Wärmepumpe: Effizientes Heizen mit Umweltenergie

Geht es um die Beheizung der eigenen vier Wände, fällt es vielen Hausbesitzern schwer die passende Heiztechnik zu finden. Eine Alternative zu unsicheren Brennstoffkosten ist dabei die Wärmepumpe. Sie nutzt thermische Energie, die in Luft, Erde oder Wasser gespeichert ist und sorgt für mollige Wärme im eigenen Zuhause. Wie eine Wärmepumpe funktioniert, welche Arten es gibt und wie viel eine Wärmepumpe kostet, erfahren Sie im folgenden Text.

Gebäude mit einer Wärmepumpe an der Außenmauer

Eine Wärmepumpe – was ist das eigentlich?

Eine Wärmepumpe ist eine Heizung, welche die in der Umwelt gespeicherte thermische Energie nutzt, um Gebäude zu erwärmen. Anders als bei Holz-, Öl- oder Gasheizungen, funktioniert das jedoch nicht durch eine Verbrennung, sondern über einen komplizierten technischen Prozess. Wie in einem Kühlschrank kommt es dabei darauf an, thermische Energie mit geringen Temperaturen, auf ein höheres Niveau anzuheben. Während das im Kühlschrank dazu führt, dass das Innere angenehm kühl bleibt, ermöglicht der Prozess in der Wärmepumpe, dass die Umweltwärme im Heizungssystem verwendet werden kann. Einen Überblick über weitere Heizmöglichkeiten gibt es in der Rubrik Heizungsüberblick.

Woher kommt die Umweltenergie für eine Wärmepumpen-Heizung?

Je nachdem, in welcher Region sich Ihr Gebäude befindet, kann die Umweltenergie der Wärmepumpe aus verschiedenen Quellen gewonnen werden. Zur Auswahl steht dabei die Nutzung der thermischen Energie aus:

  • der Luft
  • dem Erdreich
  • dem Grundwasser

Unsichtbar und immer verfügbar: Thermische Energie aus der Luft

Darstellung der Funktionsweise einer Luft-Luft-Wärmepumpe anhand der Skizze eines Hauses

Die Luft ist die Umweltenergiequelle, die Sie mit einer Wärmepumpe am einfachsten anzapfen können. Denn alles, was dafür nötig ist, ist eine Vorrichtung zum Ansaugen und Ausblasen der Außenluft. Soll die Luft-Wärmepumpe im Inneren des Gebäudes aufgestellt werden, funktioniert das zum Beispiel über Kanäle, die das Heizgerät mit Lüftungsgittern in der Außenwand verbinden. Mit einem Gerät zur Außenaufstellung entfallen sogar diese Kanäle und die thermische Energie der Luft kann direkt aus der Umgebung gewonnen werden. Ein Nachteil der Energiequelle Luft ist allerdings, dass diese im Winter – in der Zeit in der die Heizung am meisten gebraucht wird – oft nur mit Temperaturen von unter dem Gefrierpunkt vorhanden ist. Dadurch müssen die Wärmeübertrager, über die die kalte Außenluft geleitet wird, immer frostfrei gehalten werden und die Effizienz der Wärmepumpe sinkt.

Solarwärme aus der Tiefe: die Energiequelle Erde

Wie in der Luft ist auch in der Erde thermische Energie gespeichert, die Sie mit Sole-Wasser-Wärmepumpen zum Heizen nutzen können. Möglich wird das über in das Erdreich eingebrachte Rohrleitungen, durch die ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel zirkuliert. Diese Sole genannte Flüssigkeit entzieht der Erde Wärme und transportiert sie zur Wärmepumpe. Je nach Platz und Bodenbeschaffenheit können die Leitungen zum Beispiel in Form von Tiefenbohrungen oder Flachkollektoren eingebracht werden. Bei Tiefenbohrungen werden die Kunststoffrohre (Sonden) in bis zu 100 Meter tiefen Bohrlöchern installiert. Während jeder Meter dem Erdreich dabei eine thermische Energie von etwa 50 Watt entziehen kann, benötigen Sie zur Beheizung eines modernen Gebäudes ca. 150 Tiefen-Meter, die auf mehrere Bohrungen aufgeteilt werden können. Sind Sondenbohrungen aus technischen oder rechtlichen Gründen nicht möglich, können Sie die thermische Energie der Erde auch direkt unter der Oberfläche gewinnen. So ähnlich wie bei einer Fußbodenheizung, werden die Rohre dabei ein einer Tiefe von etwa 1,50 Metern verlegt. Während jeder Quadratmeter dem Boden etwa 25 Watt entzieht, benötigen Sie zum Beheizen eines modernen Einfamilienhauses eine Gesamtfläche von rund 350 Quadratmetern. Eine besondere Form der Sole-Wärmepumpe ist das Heizen mit dem Eisspeicher.

Im Vergleich zur Luft kann die thermische Energie aus dem Erdreich ganzjährig mit höheren Temperaturen gewonnen werden. Das erhöht die Effizienz der Wärmepumpe und senkt die anfallenden Heizkosten. Vor allem Tiefenbohrungen sind genehmigungspflichtig und nicht überall zulässig. Auskunft bekommen Sie in der Regel bei Ihrem Landratsamt.

Wärme im Fluss: Thermische Energie im Grundwasser

Wie in der Luft oder dem Erdreich ist thermische Energie auch im Grundwasser gespeichert. Nutzen können Sie diese über zwei Brunnen, die das Wasser aus der Tiefe zur Wasser-Wasser-Wärmepumpe und zurück in das Erdreich transportieren. Wichtig dabei ist, dass die Brunnen in Fließrichtung des Grundwassers mit einem Mindestabstand installiert werden. Denn nur so kann gewährleistet werden, dass bereits abgekühltes Grundwasser nicht noch einmal zum Heizgerät transportiert wird. Ob eine Wärmepumpe ohne Weiteres mit dem Grundwasser eingesetzt werden kann, entscheidet sich nach einer Prüfung der Wasserqualität. Denn verschiedene chemische Inhaltsstoffe können den Wärmeübertrager stark belasten und die Funktion einschränken. Im Vergleich zu Luft und Erde zählt die im Grundwasser gespeicherte thermische Energie durch ganzjährig konstante Temperaturen zu einer der effizientesten Quellen für Wärmepumpen. Die Nutzung ist jedoch genehmigungspflichtig und nicht überall erlaubt. Ob eine Wasser-Wärmepumpe in Ihrer Region zulässig ist, erfahren Sie bei Ihrem Landratsamt.

Funktionsweise der Wasser-Wasser-Wärmepumpe anhand der Abbildung eines Hauses

Der Wärmepumpen-Prozess im Detail: einfach erklärt

Eine Wärmepumpe nutzt thermische Energie aus der Umwelt zum Heizen. Damit die Funktionsweise der Wärmepumpe so funktioniert, ist ein technischer Prozess nötig, der neben zwei Wärmeübertragern, aus einem Verdichter, einem Entspanner-Ventil und einem geschlossenen Rohrnetz besteht.

Der erste Wärmeübertrager (der Verdampfer) überträgt dabei die thermische Energie aus Luft, Erde oder Wasser auf ein Kältemittel, das durch besondere physikalische Eigenschaften bereits bei niedrigen Temperaturen verdampft. Das ist eine Voraussetzung für den zweiten Schritt des Wärmepumpen-Prozesses. Denn in diesem erhöht ein Verdichter den Druck des dampfförmigen Kältemittels so weit, bis seine Temperatur über der des Heizungssystems liegt. Nur so kann die Wärme über einen weiteren Wärmeübertrager (den Verflüssiger) auch an das Heizungssystem abgegeben werden. Während das Kältemittel dabei abkühlt, sinkt auch sein Druck und das Medium wird langsam wieder flüssig. Vollständig regeneriert fließt das Kältemittel durch das Entspannerventil, das den Druck auf den Ausgangszustand zurückbringt, zurück zum Verdampfer und der Wärmepumpen-Prozess beginnt von vorn. Die folgende Abbildung verdeutlicht den Wärmepumpen-Prozess noch einmal grafisch:

Funktionsweise einer Wärmepumpe im Detail

Grafik: Alexander Rosenkranz

Was Sie wissen sollten ist, dass die Effizienz der Wärmepumpe steigt, je niedriger der Temperaturhub über den meist elektrisch angetriebenen Verdichter ist. Eine Wärmepumpe arbeitet also immer dann besonders wirtschaftlich, wenn die thermische Energie aus der Umwelt mit einer hohen Temperatur gewonnen werden kann und die Temperatur im Heizungssystem besonders niedrig ist. Möglich wird das zum Beispiel durch die Kombination eine Sole-Wärmepumpe mit einer Flächenheizung oder einem groß dimensionierten Heizkörper.

Was kostet eine Wärmepumpe?

Die Kosten einer Wärmepumpe unterscheiden sich in drei Bereiche:

  • Kosten für die Gewinnung der thermischen Energie aus Luft, Erde oder Wasser
  • Kosten für das Heizgerät selbst
  • Kosten für den Betrieb

Die Kosten für die Gewinnung der Umweltenergie

Die größten Unterschiede treten bei der Wahl der Umweltenergiequelle auf. Denn während bei einer Luft-Wärmepumpe kaum zusätzliche Technik erforderlich ist, müssen bei einer Sole-Wärmepumpe auch die Sondenbohrungen oder Flachkollektoren bezahlt werden. Generell entstehen dabei Kosten von etwa 60 bis 80 Euro pro Meter Tiefenbohrung oder 10 bis 20 Euro pro Quadratmeter Flächenkollektor. Bei einer Wasser-Wärmepumpe entstehen Kosten durch die Bohrung der beiden Brunnen, über die Grundwasser zum Heizgerät und zurück in das Erdreich transportiert wird. Bei einem typischen Einfamilienhaus belaufen sich diese auf etwa 5.000 bis 6.000 Euro.

Die Kosten für die Wärmepumpe selbst

Die Wärmepumpe selbst besteht auch unabhängig der Umweltenergie-Quelle aus den gleichen Komponenten. Für den Einsatz in einem Einfamilienhaus entstehen dabei Kosten von etwa 10.000 bis 12.000 Euro, die jedoch durch eine Förderung für eine Wärmepumpe bezuschusst werden können. Die Preise für eine Wärmepumpe variieren jedoch stark nach Art der Wärmepumpe, Region, Hersteller und Dienstleister und stellen damit nur eine grobe Kosteneinschätzung dar.

Die Kosten für den Betrieb der Wärmepumpe

Da die meisten Wärmepumpen elektrisch betrieben werden, verursachen Sie auch Stromkosten. Die Höhe der Betriebskosten richtet sich dabei nach der gewählten Umweltenergie-Quelle, dem energetischen Stand des Gebäudes und der Art, in der die Wärme an die Räume übertragen wird und kann nur für jedes Gebäude einzeln ermittelt werden.

Gibt es Alternativen zur Wärmepumpe?

Wärmepumpen nutzen kostenfreie thermische Energie aus der Umwelt und unterscheiden sich daher deutlich von herkömmlichen Wärmeerzeugern, wie einer Gasheizung oder einer Ölheizung. Im Vergleich zu Photovoltaik oder Solarthermie bieten Sie die einzige Möglichkeit, moderne Gebäude mit geringem Aufwand auch allein mit Wärme zu versorgen. Denn während Photovoltaik-Anlagen die Energie der Sonne nutzen, um Strom zu erzeugen, sind Solarhäuser Gebäude, die überwiegend über thermische Energie der Sonne beheizt werden – technisch besonders aufwendig. So benötigen diese zum Beispiel saisonale Wärmespeicher, die aufgrund ihrer Größe oft durch das gesamte Gebäude reichen.

Photovoltaik- und Solaranlagen eignen sich dagegen besonders gut, um die Energieversorgung moderner Gebäude zusammen mit einer Wärmepumpe zu gewährleisten. So sorgen Solarthermie-Anlagen zum Beispiel für ausreichend Wärme zur Warmwasserbereitung und entlasten die Wärmepumpe. Die Kombination einer Wärmepumpe mit Photovoltaik kann zusätzlich einen Teil des Strombedarfs regenerativ decken und zu weiter sinkenden Heizkosten führen.

Die Vor- und Nachteile der Wärmepumpe im Überblick

Wärmepumpen sind langjährig erprobte Heizgeräte, die mit der Nutzung thermischer Energie aus der Umwelt regenerativ arbeiten. Vorteile der Wärmepumpe sind:

  • die geringen Heizkosten
  • die Unabhängigkeit von Preisschwankungen fossiler Energieträger
  • die Finanzierung über Fördermittel des Bundes
  • der wartungsarme Betrieb
  • die Schonung fossiler Ressourcen
  • der CO2-freie Betrieb

Wie andere Heiztechnologien haben aber auch Wärmepumpen Nachteile. Diese sind:

  • hohe Anschaffungskosten
  • der höhere Aufwand durch genehmigungspflichtige Nutzung einiger Umweltenergiequellen
  • hohe Stromkosten bei fehlerhafter Planung
Alexander Rosenkranz

Fazit von Alexander Rosenkranz

Wärmepumpen sind effiziente Heizgeräte, die moderne Gebäude nachhaltig mit Energie versorgen, den Klimawandel entlasten und die Energiewende unterstützen können. Um hohe Heizkosten zu vermeiden, liegt der Schwerpunkt allerdings auf einer umfassenden und ausgereiften Planung. Nicht jedes Haus ist für eine Wärmepumpe geeignet.

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