Wärmepumpe effizient betreiben – die Voraussetzungen

Mit diesen Faktoren müssen Sie rechnen

Das Thema Wärmepumpe polarisiert, aber die Technik kann nichts dafür: Selbst die am wenigsten effizienten Luftwärmepumpen sind immer noch deutlich effizienter als die besten Öl-, Gas- oder Holzheizungen. Um die richtige Wärmepumpe für das eigene Haus zu finden und im Betrieb das Beste aus ihr herauszuholen, sollten Sanierer und Bauherren die Wirkweise dieser modernen Wärmeerzeuger verstehen und schon vor dem Kauf prüfen, ob und wie sich die Voraussetzungen für den maximal effizienten Betrieb im Haus und auf dem Grundstück erfüllen lassen.

Funktion und Wirkweise unterschiedlicher Wärmepumpen-Arten

Wärmepumpen gewinnen Wärme aus der Außenluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser. Luftwärmepumpen nutzen Ventilatoren, um Außenluft anzusaugen. Die daraus gewonnene Wärme kann für eine Luftheizung (Luft-Luft-Wärmepumpe) oder Wasserheizung (Luft-Wasser-Wärmepumpe) verwendet werden.

Erdwärmepumpen (auch Sole- oder Sole-Wasser-Wärmepumpen genannt) – gewinnen Wärmeenergie über im Erdreich vergrabene Leitungen (Sonden oder Kollektoren), in denen als frostsicheres Medium Sole zirkuliert. Das ist eine Mischung aus Wasser und Frostschutzmittel (meistens Ethylenglykol oder Propylenglykol).

Hinweis: Die Erdwärmepumpe ist nicht zu verwechseln mit einem Erdwärmetauscher zum Vortemperieren der Luft für Wärmepumpe oder Lüftungsgerät.

Grundwasser-Wärmepumpen benötigen zwei Brunnen (einen Saug- und einen Schluckbrunnen), um Grundwasser zu fördern und dessen thermische Energie aufzunehmen. Ein geschlossenes Leitungssystem wie für Sole bei Erd-Wärmepumpe ist nicht erforderlich, weil das Grundwasser als natürlicher Wärmeträger fungiert. Ist ausreichend Grundwasser verfügbar, ist diese Variante daher besonders umweltfreundlich; die Wärmepumpe kann auch zur freien Kühlung oder der Brunnen zur Gartenbewässerung genutzt werden.

Die aus der Umwelt gewonnene Wärme wird in der Wärmepumpe auf ein Kältemittel übertragen, das in einem eigenen geschlossenen Kreislauf zirkuliert. Hier sitzt auch der Haupt-Stromverbraucher der Wärmepumpe, der Kompressor. Er sorgt dafür, dass das Kältemittel abwechselnd verdampft, verdichtet, verflüssigt und wieder entspannt wird. Beim Verdampfen nimmt es Wärme auf, durch Komprimieren steigt die Temperatur weiter an, beim Verflüssigen wird Wärme an die Luft oder das (Heizungs-)Wasser abgegeben. Dann wird das Kältemittel dekomprimiert (entspannt), und der Kreislauf kann von Neuem beginnen.

Hinweis: Die richtige Wahl der Wärmequelle ist der erste Schritt zu einer effizienten Wärmepumpenanlage. In Gegenden mit häufigen Minustemperaturen bzw. harten Wintern lohnt sich häufig die Nutzung der konstanten Erd- oder Grundwasserwärme.

Effizienzfaktor Temperaturhub

Die Differenz zwischen der Quelltemperatur (Temperatur der Wärmequelle) und der Heizungs- bzw. Vorlauftemperatur wird auch Temperaturhub genannt. Bei allen Wärmepumpen gilt: Je höher die Quelltemperatur und niedriger der Temperaturhub, desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe. Zudem wird auch weniger Zusatzenergie (Strom) benötigt. Das bedeutet, dass Luftwärmepumpen vor allem bei sehr kalten Temperaturen weniger effizient arbeiten, weil die Außenluft viel kälter werden kann als Erdreich und Grundwasser. Die höchsten Wirkungsgrade lassen sich mit Grundwasser-Wärmepumpen erreichen; Erdwärmepumpen liegen in der Mitte.

Doch nicht jeder Standort ist für eine Erd- oder Wasserwärmepumpe geeignet. Im Vergleich zur Luftwärmepumpe, die praktisch nur aufgestellt und angeschlossen werden muss, sind diese Varianten deutlich aufwendiger in der Installation: Flächenkollektoren benötigen viel Platz, für Brunnen müssen Grundwasserbedingungen geprüft und Genehmigungen eingeholt werden.

Hinweis: Luftwärmepumpen sind im Vergleich zu Erd- und Grundwasser-Wärmepumpe günstiger in der Anschaffung, aber weniger effizient im Betrieb. Trotzdem kann eine Luftwärmepumpe die beste Lösung sein. Weil jede Heizung und jeder Standort als Einzelfall betrachtet werden müssen, kann selbst der beste Ratgeber nicht die Expertise eines Heizungsbauers oder Wärmepumpe-Spezialisten vor Ort ersetzen. Um regionale Fachbetriebe zu finden, deren Leistungen zu vergleichen oder sich von Wärmepumpen-Profis beraten zu lassen, steht Ihnen unser kostenloser Angebotsservice zur Verfügung.

Effizienzfaktor Vorlauftemperatur/Heizkörper

Je höher der vom Kompressor erzeugte Druck, desto höher ist die Temperatur beim Verdampfen und Verflüssigen. Deshalb braucht die Wärmepumpe umso mehr Strom, je höhere Vorlauftemperaturen benötigt werden. Kann die angeforderte Temperatur nicht allein durch Komprimieren und Dekomprimieren erreicht werden, springt eine integrierte Heizung an (z. B. ein Heizstab), was den Stromverbrauch der Wärmepumpe zusätzlich erhöht. Das ist der Grund, warum Wärmepumpen am effizientesten mit Flächenheizungen (z. B. Fußbodenheizung) funktionieren, die niedrige Vorlauftemperaturen (zwischen 25 und 60 °C) brauchen.

Es gibt auch sogenannte Hochtemperatur-Wärmepumpen, die durch einen zweiten Kreis(lauf)prozess oder einen zusätzlichen Wärmetauscher Vorlauftemperaturen von bis zu 100 °C erreichen können. Diese können mit klassischen Röhren- oder Gliederheizkörpern kombiniert werden, etwa wenn der Austausch der Heizkörper in einem Bestandsgebäude nicht möglich oder erwünscht ist.

Grundsätzlich gilt: Je besser die Gebäudedämmung, desto großflächiger das Verteilsystem, desto niedriger kann die erforderliche Vorlauftemperatur sein.

Hinweis: Besteht die Möglichkeit, die Wärmepumpe mit selbsterzeugtem Strom zu betreiben, können Sie hinsichtlich Stromverbrauch, Stromkosten und Umweltfreundlichkeit natürlich viel entspannter planen und rechnen.

Effizienzfaktor Betriebsart

Bei Wärmepumpen wird unterschieden zwischen monovalentem Betrieb (Wärmepumpe als einzige Heizung) und bivalentem Betrieb (Kombination der Wärmepumpe mit einem anderen Heizgerät).

Weil die Quelltemperatur bei Sole-Wasser-Wärmepumpen und Wasser-Wasser-Wärmepumpen auch bei sehr niedrigen Außentemperaturen konstant hoch ist, können sie eine gleichbleibende Heizleistung erbringen, ohne zusätzliche Heizsysteme zu benötigen. Daher werden diese Varianten häufig monovalent betrieben, d. h. zum Heizen der Räume und des Warmwassers verwendet.

Luftwärmepumpen werden dagegen in aller Regel bivalent betrieben, denn hier würde der monovalente Betrieb bedeuten, dass die Heizleistung in der meisten Zeit des Jahres überdimensioniert wäre. Wird im bivalenten Betrieb ein zusätzliches Heizungssystem mit anderer Energie (z. B. Gas) verwendet, wird häufig von einer Hybrid-Wärmepumpe oder Hybridheizung gesprochen. Ist ein Heizstab (also eine Elektroheizung) integriert, um die Luftwärmepumpe an Tagen, an denen ihre Heizleistung allein nicht ausreicht, zu unterstützen, handelt es sich um einen bivalenten, monoenergetischen Betrieb: Die Wärmepumpe ist nicht die einzige Heizung, aber es wird nur eine Form von Energie verwendet und kein weiteres Heizsystem integriert.

Bei der Planung eines monovalenten Wärmepumpenbetriebs müssen ausreichend Leistungsreserven eingeplant werden, um die Heizanforderungen zu jeder Zeit erfüllen zu können. Gleichzeitig ist eine überdimensionierte Auslegung zu vermeiden. Hier ist also im Vorfeld genau zu berechnen, welches Betriebskonzept sich besser umsetzen lässt. Ist bereits ein anderes modernes Lüftungs- oder Heizsystem vorhanden, lässt sich eine hocheffiziente Hybridheizung (z. B. Gasbrennwertheizung, Abluft-Wärmepumpe) oft mit vergleichsweise wenig Aufwand realisieren.

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Effizienz erhöhen durch Pufferspeicher

Pufferspeicher sind spezielle Behälter, die überschüssige Wärmeenergie speichern und bei Bedarf wieder abgeben können. Für Wärmepumpensysteme können verschiedene Pufferspeicherarten verwendet werden, etwa Hygiene-Pufferspeicher für die Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung, Solarspeicher zur Verwendung mit Solarthermie-Systemen oder vielseitig einsetzbare Kombispeicher.

Klären Sie bei der Heizungsplanung daher immer auch ab, ob sich ein Pufferspeicher für Sie lohnen würde. Sie können damit die Effizienz der Heizung bei starken Temperaturschwankungen erhöhen oder den Pufferspeicher zum Lastausgleich verwenden, falls die Wärmepumpe mehr Wärme erzeugt, als gerade gebraucht wird. Wärmepumpen, die für Raumheizung und Warmwasser genutzt werden, sind bei der Warmwasserbereitung effizienter, wenn Warmwasser gespeichert werden kann. Nutzen Sie Ihre Wärmepumpe zum Kühlen, verbessert der Pufferspeicher die Effizienz des Kühlprozesses. Außerdem lassen sich damit Kurzzyklen vermeiden, was den Verschleiß minimiert, die Wärmepumpe entlastet und ihr ermöglicht, im optimalen Betriebsbereich zu arbeiten.

Soll die Wärmepumpe auch zur Kühlung verwendet werden?

Wärmepumpen mit Umkehrfunktion lassen sich auch zum Kühlen verwenden. Allerdings ist eine passive Kühlung ohne Extra-Stromverbrauch nur mit Sole-Wasser- und Wasser-Wasser-Wärmepumpen möglich – und dann auch nur mit Flächenheizung. Verwenden Sie konventionelle Heizkörper, können Sie die Kühlfunktion der Wärmepumpe nicht nutzen.

Zum (aktiven) Kühlen mit einer Luftwärmepumpe brauchen Sie Gebläsekonvektoren und zusätzlichen Strom – ähnlich wie bei einer Klimaanlage mit Heizfunktion. Mehr über das Kühlen mit Wärmepumpen lesen Sie in diesem Artikel.

Stromsparen durch richtige Dimensionierung und Invertertechnologie

Eine zu große Wärmepumpe verbraucht unweigerlich zu viel Strom. Eine Unterdimensionierung des Wärmeerzeugers ist jedoch ebenso problematisch, denn wenn das System häufig an seine Kapazitätsgrenzen stößt, reicht die Heizleistung nicht aus oder die Zusatzheizung muss zu oft mithelfen.

Neben der richtigen Dimensionierung/Auslegung der Wärmepumpe hilft auch moderne Technologie beim Stromsparen. So bieten sog. Inverter-Wärmepumpen mit Frequenzkompressor eine variable Leistungsanpassung, weil die Drehzahl des Kompressors und somit die Heiz- oder Kühlleistung stufenlos reguliert werden können. So verbraucht die Wärmepumpe nur die Menge an Energie, die benötigt wird, um die gewünschte Raumtemperatur aufrechtzuerhalten. Die gewünschte Raumtemperatur wird schneller erreicht, weil die Heizung bei Bedarf mit höherer Leistung starten kann. Das bedeutet ein Plus an Komfort, und die kürzeren Laufzeiten sparen viel Energie.

Herkömmliche Wärmepumpen mit konstanter Kompressorleistung schalten sich dagegen ein und aus, was nicht nur zu größeren Leistungsschwankungen führt, sondern auch zu höherem Stromverbrauch, Verschleiß und Wartungsaufwand.

Effizienz- und Nachhaltigkeitsfaktor Kältemittel

Wärmepumpen verwenden Kältemittel, um Wärme zu absorbieren und abzugeben. Häufig verwendete Kältemitteltypen sind:

• Fluorkohlenwasserstoffe (FKW): Diese Kältemittel (z. B. R134a, R410a) sind weitverbreitet und sehr effizient, tragen aber wegen ihres hohen Treibhauspotenzials stark zur Klimaerwärmung bei. Sie werden daher allmählich vom Markt genommen und durch umweltfreundlichere Alternativen ersetzt, etwa:
• Hydrofluorolefine (HFO): Kältemittel wie R32 und R1234yf haben ein niedrigeres Treibhauspotenzial als FKW und werden in vielen modernen Wärmepumpen eingesetzt, um die Umweltauswirkungen zu reduzieren.
• Natürliche Kältemittel wie Propan (R290), Ammoniak (NH3) oder Kohlendioxid (CO₂) werden heute schon in vielen industriellen Wärmepumpen und Kühlsystemen verwendet. Auch für private Wärmepumpen und den Betrieb in Innenräumen sind sie geeignet. Entsprechende Geräte werden zunehmend auch von deutschen Herstellern angeboten.

Hinweis: Setzen Sie möglichst von Anfang an auf natürliche, zukunftssichere Kältemittel wie Propan. Das spätere Umrüsten einer Wärmepumpe, die mit FKW oder HFO arbeitet, ist nicht möglich, weil Propan brennbar ist und die Geräte daher anders konstruiert und gesichert werden müssen.

Effizienz von Wärmepumpen berechnen

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