Wärmepumpenheizung: Wie ist sie aufgebaut? Wie funktioniert sie?
Wärmepumpenheizungen basieren auf einer zukunftsweisenden und nachhaltigen Technologie, welche die Energie aus der Umwelt zum Heizen nutzt. Bosch berät Sie gerne zur Funktionsweise, den Vorteilen und verschiedenen Typen, welche Kosten bei der Anschaffung und im Betrieb entstehen und welche Voraussetzungen, insbesondere im Altbau, wichtig sind.
Was ist eine Wärmepumpenheizung?
Eine Wärmepumpenheizung ist ein nachhaltiges Heizsystem, das mittels einer Wärmepumpe Umweltwärme aus der Luft, dem Grundwasser oder dem Erdreich gewinnt, um Nutzwärme zu erzeugen. Genauer gesagt ist eine Wärmepumpenheizung eine technische Vorrichtung, die thermische Energie aus einer Quelle mit niedrigerer Temperatur aufnimmt und durch den Einsatz von Antriebsenergie an einen Ort mit höherer Temperatur überträgt. Das Wärmepumpengerät selbst ist eine vollelektrische Kraftwärmemaschine, die in verschiedenen Systemen zum Einsatz kommt. Eine Wärmepumpenheizung versteht sich als eine Anwendung dieser Technologie, die zur Beheizung von Gebäuden verwendet wird. Häufig werden die Begriffe Wärmepumpenheizung und Wärmepumpe gleichbedeutend verwendet.
Aufbau einer Wärmepumpenheizung
Wärmepumpenheizungen weisen in ihrer Bauweise erhebliche Unterschiede zu traditionellen Heizsystemen auf, da sie nicht auf die Verbrennung von fossilen Brennstoffen als grundlegendes Prinzip setzen. Eine Wärmepumpenheizung ist ein komplexes System, das aus drei Einheiten besteht, die zusammenarbeiten.
Das gehört alles zu einer Wärmepumpenheizung:
- Wärmequelle (Luft, Wasser, Erdreich)
- Wärmepumpe (Monoblock- oder Splitgerät)
- Wärmeverteil- und Speichersystem
Die Wärmequellenanlage unterscheidet sich je nach Art der Wärmepumpe. Bei einer Luftwärmepumpe ist sie das luftführende Außengerät. Bei einer Erdwärmepumpe handelt es sich um erdgekoppelte Sonden oder Kollektoren. Das zentrale Element einer Wärmepumpenheizung ist die eigentliche Wärmepumpe. Diese besteht aus vier beteiligten Hauptkomponenten: Verdampfer, Verdichter, Verflüssiger und Expansionsventil. Das Heizsystem verteilt die erzeugte Heizwärme im Haus oder speichert sie zwischen, wenn mehr Wärme produziert als aktuell benötigt wird.
Wie funktioniert eine Wärmepumpenheizung?
Eine Wärmepumpe funktioniert nach dem Prinzip eines umgekehrten Kühlschranks. Anstatt Wärme aus dem Inneren abzuleiten und nach außen abzugeben, entzieht die Wärmepumpe der Umgebung ihre thermische Wärme. Anschließend hebt sie diese auf ein nutzbares Temperaturniveau an und gibt sie an die Heizflächen des Hauses ab, beispielsweise an eine Fußbodenheizung oder Heizkörper. Da eine Wärmepumpenheizung auf dem Mechanismus der Wärmeübertragung basiert, erzeugt sie selbst bei kühlen Quellentemperaturen genügend Heizwärme. Im reversiblen Betrieb lässt sich eine Wärmepumpe zum Kühlen der Wohnräume einsetzen.
Die Funktionsweise einer Wärmepumpenheizung beruht auf vier wesentlichen Komponenten, die einen geschlossenen Kreislauf bilden:
- Verdampfer: Die Wärmepumpe entzieht der Umgebung Wärme, die ein Kältemittel verdampfen lässt.
- Verdichter: Das verdampfte Kältemittel wird vom strombetriebenen Kompressor komprimiert, wodurch Druck und Temperatur des Kältemittels steigen.
- Verflüssiger: Das heiße, komprimierte Kältemittel gibt seine Wärme an das Heizsystem ab und kondensiert wieder zu einer Flüssigkeit.
- Expansionsventil: Das Kältemittel wird entspannt, wodurch Druck und Temperatur sinken, und der Kreislauf von vorne beginnt.
Ein Pufferspeicher bei Wärmepumpen speichert überschüssige Wärme und gibt sie bei Bedarf an das Heizsystem ab. Dies erhöht die Effizienz und sorgt für eine gleichmäßige Wärmeversorgung.
Vergleich: Arten der Wärmepumpenheizung
Es gibt verschiedene Arten einer Wärmepumpenheizung, die unterschiedliche Wärmequellen erschließen, um Heizwärme zu erzeugen. Beim Kauf ist vor allem entscheidend, welchen der gängigen Wärmepumpentypen Sie installieren wollen:
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Luft-Wasser-Wärmepumpe
Funktionsprinzip
Nutzt Außenluft als Wärmequelle, überträgt die Wärme auf Wasser im Heizungssystem Eigenschaften und Besonderheiten Einfache Installation, keine Erschließungsarbeiten notwendig, arbeitet auch bei niedrigen Außentemperaturen wirtschaftlich Installationsaufwand Gering bis mittel, Aufstellung einer Außeneinheit, Anschlüsse an Heizungsrohre, Installation von Luftkanälen bei Innenaufstellung der Wärmepumpe Effizienz und COP-Werte Mittel bis hoch, typischer COP 3,4–4,1, sinkt bei Minusgraden -
Sole-Wasser-Wärmepumpe
Funktionsprinzip
Zapft die im Boden gespeicherte Erdwärme an, Erschließung mittels Erdsonden oder Erdkollektoren, überträgt Wärme auf eine Soleflüssigkeit Eigenschaften und Besonderheiten Wetterunabhängig durch stabile Bodentemperaturen, Bohrgenehmigung vonnöten, passive Kühlung im Sommer möglich Installationsaufwand Hoch, Erdarbeiten für Sondenbohrung oder Verlegung von großflächigen Erdkollektoren Effizienz und COP-Werte Sehr hoch, typischer COP 4,4–4,8 -
Wasser-Wasser-Wärmepumpe
Funktionsprinzip
Entzieht Wärme aus dem Grundwasser-Reservoir, Erschließung der Wasserquelle über unterirdische Brunnen Eigenschaften und Besonderheiten Grundwassertemperaturen ganzjährig konstant, benötigt wasserrechtliche Genehmigung, nicht in Wasserschutzgebieten möglich Installationsaufwand Hoch, Bohrungen für den Zugang zum Grundwasser erforderlich, Installation von einem Saug- und Schluckbrunnen Effizienz und COP-Werte Sehr hoch, typischer COP 4,9–5,8
Es existieren zwei Arten von Luftwärmepumpen: Luft-Wasser-Wärmepumpen und Luft-Luft-Wärmepumpen, die auch Split-Klimaanlagen sind. Bei solchen Splitgeräten sind Innen- und Außengerät durch Kältemittelleitungen verbunden. Sie nutzen die Außenluft direkt zur Beheizung einzelner Räume und werden aufgrund ihrer kompakten Größe auch als Mini-Wärmepumpen bezeichnet.
Kombinierte Heiztechniken
Außerdem lässt sich eine Wärmepumpenheizung mit anderen Wärmeerzeugern kombinieren:
- Hybrid-Wärmepumpenheizung: Eine Hybridheizung, beispielsweise bestehend aus einer Wärmepumpe mit Gasheizung, nutzt die Vorteile erneuerbarer Energiequellen und bietet gleichzeitig die Zuverlässigkeit und Leistung einer konventionellen Heizungsanlage. Ein Hybridsystem arbeitet bei Spitzenlasten und kalten Temperaturen flexibel sowie kosteneffizient und reduziert CO₂-Emissionen.
- Solar-Wärmepumpenheizung: Die Kombination einer Wärmepumpe mit Photovoltaik (Solarenergie zur Stromerzeugung) oder Solarthermie (Solarenergie zur Wärmeerzeugung) erhöht die Energieeffizienz und Umweltfreundlichkeit des Systems und senkt gleichzeitig die Energiekosten durch die Nutzung regenerativer Energie, um den Heizwärmebedarf zu decken. In Kombination mit Solarenergie produziert eine Warmwasser-Wärmepumpe warmes Wasser vollständig aus erneuerbarer Energie. Dabei arbeitet sie so effizient, dass sie bis zu 70 Prozent der Warmwasserkosten einspart im Vergleich zu herkömmlichen Heizgeräten.
Vor- und Nachteile einer modernen Wärmepumpenheizung
Vorteile
- Energieeffizienz: Wärmepumpenheizungen sind sehr energieeffizient, da sie mehr Wärmeenergie liefern, als sie an elektrischer Energie verbrauchen.
- Niedrige Betriebskosten: Unter den richtigen Voraussetzungen verbrauchen Wärmepumpen wenig Strom und sind kostengünstig im Betrieb.
- Umweltfreundlichkeit: Sie nutzen erneuerbare Energiequellen und erzeugen keine direkten CO2-Emissionen.
- Flexibilität: Vielseitige Einsatzmöglichkeiten zum Heizen und Kühlen im Alt- und Neubau sowie in Ein- und Mehrfamilienhäusern.
- Hybridfähigkeit: Einfache Kombination mit anderen Heizsystemen wie Gas, Öl und Solaranlagen.
- Förderung: Der Staat bezuschusst Wärmepumpenheizungen mit attraktiven Fördermitteln.
Nachteile
- Hohe Anfangsinvestitionen: Die Installationskosten sind zu Beginn hoch, insbesondere bei Grundwasserwärmepumpen und Erdwärmepumpenheizungen sowie Sanierungsmaßnahmen.
- Abhängigkeit von Strom: Obwohl sie effizient sind, benötigen Elektro-Wärmepumpenheizungen Strom für den Betrieb.
- Schwankender Wirkungsgrad: Die Effizienz von Luftwärmepumpenheizungen kann bei sehr niedrigen Außentemperaturen sinken, was zusätzliche Heizquellen erforderlich macht.
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Voraussetzungen für eine Wärmepumpenheizung
Es müssen mehrere Faktoren beim Einbau einer Wärmepumpenheizung berücksichtigt werden, damit die Anlage wirtschaftlich arbeitet und ihre Vorteile ausspielen kann. Vor allem beim Nachrüsten einer Wärmepumpe im Altbau müssen bestimmte Voraussetzungen erfüllt sein, damit sich eine Wärmepumpenheizung lohnt.
Standortbedingungen
Die baulichen Gegebenheiten sollten die Installation der notwendigen Komponenten ermöglichen, einschließlich der Verlegung von Leitungen. Es muss ausreichend Platz für die Außeneinheit (bei Luft-Wasser-Wärmepumpenheizung) und die Inneneinheit sowie eventuell für einen Warmwasser- oder Pufferspeicher im Heizungsraum vorhanden sein. Erdwärmepumpen haben einen hohen Platzbedarf auf dem Grundstück für die Bohrung von Erdsonden oder die horizontale Verlegung von Erdkollektoren und erfordern eine Genehmigung. Der Boden muss für die Erdarbeiten geeignet sein und sollte eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
Heizsystem
Wärmepumpen arbeiten am effizientesten mit Niedertemperatur-Heizsystemen wie Wand- und Fußbodenheizungen, die mit geringer Vorlauftemperatur um die 35 °C arbeiten, oder mit großflächigen Wärmepumpen-Heizkörpern. Wenn das Haus bereits über solche Systeme verfügt oder sich diese nachrüsten lassen, ist eine Wärmepumpe eine gute Option. Im Altbau muss individuell geprüft werden, ob die vorhandenen Heizkörper für die Wärmepumpenheizung geeignet sind. Entscheidend für den effizienten Betrieb einer Wärmepumpenheizung ohne Fußbodenheizung sind eine korrekte Dimensionierung und eine möglichst niedrige Vorlauftemperatur bei Wärmepumpen unter 50 °C.
Gebäudeanforderungen
Wärmepumpen eignen sich hervorragend für Neubauten oder Niedrigenergie- und Passivhäuser. Das Gebäude sollte möglichst gut isoliert sein. Eine ausreichende Wärmedämmung reduziert den Wärmeverlust und steigert die Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpenheizung. Wenn der Altbau bereits gut gedämmt ist, arbeitet das System auch hier effizient. Andernfalls kann dies zu höheren Betriebskosten führen. Eine Verbesserung der Dämmung sollte vor der Installation einer Wärmepumpe in Betracht gezogen werden, ist jedoch nicht obligatorisch. Hochtemperatur-Wärmepumpen sind speziell für hohe Vorlauftemperaturen ausgelegt und lassen sich ohne vorherige Sanierung einbauen.
Checkliste: Dann lohnt sich eine Wärmepumpenheizung besonders
- Das Gebäude ist gut gedämmt oder wird nachträglich gedämmt.
- Es kann ein Niedertemperatur-Heizsystem installiert werden.
- Es ist ausreichend Platz für die Installation vorhanden.
- Die elektrische Infrastruktur ist ausreichend für die Leistung.
- Sie erhalten hohe Fördergelder, die die Investitionskosten reduzieren.
- Sie möchten künftig klimaschonend und günstig heizen mit erneuerbaren Energien.
Eine gründliche Planung und Beratung durch einen Fachmann sind entscheidend, um die beste Lösung für das spezifische Gebäude und dessen Anforderungen zu finden. Dies hilft, unnötige Kosten zu vermeiden.
Stromverbrauch einer Wärmepumpenheizung
Eine elektrische Wärmepumpenheizung arbeitet mit Strom, um den Kompressor, der das Kältemittel verdichtet, anzutreiben. Der Strom wird vom öffentlichen Stromnetz bezogen (am besten Ökostromtarif) oder selbst erzeugt durch eine PV-Anlage auf dem Hausdach. Eine Wärmepumpenheizung nutzt zu etwa 75 Prozent Umweltwärme. Der Strom als Antriebsenergie macht etwa 25 Prozent aus. Aufgrund ihrer hohen Effizienz fallen die Betriebskosten einer Wärmepumpenheizung grundsätzlich niedrig aus.
Wie viel Strom eine Wärmepumpenheizung verbraucht und wie teuer der Betrieb ist, hängt stark von mehreren Faktoren ab, wie Art, Größe und Effizienz der Wärmepumpe, Gebäudeanforderungen sowie klimatischen Bedingungen. Eine zentrale Rolle spielt der Wirkungsgrad, den die Heizanlage im laufenden Betrieb erreicht – gemessen an der sogenannten Jahresarbeitszahl. Eine JAZ von 3,5 bedeutet beispielsweise, dass die Wärmepumpenheizung im Jahresdurchschnitt aus 1 kWh Strom etwa 3,5 kWh Wärmeenergie gewinnt.
Um den Stromverbrauch einer Wärmepumpe zu optimieren, empfiehlt sich die Wahl eines Modells mit hoher Leistungszahl (COP), Inverter-Technologie und eine fachgerechte Dimensionierung. Auch eine regelmäßige Wartung unterstützt einen reibungslosen Betrieb. Darüber hinaus trägt eine gute Wärmedämmung dazu bei, den Energiebedarf des Gebäudes zu verringern. Grundsätzlich gilt: Je wärmer es im Innenraum sein soll, desto mehr Wärme wird benötigt und entsprechend mehr Strom verbraucht.
Formel zur Berechnung: Stromverbrauch (kWh) = jährlicher Heizbedarf / Jahresarbeitszahl
Exemplarische Betriebskosten einer Wärmepumpenheizung
Es folgt eine beispielhafte Berechnung der Verbrauchskosten eines Einfamilienhauses mit durchschnittlichem Energiebedarf auf Basis eines Strompreises von 20 ct pro kWh.
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Luft-Wasser-Wärmepumpe
Jährlicher Heizwärmebedarf 20.000 kWh Jahresarbeitszahl (JAZ) 3,5 Jährlicher Verbrauch 5.714 kWh Stromkosten pro Jahr 1.142 Euro Stromkosten pro Monat 95 € -
Sole-Wasser-Wärmepumpe
Jährlicher Heizwärmebedarf 20.000 kWh Jahresarbeitszahl (JAZ) 4,0 Jährlicher Verbrauch 5.000 kWh Stromkosten pro Jahr 1.000 € Stromkosten pro Monat 83 €
Was kostet eine Wärmepumpenheizung für ein Einfamilienhaus?
Wie viel eine Wärmepumpe kostet, unterscheidet sich stark je nach Modell und Hersteller, Gebäudetyp und spezifischen Anforderungen. Die Gesamtkosten einer Wärmepumpenheizung für ein Einfamilienhaus liegen bei circa 20.000 bis 40.000 Euro inklusive Einbaukosten. Bei Grundwasser- und Erdheizungen verursacht die Erschließung der Wärmequelle höhere Kosten durch beispielsweise Erdbohrungen, wohingegen diese bei Luftheizungen entfallen.
Während die Anfangsinvestition hoch erscheinen mag, bieten Wärmepumpensysteme langfristig erhebliche Einsparungen und tragen zur Reduzierung der CO2-Emissionen bei. Die regelmäßig empfohlene Wartung einer Wärmepumpe kostet um die 100 bis 300 Euro, generell ist das System wartungsarm.
Als Heizung ist eine Wärmepumpe im Neubau ideal geeignet, denn hier lassen sich von Beginn an die optimalen baulichen Bedingungen schaffen für einen wirtschaftlichen Betrieb und es entstehen nur geringe Zusatzkosten. Wenn Sie eine Wärmepumpenheizung nachrüsten im Altbau nachrüsten, entstehen gegebenenfalls zusätzliche Kosten für eine nachträgliche Dämmung oder eine Anpassung der Heizsysteme, die zu berücksichtigen sind. Abhängig vom Umfang kostet es schätzungsweise circa 10.000 bis 30.000 Euro, ein Haus nachträglich zu dämmen. Für den Einbau neuer Niedertemperatur-Heizkörper ist mit vorhersehbaren Kosten von etwa 5.000 bis 15.000 Euro zu rechnen.
Für ein durchschnittliches Mehrfamilienhaus mit sieben Parteien kostet die Anschaffung einer Wärmepumpenheizung insgesamt circa 60.000 bis 100.000 Euro inklusive Installationskosten.
Erwartbare Preise für eine Wärmepumpenheizung
| Wärmepumpen-Art | Anschaffungkosten (reine Produktkosten) |
|---|---|
| Luft-Wasser-Wärmepumpe | ca. 14.000–19.000 € |
| Sole-Wasser-Wärmepumpe | ca. 18.000 € |
| Wasser-Wasser-Wärmepumpe | ca. 19.000–20.000 € |
Förderung für eine Wärmepumpenheizung
Die gesamten Kosten für eine Wärmepumpenheizung lassen sich durch staatliche Fördermittel deutlich senken, was den Kauf besonders attraktiv macht. Wie viel Förderung Sie für eine Wärmepumpenheizung erhalten, hängt mitunter davon ab, wie alt Ihre bestehende Heizung ist, welche Effizienz die neue Anlage erreicht und wie hoch Ihr Haushaltseinkommen ist.
Jeder Antragsteller, der einen umweltfreundlichen Wärmeerzeuger mit erneuerbarer Energie installiert, erhält eine Grundförderung von 30 Prozent. Diese lässt sich durch weitere Boni aufstocken. Die meisten Zuschüsse erhalten Privateigentümer für den Heizungstausch gegen ein effizientes Wärmepumpensystem. Insgesamt sind maximal 70 Prozent möglich.
Der Antrag auf Förderung für eine Wärmepumpe ist bei der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) zu stellen. Zuschüsse für zusätzliche Effizienzmaßnahmen im Rahmen der Modernisierung wickelt das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) ab.
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