Wärmepumpenheizung: Gebäudeheizung mit Heizwärmepumpe

1. Wärmepumpenheizung – ein Heizsystem mit vielen Vorteilen

Wärmepumpen nutzen Umweltenergie aus Luft, Grundwasser oder Erdboden, die sie für den Haushalt nutzbar machen. Mit der Wärmepumpe lässt sich sowohl das Gebäude beheizen als auch Warmwasser aufbereiten. Eine Wärmepumpe zur Gebäudeheizung wird als Heizwärmepumpe bezeichnet. Die Wärmepumpe benötigt für den Antrieb ihres Verdichters (Kompressors) elektrischen Strom. Das Verhältnis der abgegebenen Heizleistung einer Wärmepumpe zur dazu erforderlichen Strommenge wird als Leistungszahl bzw. COP-Wert bezeichnet. Die Leistungszahl hängt nicht nur vom Modell, sondern auch von der Energiequelle der Wärmepumpe ab. Doch obwohl es Unterschiede zwischen den verschiedenen Wärmepumpenarten gibt, gelten alle Wärmepumpenheizungen im Vergleich zu anderen Heizsystemen als hocheffizient.

1.1 Die Wärmepumpenheizung ermöglicht hohe Heizkostenersparnisse

Einer der Hauptvorteile der Wärmepumpenheizung besteht darin, dass etwa 75 % der zur Gebäudeheizung benötigten Energie aus erneuerbaren Quellen gewonnen wird, weshalb die Heizkosten sehr gering ausfallen. Zudem arbeitet dir Heizwärmepumpe im Verbund mit einer Flächenheizung mit niedrigen Vorlauftemperaturen. Beides führt dazu, dass die Heizkosten um mehr als 50 % niedriger sind als bei anderen Heizsystemen. Die Wärmepumpenheizung ist auch viel effizienter und umweltfreundlicher (geringer CO₂-Ausstoss) als Heizsysteme mit fossilen Brennstoffen, weshalb die Umrüstung seit Jahren gefördert wird. Es ist also offensichtlich, dass es sich bei der Wärmepumpenheizung um ein zukunftsweisendes Heizsystem handelt.

2. Wie funktioniert eine Wärmepumpenheizung?

2.1 Die Heizwärmepumpe kann sowohl heizen als auch kühlen

Der natürliche Wärmestrom verläuft nach den Gesetzen der Physik von einem Ort hoher Temperatur zu einem Ort niederer Temperatur. Dass es sich um ein aussergewöhnliches Gerät handelt, zeigt sich darin, dass die Wärmepumpe in der Lage ist, mit relativ geringem Energieaufwand die Richtung des Wärmestroms umzudrehen. Genau aus diesem Grund kann die Wärmepumpe die Wärmeenergie aus natürlichen Quellen in der Umgebung oder aus künstlichen Wärmequellen auf ein Wärmeträgermedium übertragen. Wärmepumpen werden aber nicht nur zum Heizen, sondern auch zum Kühlen genutzt, wobei in letztem Fall die Wärmeenergie aus dem Gebäude an die wärmere Umgebung abgegeben wird.

2.2 Wärmequellen für Heizwärmepumpen

Die Wärmepumpe überträgt Wärmeenergie von einer Quelle in ihrer Umgebung auf das Wärmeträgermedium des Heizkreises (Heizwasser). Dazu muss der Bereich der Wärmequellenentnahme wärmer sein als der Bereich, in den die Wärme transportiert wird. Je nach Bauweise gewinnen Wärmepumpen thermische Energie aus der Luft, dem Erdreich oder dem Grundwasser. Im Wärmetauscher, der sich in der Inneneinheit der Wärmepumpe befindet (ausser bei Monoblock-Wärmepumpen) wird die Wärmeenergie auf das Wärmeträgermedium übertragen.

2.3 Leistung der Heizwärmepumpe

Zu den wichtigsten Entscheidungsfaktoren beim Kauf einer Heizwärmepumpe gehört ihre Leistungskraft. Wenn die Wärmepumpe zu leistungsschwach ist, kann sie im Winter nicht genügend Wärme liefern bzw. produzieren und im Sommer den Wohnraum nicht ausreichend abkühlen. Wenn die Wärmepumpe jedoch zu stark ist, schaltet sie sich ständig ein und aus, weshalb einerseits ihr volles Potenzial nicht ausgenutzt und andererseits der Verschleiss der mechanischen Teile der Wärmepumpe erhöht wird, wodurch sich ihre Lebensdauer verkürzt.

3. Arten von Heizwärmepumpen

Je nach Wärmequelle wird zwischen drei Arten von Heizwärmepumpen unterschieden: Luft-Wasser-Wärmepumpe, Sole-Wasser-Wärmepumpe und Wasser-Wasser-Wärmepumpe. Im Folgenden stellen wir alle drei Typen vor und listen ihre Vor- und Nachteile auf.

4. Luft-Wasser-Wärmepumpe (Luftwärmepumpe)

4.1 Die Luft-Wasser-Wärmepumpe ist die gängigste Wärmepumpenart

Wärmepumpen, die nach dem Luft-Wasser-Prinzip funktionieren, nutzen die in der Umgebungsluft gespeicherte Wärmeenergie, um das Gebäude zu heizen oder zu kühlen. Die Luft-Wasser-Wärmepumpe (oft auch Luftwärmepumpe genannt) gilt als die günstigste Wärmepumpenart. Luft gilt allgemein als Ressource, die in keiner Weise erschöpft werden kann und gleichzeitig überall verfügbar ist. Die Wärmepumpentechnik ist mittlerweile so weit fortgeschritten, dass die Luft-Wasser-Wärmepumpe auch bei einer Aussentemperatur von -20 °C für ausreichende Beheizung des Gebäudes sorgen kann. Die Wärmepumpe kann nicht nur Aussenluft, sondern auch Innenluft als Wärmequelle nutzen. Für die Innenaufstellung der Wärmepumpe kommen der Keller und der Hauswirtschaftsraum infrage, weil dort auch in den Wintermonaten eine konstante und relativ hohe Temperatur herrscht (im Keller fällt die Temperatur meist nicht unter 3 °C).

Der Dachboden ist ebenfalls zur Aufstellung der Luft-Wasser-Wärmepumpe geeignet, da die Temperatur dort in der Regel nicht unter 0 °C sinkt.

4.2 Hohe Energieeffizienz

Die Luft-Wasser-Wärmepumpe ist in der Lage, den Wärmeverlust des Gebäudes bis zu einer Aussentemperatur von -5 °C vollständig auszugleichen. Unterschreitet die Aussentemperatur diese Grenze, muss eine andere, selbstständig arbeitende Zusatzheizung eingeschaltet werden. Die Wärmepumpenheizung kann bei Aussentemperaturen unter -5 °C mehr als 90 % des Wärmebedarfs des Gebäudes decken. Unverzichtbarer Bestandteil der Luft-Wasser-Wärmepumpe ist der Pufferspeicher, in dem die überschüssige Wärme gespeichert und bei Bedarf an das Heizsystem abgegeben wird. Auf diese Weise wird zu häufiges Ein- und Ausschalten der Heizwärmepumpe vermieden. Als Zusatzheizung wird in Neubauten üblicherweise eine Elektroheizung eingebaut.

4.3 Brauchwassererwärmung mit der Wärmepumpe

Die Luft-Wasser-Wärmepumpe kann auch zur Brauchwassererwärmung eingesetzt werden, wobei die Wärmepumpe mit einem Warmwasserspeicher verbunden wird. Die Wärmepumpe kann bis zu 1400 L Wasser pro Tag erwärmen, und sie verbraucht nur ein Drittel der Strommenge, die zur Brauchwassererwärmung mithilfe einer gewöhnlichen Elektroheizung notwendig wäre.

4.4 Wie viel kostet eine Luft-Wasser-Wärmepumpe?

Luft-Wasser-Wärmepumpen sind günstiger als andere Wärmepumpenarten. Eine komplette Wärmepumpenheizung mit Luft-Wasser-Wärmepumpe für ein typisches Einfamilienhaus kostet etwa CHF 30’000 bis CHF 34’000. In diesem Preis sind neben der Wärmepumpe selbst bzw. dem Grundgerät auch die Arbeitskosten sowie die Kosten für Erschliessung, Wärmespeicher und Wärmeverteilsystem enthalten. Die hohen Preise von Wärmepumpen wirken im ersten Moment zwar erschreckend, doch in vielen Kantonen und Gemeinden werden sie durch Förderungen abgemildert. Und dank der niedrigen Betriebskosten amortisiert sich die Wärmepumpenheizung auf lange Sicht.

Anmerkung: Bei den angegebenen Preisen handelt es sich lediglich um Richtpreise, berechnet nach den Preisen bei verschiedenen Herstellern und Anbietern von Wärmepumpen.

5. Sole-Wasser-Wärmepumpe (Erdwärmepumpe)

5.1 Die Sole-Wasser-Wärmepumpe nutzt Erdwärme zur Gebäudeheizung

Die Sole-Wasser-Wärmepumpe gewinnt die zum Heizen und Kühlen des Gebäudes benötigte Wärme aus dem Erdreich und wird daher auch Erdwärmepumpe genannt. Im Erdinneren wird eine riesige Menge Sonnenenergie gespeichert, die ohne Weiteres in Gebäuden genutzt werden kann. Die Wärmeenergie wird mittels einer Sole (ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel) aus dem Boden gezogen und im Wärmetauscher der Sole-Wasser-Wärmepumpe auf das Heizwasser übertragen.

Die Erdwärmepumpe arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie ein Warmwasserbereiter bzw. Boiler, mit dem Unterschied, dass die Wärmepumpe Erdwärme zum Heizen verwendet, während Warmwasserbereiter Strom oder andere Brennstoffe zur Wärmeerzeugung nutzen.

Die Wärmeentnahme aus dem Gestein oder aus dem Erdreich kann entweder mittels Erdwärmekollektoren oder mittels Erdwärmesonden erfolgen. Horizontale Erdwärmekollektoren (Flächenkollektoren) werden weniger als zwei Meter tief in die Erde eingelassen, benötigen aber eine grosse Fläche. Erdwärmesonden (Tiefensonden) sind vertikale Kollektoren, die nur eine kleine Fläche benötigen, weil sie in Tiefen von 30 bis 150 m (manchmal sogar bis zu 300 m) in den Boden eingebracht werden. Sowohl horizontale als auch vertikale Kollektoren besitzen Rohre, in denen in einem geschlossenen Kreislauf eine Sole zirkuliert. Ein Aussengerät besitzt die Erdwärmepumpe jedoch nicht, weshalb ihr Betrieb äusserst geräuscharm ist.

5.2 Platzbedarf für Erdwärmekollektoren

Flächenkollektoren beziehen im Schnitt etwa 25 W Energie pro Quadratmeter. Eine Wärmepumpenheizung für ein typisches Einfamilienhaus braucht eine Leistung von mindestens 6 kW, was bedeutet, dass eine Fläche von 300 m² erforderlich ist. Ausserdem muss genügend Abstand zu benachbarten Wasserleitungen und tiefwurzelnden Bäumen eingeplant werden (Sträucher und flachwurzelnde Bäume stellen jedoch kein Problem dar). Man sieht also schnell, dass nicht auf jedem Grundstück eine ausreichend grosse freie Fläche vorhanden ist.

5.3 Erschliessungs- und Betriebskosten

Der Aufwand, der erforderlich ist, um der Wärmepumpe Zugang zur gewählten Energiequelle zu verschaffen, wird als Erschliessung der Wärmequelle bezeichnet. Bei der Entscheidung für eine Erdwärmesonde fallen eine Erdbohrung und zusätzliche Arbeiten an, möglicherweise kommen auch Probleme aufgrund der Erdbeschaffenheit auf. Deshalb ist die Verlegung einer Erdwärmesonde aufwändiger und teurer als die Verlegung von Erdwärmekollektoren. Andererseits sind bei Erdwärmekollektoren die Temperaturen niedriger, sodass für die Nutzung auch mehr Strom erforderlich ist. Deshalb sind die laufenden Kosten höher als bei der Verwendung einer Erdwärmesonde. Die Erschliessungs- und Betriebskosten hängen also von der verwendeten Technologie ab: Sie haben also die Wahl zwischen einer hohen einmaligen Investition (Tiefensonde) und etwas höheren laufenden Kosten (Flächenkollektoren).

5.4 Wie viel kostet eine Sole-Wasser-Wärmepumpe?

Die Installation einer Sole-Wasser-Wärmepumpe ist wesentlich teurer als die einer Luft-Wasser-Wärmepumpe, weil die Erschliessungskosten höher sind. Dafür sind die jährlichen Betriebskosten um rund ein Drittel niedriger. Eine Erdwärmepumpe mit Erdwärmekollektoren (Flächenkollektoren) für ein typisches Einfamilienhaus kostet in der Regel etwa CHF 40’000. Erdwärmepumpen mit Erdwärmesonden (Tiefensonden) sind mit Kosten von bis zu CHF 50’000 wesentlich teurer.

6. Wasser-Wasser-Wärmepumpe (Grundwasserwärmepumpe)

6.1 Die Wasser-Wasser-Wärmepumpe nutzt die Wärme des Grundwassers

Wasser-Wasser-Wärmepumpen nutzen in der Regel die im Grundwasser gespeicherte Wärme und werden daher auch als Grundwasserwärmepumpen bezeichnet. Das Grundwasser wird nur in geringem Masse von Sonneneinstrahlung und Aussentemperatur beeinflusst, weshalb es ganzjährig eine konstante Temperatur zwischen 8 und 12 °C beibehält. Die Temperaturschwankungen über das Jahr sind minimal und liegen im Bereich von rund 1 °C. Aus diesem Grund arbeitet eine Wärmepumpenheizung mit Grundwasserwärmepumpe auch immer Winter zuverlässig. Die Grundwasserwärmepumpe braucht für ihren Betrieb zwei Brunnen: einen Saugbrunnen für die Grundwasserentnahme und einen Schluckbrunnen, über den das Grundwasser nach dem Wärmeentzug wieder dem Erdreich zugeführt wird.

Für die Installation einer Grundwasserwärmepumpe muss Grundwasser in ausreichender Menge, günstiger Tiefe und hoher Qualität verfügbar sein.

6.2 Die Grundwasserwärmepumpe ist bewilligungspflichtig

Für den Einbau einer Wärmepumpe brauchen Sie immer eine Baubewilligung. Bei der Wasser-Wasser-Wärmepumpe und der Sole-Wasser-Wärmepumpe mit Tiefensonde brauchen Sie zusätzlich noch eine Gewässerschutzbewilligung. Ob eine solche Bewilligung erteilt wird, hängt von den Vorgaben der Gewässerschutzgesetzgebung (die genauen Bestimmungen unterscheiden sich ein bisschen von Kanton zu Kanton) und den geologischen bzw. hydrogeologischen Verhältnissen im Untergrund ab. Manchmal wird die Gewässerschutzbewilligung an zusätzliche Auflagen gebunden.

Sehr wichtig ist es, mit der Ausführung der Wärmepumpenanlage einen Fachbetrieb mit dem nötigen Know-how und viel Erfahrung zu beauftragen. Bei der Installation einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe sind nämlich viele Faktoren zu berücksichtigen: Die erforderliche Leistung der Wärmepumpe muss richtig berechnet werden, der Schluckbrunnen muss 15 bis 20 m in Richtung des Grundwasserstroms und 15 bis 20 m vom Saugbrunnen entfernt liegen usw.

6.3 Wie viel kostet eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe?

Die Installation einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe für ein typisches Einfamilienhaus kostet etwa CHF 55’000 bis CHF 60’000. Genau wie bei der Sole-Wasser-Wärmepumpe sind auch hier neben dem Kaufpreis für die Wärmepumpe auch die Erschliessung-, Bohrungs- und Installationskosten im Preis enthalten. Die Anschaffungskosten sind zwar sehr hoch, doch die jährlichen Betriebskosten sind bei der Grundwasserwärmepumpe noch etwas niedriger als bei der Sole-Wasser-Wärmepumpe.