Wie funktioniert eine Wärmepumpe und wie wählt man die richtige aus?

1. Die Wärmepumpe – eine Heizung für die Zukunft

Der grösste Anteil des Energieverbrauchs in privaten Haushalten fällt für die Heizung an. Heizen mit nicht erneuerbaren Energien belastet jedoch nicht nur die Haushaltskasse, sondern auch die Umwelt, deshalb bietet sich die Wärmepumpe als zukunftsfähige Alternative an. In der Schweiz stieg der Anteil an Wohngebäuden mit einer Wärmepumpe als Hauptenergiequelle der Heizung zwischen 2000 und 2021 von 4,1 % auf 17,0 % und mittlerweile wird in etwa 90 % der Neubauten eine Wärmepumpe eingebaut. Damit ist die Wärmepumpe de facto zum Standard für Neubauten geworden. Doch wie funktioniert eine Wärmepumpe eigentlich?

2. Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Eine Wärmepumpe ist eine Heizung, welche die in der Umwelt gespeicherte thermische Energie nutzt, um Gebäude zu erwärmen. Anders als bei Öl-, Holz- oder Gasheizungen, funktioniert die Erwärmung jedoch nicht durch eine Verbrennung, sondern über einen Dampfprozess - wie in einem Kühlschrank kommt es 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. In der Wärmepumpe findet ein Dampfprozess statt - die thermische Energie aus Luft, Erde oder Wasser wird über einen Wärmeüberträger (den Verdampfer) auf ein Kältemittel übertragen. Das Kältemittel, das in der Regel aus Gas besteht, verdampft bei einem niedrigeren Druck und niedrigen Temperaturen, wenn es Wärme aus der Umgebung aufnimmt. Im zweiten Schritt des Wärmepumpen-Prozesses 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 Heizmedium, meist Wasser oder Luft, weitergeleitet wird. Dabei kühlt das Kältemittel ab, sein Druck sinkt und das Medium kondensiert. Vollständig regeneriert fliesst das Kältemittel durch das Entspannungsventil, das den Druck auf den Ausgangszustand zurückbringt, zurück zum Verdampfer und der Wärmepumpen-Prozess kann von vorn beginnen.

Die Wärme zum Heizen kann aus dem Grundwasser, dem Boden aus dem Garten über einen Erdkollektor, aus einer Geosonde oder aus der Luft bezogen werden. Eine wichtige Kennzahl bei der Wärmepumpe ist der Heizkoeffizient, der das Verhältnis von Eingang zu Ausgang darstellt. Eine höhere Zahl steht hier für einen höheren Wirkungsgrad der Wärmepumpe.

3. Arten von Wärmepumpen

Die Energie für die Wärmepumpe kann aus verschiedenen Quellen gewonnen werden. Welche Energiequelle am besten genutzt wird, hängt von den Eigenschaften des Grundstücks ab. Zur Auswahl steht dabei die Nutzung der thermischen Energie aus der Luft, der Erde oder dem Grundwasser.

3.1 Luft-Wasser-Wärmepumpe

Am einfachsten lässt sich die Umweltenergie für die Wärmepumpe aus der Luft gewinnen. Alles, was dafür nötig ist, ist eine Vorrichtung zum Ansaugen und Ausblasen der Aussenluft. Wird die Luft-Wasser-Wärmepumpe im Inneren des Gebäudes aufgestellt, 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. Die Luft-Wasser-Wärmepumpe entzieht der Luft die Wärme und überträgt sie auf das Wasser der Heizungsanlage.

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 welche die kalte Aussenluft geleitet wird, immer frostfrei gehalten werden und die Effizienz der Wärmepumpe sinkt. Der Heizkoeffizient (Wirkungsgrad) der Luft-Wasser-Wärmepumpe liegt bei 3,4 - 4.

3.2 Sole-Wasser-Wärmepumpe oder Erdwärmepumpe

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 Flüssigkeit entzieht der Erde Wärme und transportiert sie zur Wärmepumpe. Die Leitungen können zum Beispiel in Form von Tiefenbohrungen oder Flächenkollektoren eingebracht werden. Bei einer Sondenbohrung werden die Kunststoffrohre (Geosonden) 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 circa 150 Tiefenmeter, die sich auf mehrere Bohrungen aufteilen lassen.

Wenn Sondenbohrungen aus technischen oder rechtlichen Gründen nicht möglich sind, kann die thermische Energie der Erde auch direkt unter der Oberfläche im Garten gewonnen werden. Dabei werden die Rohre dabei in einer Tiefe von etwa 1,50 Metern verlegt. Jeder Quadratmeter entzieht dem Boden etwa 25 Watt, deshalb benötigen Sie zum Beheizen eines modernen Einfamilienhauses eine Gesamtfläche von ungefähr 350 Quadratmetern.

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. Der Heizkoeffizient (Wirkungsgrad) der Sole-Wasser-Wärmepumpe liegt zwischen 4,4 – 5.

3.3 Wasser-Wasser-Wärmepumpe

Auch im Grundwasser ist thermische Energie gespeichert. Grundwasser ist der ideale Energieträger für die Wärmepumpe, da es eine Temperatur zwischen 8 und 12 Grad Celsius über das ganze Jahr hat und es so fast keine saisonale Energieschwankungen gibt. Für den Betrieb einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe sind zwei Grundwasserbrunnen erforderlich, ein Förderbrunnen, der auch Saugbrunnen genannt wird, sowie ein Schluckbrunnen.

Durch den Förderbrunnen wird das Grundwasser nach oben gepumpt, in der Wärmepumpe wird dem Wasser thermische Energie entnommen. Der Heizkoeffizient (Wirkungsgrad) der Wasser-Wasser-Wärmepumpe liegt zwischen 5,2 und 6,2. Das abgekühlte Wasser wird danach über den Schluckbrunnen derselben Grundwasserschicht wieder zugeführt. Die Tiefe des Förderbrunnens sowie des Schluckbrunnens kann je nach Stand des Grundwassers zwischen 4 und 15 Metern variieren.

Ob eine Wärmepumpenheizung ohne Weiteres mit dem Grundwasser eingesetzt werden kann, entscheidet sich nach einer Prüfung der Wasserqualität. Denn verschiedene chemische Inhaltsstoffe können den Wärmetauscher stark belasten und die Funktion einschränken.

4. Heizkosten sparen mit einer Wärmepumpe

Die Wärmepumpe arbeitet mit Strom, verbraucht aber drei- bis fünfmal weniger Energie als sie produziert und nutzt diesen Überschuss zum Heizen. Wenn wir eine Heizung mit Wärmepumpe mit einer gewöhnlichen Ölheizung vergleichen, ist die Ersparnis ca. 2,5 – 4 mal höher.

Je niedriger die Temperatur, mit der Sie Heizen, desto höher die Ersparnis. Wärmepumpen eignen sich besonders gut für eine Niedertemperaturheizung über grosse Flächen wie Wände, Decken oder eine konventionelle Fussbodenheizung.

5. Welche Wärmepumpe ist am geeignetsten?

Wenn die Wärmepumpe mit einer geringeren Leistung arbeitet, als sie ursprünglich vorgesehen war, ist auch der Wirkungsgrad der Wärmepumpe geringer. Daher sollte man unbedingt vor dem Kauf und der Installation der Wärmepumpe den Energiebedarf des Hauses, der Heizungsanlage (z.B. Heizkörper oder Fussbodenheizung) und die verfügbaren Medien (Wasser, Erde oder Luft) ermitteln.