Definition: Was ist eine Wärmepumpe?
Eine Wärmepumpe ist ein technisches Heizsystem, das Wärme aus der Umgebung aufnimmt und auf ein höheres Temperaturniveau bringt. Als Wärmequellen können Außenluft, Erdreich, Grundwasser oder andere Niedertemperaturquellen dienen. Für diesen Prozess benötigt die Wärmepumpe elektrische Energie.
Das Grundprinzip ähnelt einem Kühlschrank, arbeitet für Heizzwecke jedoch in umgekehrter Richtung. Statt einem Innenraum Wärme zu entziehen und sie nach außen abzugeben, entzieht die Wärmepumpe der Umgebung Wärme und gibt sie an ein Gebäude oder Warmwassersystem ab.
Funktionsweise
Eine Wärmepumpe arbeitet mit einem geschlossenen Kreislauf, in dem ein Kältemittel zirkuliert. Dieses nimmt bei niedriger Temperatur Wärme auf und verdampft.
Anschließend wird das gasförmige Kältemittel verdichtet, wodurch Temperatur und Druck steigen.
Kältekreislauf
Der Kältekreislauf besteht im Wesentlichen aus Verdampfer, Verdichter, Verflüssiger und Expansionsventil.
Diese Bauteile ermöglichen es, Umweltwärme kontinuierlich aufzunehmen und auf ein für die Gebäudeheizung nutzbares Temperaturniveau zu bringen.
Verdampfer
Im Verdampfer nimmt das Kältemittel Wärme aus Luft, Erdreich oder Wasser auf.
Durch die Wärmeaufnahme wechselt es vom flüssigen in den gasförmigen Zustand.
Niedrige Verdampfungstemperatur
Kältemittel besitzen so niedrige Siedetemperaturen, dass sie auch bei vergleichsweise kalter Außenluft verdampfen können.
Dadurch lassen sich selbst niedrige Umgebungstemperaturen als Wärmequelle nutzen.
Verdichter
Der Verdichter komprimiert das gasförmige Kältemittel. Dadurch steigen Druck und Temperatur deutlich an.
Für diesen Arbeitsschritt wird elektrische Energie benötigt.
Strombedarf
Der Verdichter ist der wichtigste Stromverbraucher einer Wärmepumpe.
Wie viel Strom benötigt wird, hängt stark vom Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle und Heizsystem ab.
Verflüssiger
Im Verflüssiger gibt das heiße Kältemittel seine Wärme an das Heizsystem ab.
Dabei kondensiert es und wird wieder flüssig.
Wärmeabgabe
Die übertragene Wärme kann Heizungswasser erwärmen oder zur Warmwasserbereitung genutzt werden.
Danach setzt sich der Kreislauf über das Expansionsventil fort.
Expansionsventil
Das Expansionsventil reduziert den Druck des flüssigen Kältemittels.
Dadurch sinkt auch seine Temperatur.
Neuer Kreislauf
Das abgekühlte Kältemittel gelangt anschließend erneut in den Verdampfer.
Dort kann es wieder Umweltwärme aufnehmen.
Luft-Wasser-Wärmepumpe
Luft-Wasser-Wärmepumpen entziehen der Außenluft Wärme und übertragen sie auf ein wassergeführtes Heizsystem.
Sie sind vergleichsweise einfach zu installieren, weil keine Bohrungen oder großen Erdarbeiten notwendig sind.
Außentemperatur
Sinkt die Außentemperatur, steht weniger nutzbare Wärme auf hohem Temperaturniveau zur Verfügung.
Die Wärmepumpe muss dann mehr elektrische Energie aufwenden, um die gewünschte Heiztemperatur zu erreichen.
Luft-Luft-Wärmepumpe
Luft-Luft-Wärmepumpen übertragen Wärme direkt auf die Raumluft.
Sie benötigen keine klassische wassergeführte Heizungsverteilung.
Klimageräte
Viele Split-Klimageräte können sowohl kühlen als auch heizen und arbeiten dabei nach dem Prinzip einer Luft-Luft-Wärmepumpe.
Sie können besonders in Gebäuden mit geringem Wärmebedarf effizient eingesetzt werden.
Sole-Wasser-Wärmepumpe
Sole-Wasser-Wärmepumpen nutzen das Erdreich als Wärmequelle. Eine Flüssigkeit zirkuliert durch Erdsonden oder flach verlegte Erdkollektoren und nimmt dort Wärme auf.
Das Erdreich besitzt über das Jahr hinweg vergleichsweise stabile Temperaturen.
Erdsonden
Erdsonden werden durch Bohrungen in größere Tiefen eingebracht.
Sie benötigen wenig Grundstücksfläche, erfordern jedoch geeignete geologische Bedingungen und entsprechende Genehmigungen.
Erdkollektoren
Erdkollektoren werden in relativ geringer Tiefe großflächig im Boden verlegt.
Sie benötigen daher mehr Grundstücksfläche als Erdsonden.
Regeneration des Bodens
Das Erdreich wird durch Sonnenenergie, Niederschlag und Wärme aus der Umgebung wieder erwärmt.
Eine ausreichende Dimensionierung verhindert, dass der Boden langfristig zu stark auskühlt.
Wasser-Wasser-Wärmepumpe
Wasser-Wasser-Wärmepumpen nutzen Grundwasser als Wärmequelle. Grundwasser besitzt häufig über das Jahr relativ gleichmäßige Temperaturen.
Dadurch können solche Anlagen sehr effizient arbeiten.
Brunnen
Typischerweise wird Grundwasser aus einem Förderbrunnen entnommen und nach der Wärmeübertragung über einen zweiten Brunnen wieder in den Untergrund geleitet.
Wasserqualität und hydrogeologische Bedingungen müssen dafür geeignet sein.
Arbeitszahl
Die Effizienz einer Wärmepumpe wird häufig durch die Arbeitszahl beschrieben. Sie setzt die bereitgestellte Wärmemenge ins Verhältnis zur eingesetzten elektrischen Energie.
Eine Arbeitszahl von vier bedeutet beispielsweise, dass aus einer Einheit Strom etwa vier Einheiten Wärme bereitgestellt werden.
Umweltwärme
Die zusätzliche Energie stammt aus der Umwelt und muss nicht elektrisch erzeugt werden.
Deshalb kann eine Wärmepumpe deutlich mehr Wärme liefern, als sie an Strom verbraucht.
Jahresarbeitszahl
Die Jahresarbeitszahl betrachtet den tatsächlichen Betrieb über ein ganzes Jahr.
Sie berücksichtigt wechselnde Außentemperaturen, Warmwasserbereitung und unterschiedliche Betriebszustände.
Praxiswert
Die Jahresarbeitszahl ist deshalb für die reale Energie- und Klimabilanz aussagekräftiger als ein einzelner Laborwert.
Sie wird stark von Gebäude, Heizsystem und Anlagenplanung beeinflusst.
Vorlauftemperatur
Die Vorlauftemperatur ist die Temperatur des Heizwassers, das zu Heizkörpern oder Flächenheizungen geleitet wird.
Je niedriger diese Temperatur ist, desto effizienter kann eine Wärmepumpe in der Regel arbeiten.
Temperaturhub
Der Temperaturhub beschreibt den Unterschied zwischen Temperatur der Wärmequelle und benötigter Heiztemperatur.
Ein kleiner Temperaturhub reduziert die notwendige Verdichterarbeit.
Fußbodenheizung
Fußbodenheizungen besitzen große Wärmeübertragungsflächen und können deshalb mit relativ niedrigen Vorlauftemperaturen arbeiten.
Sie sind besonders gut mit Wärmepumpen kombinierbar.
Flächenheizung
Auch Wand- und Deckenheizungen nutzen große Flächen zur Wärmeübertragung.
Dadurch kann ein Gebäude mit niedrigeren Heizwassertemperaturen beheizt werden.
Heizkörper
Wärmepumpen können auch mit Heizkörpern betrieben werden. Entscheidend ist, welche Vorlauftemperatur an kalten Tagen tatsächlich benötigt wird.
Große oder modernisierte Heizkörper können die notwendige Temperatur reduzieren.
Bestandsgebäude
Eine Wärmepumpe ist daher nicht ausschließlich für Neubauten geeignet.
Bei Bestandsgebäuden sind Heizlast, Dämmstandard und Heizflächen besonders sorgfältig zu prüfen.
Gebäudedämmung
Eine gute Wärmedämmung reduziert den Heizenergiebedarf und ermöglicht häufig niedrigere Vorlauftemperaturen.
Dadurch kann die Wärmepumpe kleiner ausgelegt und effizienter betrieben werden.
Sanierung
Fenstertausch, Dach- oder Fassadendämmung können Wärmeverluste reduzieren.
Nicht jede Sanierungsmaßnahme ist zwingende Voraussetzung für eine Wärmepumpe, kann deren Betrieb aber deutlich verbessern.
Heizlast
Die Heizlast beschreibt die Wärmeleistung, die ein Gebäude bei niedrigen Außentemperaturen benötigt.
Sie hängt unter anderem von Gebäudefläche, Dämmung, Fenstern und Luftwechsel ab.
Dimensionierung
Eine Wärmepumpe sollte möglichst passend zur tatsächlichen Heizlast dimensioniert werden.
Eine stark überdimensionierte Anlage kann häufiger ein- und ausschalten und dadurch ineffizienter arbeiten.
Warmwasserbereitung
Wärmepumpen können neben Raumheizung auch Trinkwarmwasser erzeugen.
Dafür sind höhere Temperaturen notwendig als bei vielen Flächenheizungen.
Speicher
Ein Warmwasserspeicher hält erwärmtes Wasser für spätere Nutzung bereit.
Dadurch können Wärmeerzeugung und Warmwasserverbrauch zeitlich voneinander entkoppelt werden.
Kühlen mit Wärmepumpen
Viele Wärmepumpensysteme können im Sommer auch zur Kühlung eingesetzt werden.
Dabei wird der Wärmetransport umgekehrt und Wärme aus dem Gebäude nach außen abgeführt.
Passive Kühlung
Bei Erd- oder Grundwassersystemen kann teilweise ohne aktiven Verdichterbetrieb gekühlt werden.
Die vergleichsweise niedrige Temperatur des Untergrunds wird direkt genutzt.
Wärmepumpe und Photovoltaik
Photovoltaikanlagen können einen Teil des Stroms für eine Wärmepumpe bereitstellen.
Dadurch lassen sich Strom- und Wärmeversorgung eines Gebäudes stärker miteinander verbinden.
Eigenverbrauch
Wird die Wärmepumpe bevorzugt bei hoher Solarstromproduktion betrieben, steigt der direkte Eigenverbrauch.
Wärmespeicher können diese zeitliche Verschiebung unterstützen.
Wärmepumpe und Stromnetz
Eine zunehmende Zahl elektrischer Heizungen erhöht den Strombedarf, insbesondere während kalter Winterperioden.
Stromnetze und Erzeugungskapazitäten müssen deshalb entsprechend entwickelt werden.
Flexible Steuerung
Wärmepumpen können einen Teil ihres Betriebs zeitlich verschieben, wenn Gebäude und Speicher ausreichend Wärme puffern.
Dadurch können sie künftig stärker auf Stromangebot und Netzbelastung reagieren.
Wärmespeicher
Heizungswasser oder Gebäudemasse kann Wärme zeitweise speichern.
Diese Speicherfähigkeit ermöglicht eine gewisse Entkopplung von Stromverbrauch und Wärmebedarf.
Pufferspeicher
Pufferspeicher nehmen Wärme auf und geben sie später an das Heizsystem ab.
Ob ein zusätzlicher Speicher sinnvoll ist, hängt von Anlagenkonzept und Regelung ab.
Wärmepumpe und Klimaschutz
Wärmepumpen können fossile Öl- und Gasheizungen ersetzen und dadurch direkte Kohlendioxidemissionen im Gebäude vermeiden.
Ihre indirekten Emissionen hängen vom Strommix und der Effizienz der Anlage ab.
Erneuerbarer Strom
Mit einem steigenden Anteil erneuerbarer Energien im Stromsystem verbessert sich die Klimabilanz von Wärmepumpen kontinuierlich.
Eine bereits installierte Anlage profitiert damit von der weiteren Dekarbonisierung des Strommixes.
Wärmepumpe und Primärenergie
Da ein großer Teil der bereitgestellten Wärme aus der Umgebung stammt, benötigt eine Wärmepumpe weniger Endenergie als eine direkte elektrische Widerstandsheizung.
Die Primärenergiebilanz hängt zusätzlich von der Herkunft des eingesetzten Stroms ab.
Elektrifizierung der Wärme
Wärmepumpen ermöglichen es, erneuerbaren Strom für die Gebäudeheizung nutzbar zu machen.
Sie sind daher ein zentraler Bestandteil der Wärmewende.
Kältemittel
Das Kältemittel ist für den thermodynamischen Kreislauf einer Wärmepumpe notwendig.
Je nach Stoff unterscheiden sich physikalische Eigenschaften, Sicherheitsanforderungen und Klimawirkung.
Fluorierte Kältemittel
Einige fluorierte Kältemittel besitzen ein hohes Treibhauspotenzial.
Leckagen können deshalb die Klimabilanz einer Anlage verschlechtern.
Natürliche Kältemittel
Als natürliche Kältemittel werden unter anderem Propan, Kohlendioxid und Ammoniak eingesetzt.
Sie besitzen häufig ein deutlich geringeres Treibhauspotenzial als bestimmte fluorierte Stoffe.
Propan
Propan besitzt gute thermodynamische Eigenschaften und wird zunehmend in Wärmepumpen verwendet.
Da es brennbar ist, müssen entsprechende Sicherheitsanforderungen beachtet werden.
Geräusche
Besonders Luft-Wasser-Wärmepumpen besitzen Ventilatoren und Verdichter, die Betriebsgeräusche erzeugen.
Die Lautstärke hängt von Gerät, Betriebszustand und Aufstellort ab.
Standortwahl
Ein ausreichender Abstand zu empfindlichen Bereichen und eine geeignete Ausrichtung können Lärmbelastungen reduzieren.
Auch Schallschutzmaßnahmen und moderne Geräte tragen dazu bei.
Rohstoffe
Wärmepumpen benötigen Metalle, Kunststoffe, elektronische Bauteile und Kältemittel.
Die Herstellung verursacht daher ebenso wie andere Heizsysteme Material- und Energieaufwand.
Lebensdauer
Eine lange Nutzungsdauer verbessert die Ressourceneffizienz einer Anlage.
Regelmäßige Wartung und austauschbare Komponenten können dazu beitragen.
Recycling
Am Ende der Nutzungsdauer können Metalle und andere Bauteile einer Wärmepumpe zurückgewonnen werden.
Kältemittel müssen fachgerecht abgesaugt und behandelt werden.
Kreislaufwirtschaft
Recyclinggerechte Konstruktion erleichtert die Trennung von Metallen, Kunststoffen und elektronischen Komponenten.
Dadurch können mehr Materialien als Sekundärrohstoffe genutzt werden.
Wärmepumpen in Wärmenetzen
Große Wärmepumpen können auch in Nah- und Fernwärmesystemen eingesetzt werden.
Als Wärmequellen kommen beispielsweise Flüsse, Seen, Abwasser oder industrielle Abwärme infrage.
Abwärmenutzung
Niedertemperatur-Abwärme ist für viele direkte Anwendungen zu kalt, kann aber durch eine Wärmepumpe auf ein nutzbares Temperaturniveau gebracht werden.
Dadurch lässt sich Energie verwenden, die sonst an die Umgebung abgegeben würde.
Industriewärmepumpen
Auch in Industrieprozessen können Wärmepumpen eingesetzt werden, wenn Wärme auf mittleren Temperaturniveaus benötigt wird.
Technische Entwicklungen erweitern dabei zunehmend den möglichen Temperaturbereich.
Prozesswärme
Wärmepumpen können Abwärme aus einem Produktionsschritt aufnehmen und für einen anderen Prozess nutzbar machen.
Dadurch sinkt der Bedarf an zusätzlicher Brennstoffenergie.
Hybride Heizsysteme
Eine Wärmepumpe kann mit einem weiteren Wärmeerzeuger kombiniert werden. Solche Systeme werden als Hybridheizungen bezeichnet.
Die Steuerung entscheidet, welches System unter bestimmten Bedingungen eingesetzt wird.
Bivalenter Betrieb
Bei bivalentem Betrieb übernimmt die Wärmepumpe einen großen Teil der Heizperiode, während ein zweites System bei besonders hoher Last unterstützt.
Die ökologische Wirkung hängt davon ab, welcher zusätzliche Energieträger verwendet wird.
Wärmepumpen und Sanierung
Beim Austausch einer alten Heizung ist es sinnvoll, das gesamte Gebäude und Heizsystem zu betrachten.
Heizflächen, Dämmstandard und hydraulische Einstellungen beeinflussen die spätere Effizienz.
Hydraulischer Abgleich
Ein hydraulischer Abgleich sorgt dafür, dass Heizflächen bedarfsgerecht mit Heizwasser versorgt werden.
Dadurch können unnötig hohe Vorlauftemperaturen und Pumpenleistungen reduziert werden.
Wartung
Wärmepumpen besitzen keine klassische Verbrennung, benötigen aber dennoch Wartung und Kontrolle.
Filter, Ventilatoren, Kältemittelkreislauf und Regelung sollten funktionsfähig gehalten werden.
Effizienter Betrieb
Falsche Einstellungen können den Stromverbrauch erhöhen.
Eine gut angepasste Heizkurve und möglichst niedrige Systemtemperaturen verbessern die Effizienz.
Grenzen von Wärmepumpen
Wärmepumpen sind nicht in jeder Situation ohne Anpassungen optimal einsetzbar. Sehr hohe benötigte Heiztemperaturen können den Stromverbrauch erhöhen.
Auch begrenzte Grundstücksflächen, Schallschutz oder ungeeignete Wärmequellen können die Auswahl einschränken.
Systemplanung
Die geeignete Wärmepumpentechnik hängt daher vom jeweiligen Gebäude und Standort ab.
Eine sorgfältige Planung ist entscheidend für Wirtschaftlichkeit, Komfort und Umweltwirkung.
Wärmepumpe und Energiewende
Wärmepumpen verbinden den Wärmesektor mit dem Stromsystem. Dadurch kann erneuerbarer Strom fossile Brennstoffe in der Gebäudeheizung ersetzen.
Sie gehören deshalb zu den Schlüsseltechnologien für die Dekarbonisierung der Wärmeversorgung.
Sektorenkopplung
Die zunehmende Verbindung von Strom, Wärme und Verkehr wird als Sektorenkopplung bezeichnet.
Wärmepumpen ermöglichen dabei eine besonders effiziente Nutzung elektrischer Energie zur Wärmebereitstellung.
Zusammenfassung
Eine Wärmepumpe entzieht Luft, Erdreich oder Wasser Wärme und bringt sie mithilfe elektrischer Energie auf ein höheres Temperaturniveau. Da ein großer Teil der Heizenergie aus der Umwelt stammt, kann sie deutlich mehr Wärme bereitstellen, als sie an Strom benötigt.
Besonders effizient arbeiten Wärmepumpen bei niedrigen Vorlauftemperaturen und gut angepassten Heizsystemen. Mit einem zunehmend erneuerbaren Strommix können sie fossile Heizungen ersetzen und Treibhausgasemissionen erheblich reduzieren. Damit sind sie ein zentraler Baustein der Wärmewende und der Elektrifizierung des Energiesystems.
