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