Wärmepumpe - Heizen mit Energie aus der Natur

Was ist eine Wärmepumpe und worauf muss man achten?

Mittlerweile sind deutschlandweit bereits über eine Million Wärmepumpen verbaut. Die Technik erlaubt es Nutzern, die thermische Energie aus der Umwelt für sich nutzbar zu machen. Eine Wärmepumpe stellt damit eine umweltschonende Art dar, den eigenen Haushalt mit Wärme zu versorgen. Bei der konkreten Umsetzung bieten sich Bauherren diverse Möglichkeiten.

Was ist eine Wärmepumpe?

Mit Wärmepumpen lässt sich die natürliche Wärme der Umwelt nutzbar machen, um diese zur Heizung sowie der Warmwasserbereitung zu verwenden. Möglich wird dies durch die große Menge an thermischer Energie, welche in der Umgebungsluft, dem Erdboden sowie dem Grundwasser vorhanden ist. Es handelt sich dabei um eine bewährte Technik, die ihre Ursprünge im 19. Jahrhundert hat. 1969 wurde die erste derartige Pumpe in Deutschland in Betrieb genommen. Im Laufe der Jahre wurde die Technik dahinter immer weiter verbessert. Heutzutage stellt sie eine zuverlässige und umweltfreundliche Heizungsvariante dar.

Wie funktioniert eine Wärmepumpe? - Das Prinzip hinter der Technik

Das Grundprinzip hinter ihrer Funktionsweise ist die Umkehrung des Wärme-Kraft-Prozesses. Einfach ausgedrückt bedeutet dies, dass die Pumpe auf die umgekehrte Art und Weise funktioniert wie ein Kühlschrank. Dieser kühlt sein Inneres, indem er die Wärme entzieht und diese nach draußen abgibt. Im Gegenzug dazu entziehen Wärmepumpen dem Außenbereich Wärme und führen diese dem Innenbereich des Hauses zu.

Grundsätzlich bestehen Wärmepumpen aus mehreren Komponenten. Zum einen wird eine Wärmequelle benötigt, welcher thermische Energie entzogen werden kann. Hierfür kommen unterschiedliche Quellen infrage. Auf die einzelnen Varianten wird weiter unten eingegangen. Die in der Wärmequelle befindliche Wärme wird nun über einen Wärmetauscher auf ein Kältemittel übertragen. Da Kältemittel über einen sehr niedrigen Siedepunkt verfügen, verdampfen diese bereits bei relativ niedrigen Temperaturen. Aus diesem Grund bezeichnet man diesen Wärmetauscher auch als Verdampfer.

Im nächsten Schritt wird das gasförmige Kältemittel mittels eines Kompressors komprimiert. Die Moleküle des Kältemittels rücken stärker zusammen und es kommt zu mehr Kollisionen untereinander, wodurch sich die Temperatur weiter erhöht.

Anschließend wird das nun heiße Kältemittel zu einem weiteren Wärmetauscher gepumpt. Dabei handelt es sich um den sogenannten Verflüssiger. Über ihn gibt das Kältemittel seine Temperatur an das hauseigene Heizsystem bzw. den Warmwasserspeicher ab. Dieser Prozess kühlt das Mittel stark genug ab, sodass es sich wieder verflüssigt. Über ein nachgeschaltetes Expansionsventil sinken Temperatur und Druck wieder auf das Ausgangsniveau. Danach wird das Kältemittel abermals zum Verdampfer geleitet und der Prozess beginnt von vorne. Es handelt sich also um einen geschlossenen Kreislauf.

Die Heizwärme, welche durch eine Wärmepumpe gewonnen wird, besteht im Durchschnitt aus 75 Prozent kostenloser Umweltwärme sowie ca. 25 Prozent elektrischer Energie. Letztere wird für das Betreiben des Kompressors benötigt.

Es gibt verschiedene Arten von Wärmepumpen

Es existieren unterschiedliche Arten von Wärmepumpen. Der grundlegende Unterschied liegt dabei in der jeweils verwendeten Wärmequelle. Das Prinzip hinter der Technik bleibt jedoch stets das Gleiche.

Luft-Wasser-Wärmepumpe

Bei dieser Art von Pumpe dient die Umgebungsluft als Wärmequelle. Ein Ventilator saugt die Außenluft an und führt diese dem Verdampfer zu. Dort wird das Kältemittel durch die Wärme der Luft auf Temperatur gebracht und anschließend auf die oben beschriebene Weise zum Verflüssiger transportiert. Dort gibt das Kältemittel seine Wärme an das Heizsystem ab.

Je höher die Außentemperatur ist, desto besser funktioniert dieser Prozess. Allerdings lässt sich ein solches System selbst bei einer Außentemperatur von minus 20 Grad Celsius noch zuverlässig betreiben. Möglich wird dies, da das Kühlmittel nochmals deutlich kälter ist als die Umgebungsluft und selbst bei relativ niedrigen Temperaturen noch verdampft. Sollte die Außentemperatur allerdings noch unter minus 20 Grad sinken, nimmt die Effektivität der Wärmepumpe stark ab, wodurch der Stromverbrauch wiederum erheblich zunimmt.

Die Luft-Wasser-Wärmepumpe bietet den Vorteil, dass sie sich besonders unkompliziert einrichten lässt. Weder ist eine behördliche Genehmigung erforderlich, noch muss vorher eine tiefgelegene Wärmequelle durch aufwendige Erdarbeiten erschlossen werden. Allerdings sollte bei der Planung berücksichtigt werden, dass neben dem Gebäude ein Sicht- und Geräusch-geschützter Platz zur Aufstellung der Anlage zur Verfügung steht.

Wasser-Wasser-Wärmepumpe

Bei dieser Art von Wärmepumpe dient das Grundwasser als Wärmequelle. Hierfür werden zwei Brunnen erschlossen. Über den Saugbrunnen wird das Grundwasser angezapft und dem Wärmetauscher zugeführt. Nachdem das Wasser seine Wärme über den Wärmetauscher abgegeben hat, wird es über den Schluckbrunnen wieder dem Grundwasser zugeführt.

Ehe eine solche Wasser-Wasser-Wärmepumpe eingebaut werden kann, muss zuerst eine Untersuchung des Grundwassers erfolgen. Zum einen muss sichergestellt werden, dass überhaupt genügend Grundwasser vorhanden ist, um einen Teil davon für die Wärmegewinnung zu nutzen. Ferner spielt die Beschaffenheit und Zusammensetzung des Grundwassers eine Rolle. Ist der Sauerstoffgehalt beispielsweise zu hoch, steigt die Korrosionsgefahr. Zudem sollte das Wasser über eine ausreichende Temperatur verfügen. Eine mittlere Temperatur zwischen 8 und 12 Grad Celsius ist optimal.

Die Wasser-Wasser-Wärmepumpe bietet den Vorteil, dass mit ihr über das Jahr hinweg unabhängig von der Außentemperatur geheizt werden kann. Allerdings ist ihr Einbau mit einem größeren finanziellen wie bürokratischen Aufwand verbunden. Für die erforderliche Grundwasseranalyse muss z. B. die Wasserbehörde des Kreises hinzugezogen werden.

Sole-Wasser-Wärmepumpe

Das Erdreich ist eine schier unerschöpfliche Wärmequelle. Auch Privathaushalte haben die Möglichkeit, einen kleinen Teil davon für sich nutzbar zu machen. Das entsprechende System wird als Sole-Wasser-Wärmepumpe oder auch einfach als Erdwärmepumpe bezeichnet. Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten, wie dem Erdboden die thermische Energie entzogen und zum Heizen verwendet werden kann. Verwendung finden hierbei entweder Erdkollektoren oder eine Erdsonde.

Bei der oberflächennahen Methode werden Erdkollektoren (ach Flächenkollektoren genannt) eingesetzt. Dabei werden Schleifen aus Kunststoff in einer Tiefe von 1,20 bis 1,50 m verlegt. Diese decken eine möglichst große Fläche ab und nutzen die im Erdboden gespeicherte Sonnenenergie, um diese anschließend dem Wärmekreislauf zuzuführen. Diese Art der Erdwärmepumpe eignet sich besonders für Neubauten, da vorher ohnehin eine Baugrube ausgehoben werden muss.

Alternativ dazu kann eine Erdbohrung mit einer Tiefe von 50 bis 100 m vorgenommen werden. Darüber wird eine Erdsonde in den Boden eingebracht, über welche die thermische Energie zur Oberfläche transportiert wird. Abhängig von der Beschaffenheit des Bodens sowie der dort enthaltenen Wärme können mehrere Bohrungen und Sonden erforderlich werden. Ähnlich wie bei der Wasser-Wasser-Wärmepumpe ist die Einrichtung einer solchen Erdwärmepumpe mit zusätzlichen Kosten und bürokratischem Aufwand verbunden. Sowohl die zuständige Wasserbehörde wie auch die Bergbehörde sollten während der Planungsphase zurate gezogen werden.

Die Vorteile und Nachteile der Technik im Überblick

Vorteile:

• Durch das Einbinden der Umweltwärme werden die Heizkosten massiv gesenkt.
• Wärmepumpen gelten als umweltschonend und ersetzen die Nutzung fossiler Brennstoffe.
• Da rund 75 Prozent der Heizenergie aus der Umwelt stammen, weisen sie einen Wirkungsgrad von 300 bis 400 Prozent auf.
• Es wird kein zusätzlicher Platz zur Lagerung eines fossilen Energieträgers benötigt.
• Reversible Wärmepumpen erlauben es, den Innenbereich im Sommer zu kühlen.
  

Nachteile:

• Die Installation ist von den örtlichen Gegebenheiten abhängig.
• Für einige Varianten (Erd- und Wasserwärmepumpen) sind zusätzliche Genehmigungen erforderlich.
• Luftwärmepumpen sind mit einer Geräuschentwicklung im Außenbereich verbunden.
• Tiefenbohrungen sind mit hohen Zusatzkosten verbunden.

Worauf sollte man bei der Planung achten?

Zum einen sind je nach vorgesehener Wärmepumpe Untersuchungen und Behördengänge erforderlich. Darüber hinaus gibt es Möglichkeiten, um die Effektivität des eigenen Pumpensystems noch weiter zu verbessern. Für die optimale Nutzung einer Wärmepumpe empfiehlt es sich, eine Flächenheizung im Haus zu verbauen. Dies kann z. B. in Form einer Fußbodenheizung geschehen.

Ferner kann es sinnvoll sein, neben der Pumpe einen zusätzlichen Pufferspeicher einzubauen. Dieser speichert überschüssige Wärme solange, bis diese für den Heizbetrieb benötigt wird. Dies bietet den konkreten Vorteil, dass die Anlage auch dann Betrieben werden kann, wenn gerade keine Heizwärme benötigt wird. Häufiges Ein- und Ausschalten kann die Lebenszeit der Anlage verkürzen. Zudem lässt sich mit einem solchen Pufferspeicher eine eventuelle Sperrzeit des Energieversorgers umgehen.

Zuletzt besteht die Möglichkeit, eine Wärmepumpen-Anlage mit einer Photovoltaikanlage zu kombinieren. Auf diese Weise gewinnt man den für den Betrieb notwendigen Strom komplett selbst und macht sich vollständig unabhängig von fossilen Energieträgern.

Die Preise für Wärmepumpen im Überblick

Die konkreten Preise bzw. Kosten eines Wärmepumpensystems sind variabel. Wie hoch der Preis im Einzelfall ausfällt, hängt davon ab, welche Art von System man sich zulegt.

• Luftwärmepumpen sind meist im Vergleich am günstigsten zu haben. Die Kosten liegen dabei im Durchschnitt zwischen 15.000 und 26.000 Euro.
• Bei Erdwärmepumpen müssen zusätzlich noch Erdarbeiten vorgenommen werden. Die Kosten können dadurch auf 22.000 bis 25.000 Euro oder mehr steigen. Der Einbau von oberflächennahen Flächenkollektoren ist günstiger als die Tiefenbohrung mit Erdsonde.
• Der Preis einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe kann je nach gewünschter Leistungsfähigkeit und Beschaffenheit des Untergrunds stark variieren. Berücksichtigt man die notwendigen Untersuchungen, Genehmigungen und Erd- sowie Montagearbeiten, ist eine Preisspanne zwischen 17.000 und 39.000 Euro üblich.