Wärmepumpe

Eine Wärmepumpe "pumpt" Wärme aus der Umwelt in die Heizung. Wärmepumpen sind im Prinzip das Gleiche wie Kälteanlagen. Bei der Wärmepumpe ist das gewünschte Produkt die Wärme, bei der Kälteanlage ist die Wärme der Abfall. Eine Wärmepumpe transportiert Wärmeenergie aus einer tiefen Temperatur (zum Beispiel 2 °C) auf eine höhere Temperatur (zum Beispiel 45 °C). Der Bereich aus dem die Wärme entnommen wird (Luft, Erdreich, Wasser ...), kühlt sich dabei ab. Zur transportierten Wärme kommt der Energieverbrauch des Kompressors hinzu. Dadurch ist die Heizleistung grösser als die entnommene Wärme aus der tieferen Temperatur. Die Nennleistung einer Wärmepumpe ist die Heizleistung, die elektrische Leistung ist um den COP (Coefficient of Performance) tiefer. Den durchschnittlichen COP über das Jahr nennt man JAZ (Jahresarbeitszahl). Darin eingerechnet sind die Verluste beim Anfahren und der Stromverbrauch der Umwälzpumpen.

Kategorien von Wärmepumpen

Man unterscheidet 4 verschiedene Kategorien von Wärmepumpen:

Luft-Luft-Wärmepumpen

Luft-Luft-Wärmepumpen sind Klimageräte (Splitgeräte), welche auch heizen können. Dazu wird im Aussengerät die Luft abgekühlt und im Innengerät die Raumluft aufheizt (leider nicht geräuschlos). Solche Geräte werden schon zu Preisen unter 1000 Franken angeboten. Der COP ist bescheiden, da im Innengerät die Luft starkt erwärmt werden muss, damit eine grössere Heizleistung möglich ist. Zusätzlich ist der COP wie bei der Luft-Wasser-Wärmepumpe bei tiefen Aussentemperaturen schlecht. Es gibt auch Ausführungen mit mehreren Innengeräten, die dann in verschiedenen Räumen installiert werden können. Splitgeräte eignen sich sehr gut zum kühlen, wozu sie eigentlich konstruiert wurden.

Für kleine Gebäude mit einem geringen Wärmebedarf sind solche Splitgeräte eine Lösung, vor allem wenn bei tiefen Aussentemperaturen ein Zimmerofen benutzt wird.

Luft-Wasser-Wärmepumpen

Die Aussenluft wird im Aussengerät abgekühlt und die gewonnene Wärme im Innengerät an das Wasser im Heizkreis übergeben. Bei feuchter Aussenluft in der Nähe des Gefrierpunktes muss der Wärmetauscher im Aussengerät von Zeit zu Zeit enteist werden. Es gibt Geräte mit dem Wärmepumpenkompressor im Aussengerät (wie bei Splitgeräten) und solche mit dem Kompressor im Innengerät. Es gibt auch Luft-Wasser-Wärmepumpen mit zusammengebauten Innen- und Aussengerät, welche eine grosse Zuluft- und Abluftöffnung haben. Luft-Wasser-Wärmepumpen sind relativ günstig in der Anschaffung, haben aber bei tiefen Aussentemperaturen einen schlechten COP und verursachen etwas Lärm durch den Aussenluftventilator. Es gibt auch Ausführungen, mit denen im Sommer gekühlt werden kann.

Sole-Wasser- und Wasser-Wasser-Wärmepumpen

Mit Sole ist die Entnahme von Erdwärme gemeint. In 30 bis 250 m tiefen Erdbohrungen mit etwa 15 cm Durchmesser werden Wasserleitungen (Erdsonden) eingelegt. Ohne Wärmeentzug durch die Erdsonde ist es in 5 m Tiefe etwa 10 °C warm, in 120 m Tiefe etwa 13 °C. Pro Meter Länge kann etwa 30 bis 50 Watt Wärme entnommen werden, über das Jahr etwa 80 bis 100 kWh. Bei ungenügender Dimensionierung kann sich die Temperatur im Solekreis bis auf - 5 °C abkühlen und das Erdreich um die Bohrung vereisen. Die Gefahr, dass das Wasser des Solekreises gefriert, wird durch Zugabe von Frostschutzmittel reduziert.

Bei der Sole-Wasser-Wärmepumpe kann im Sommer ohne den Betrieb des Wärmepumpen-Kompressors auch gekühlt werden. Dazu wird der Heizkreis über einen Wärmetauscher mit dem Solekreis gekoppelt. Das kalte Wasser im Heizkreis kühlt dann die Bodenheizung oder die Radiatoren. Die Wärme die dabei aufgenommen wird, erwärmt (regeneriert) das Erdreich. Die Temperatur im Heizkreis sollte über dem Taupunkt liegen, damit es kein Kondenswasser gibt.

Bei der Wasser-Wasser-Wärmepumpe wird zum Beispiel Grundwasser oder Seewasser, welches nicht kälter als 4 °C ist, als Wärmequelle verwendet. Je nach Standort kann dieses Wasser mehr oder weniger verunreinigt sein, was eine aufwendige Wartung des Filters und Wärmetauschers erfordern kann. Damit kein Kältemittel ins Grund- oder Seewasser gelangen kann, wird dazwischen über einen Wasser-Wasser-Wärmetauscher  ein weiterer Wasserkreislauf (mit Frostschutzmittel) eingebaut.

Wassererwärmer-Wärmepumpen

Das sind Wärmepumpenboiler, welche mit einer eingebauten Luft-Wasser-Wärmepumpe geheizt werden. Beim Betrieb wird der Umgebung Wärme entzogen, so dass die Umgebungsluft im Keller kälter und trockner wird.

Energieeffizienz von Wärmepumpen

In der Schweiz gibt es ein Wärmepumpen-Testzentrum, welche Wärmepumpen nach europäischer Norm prüft und auch den Lärm misst. Der COP einer Wärmepumpe hängt von folgenden Faktoren ab:

• Temperatur der Wärmequelle (Umgebungsluft, Erdreich, Grundwasser), je höher desto besser.
• Temperatur des Vorlaufs im Heizkreis, je tiefer desto besser (eine Vorlauftemperatur von 60 °C reduziert den COP massiv, mehr als 70 °C Vorlauf ist kaum erreichbar).
• Grösse der Wärmetauscher, je grösser desto besser aber auch teurer.
• Laufzeit. Ein Kompressor der oft nur kurz läuft (Minute) hat mehr Anlaufverluste und verschleisst schneller. Um das zu vermeiden, wird meistens ein technischer Wärmespeicher eingesetzt. Mit der Einstellung der Regelung kann die Laufzeit auch verbessert werden.
• Wirkungsgrad des Kompressors im Betriebspunkt.

Beispiel des Energieflusses in einer 8 kW Wärmepumpe mit einer elektrischen Leistungsaufnahme von 2 kW.

		100%	Elektrische Leistungsaufnahme und 300 % Umgebungswärme
		5%	Verluste durch Nebenaggregate (Pumpen)
		20%	Verluste im Antriebsmotor des Kompressors
		25%	Umwandlungsverluste im Kompressor
		50%	Wirksame Verdichterleistung des Kompressors
		400%	Wärmeleistung

Wahl einer Luft- oder Erdsonden-Wasser-Wärmepumpe

An Standorten mit Umgebungstemperaturen, welche selten unter - 5 °C liegen, kann eine Luft-Wasser-Wärmepumpe besser als eine Erdsonden-Wasser-Wärmepumpe (Solewärmepumpe) mit durchschnittlich 2 °C Soletemperatur sein, denn an solchen Standorten liegt während der Heizperiode die durchschnittliche Aussentemperatur im Plusbereich. An kalten Standorten (im Allgemeinen in Höhenlagen über 800 m ü. M.) gibt es häufiger Aussentemperaturen von unter - 5 °C. In dieser Zeit benötigt das Gebäude auch noch eine höhere Vorlauftemperatur, so dass sich der COP der Luft-Wasser-Wärmepumpe dem Wert 1 (dem einer Elektroheizung) nähert. Zusätzlich kann bei feuchter und kalter Aussenluft der Luftwärmetauscher vereisen, so dass es zusätzliche Energie zum Auftauen braucht.

Kennzahlen

Kosten (im Jahr 2010)

Es gibt viele Anbieter von Wärmepumpen. Die drei wesentlichen Bauteile einer Wärmepumpe sind der Kompressor und die beiden Wärmetauscher, einer auf der kalten und einer auf der warmen Seite. Diese Komponenten werden mit zunehmender Heizleistung grösser, das heisst, der Preis einer Wärmepumpenheizung ist etwa proportional zur Leistung. Eine Erdsonde bringt etwa 30 Watt Wärme pro Meter Tiefe, eine Bohrung von 100 m gibt somit etwa 3 kW Wärme, zusammen mit der 1 kW Leistung des Wärmepumpenkompressors ergibt das 4 kW Heizleistung. Die Warmwasseraufbereitung sollte auch mit der Wärmepumpenanlage erfolgen, denn man benötigt 2 bis 4 mal weniger Elektrizität als mit einem Elektroboiler. Dazu kommen Installationskosten wie Anschluss der Erdsonden, Anschluss an die Wärmeverteilung und der Elektroanschluss.

1. Die Grundkosten (Planung, Wärmespeicher, Installation) betragen etwa 6000 bis 8000 Franken.
2. Die Kosten einer Wärmepumpe liegen im Bereich von 800 bis 1200 Franken pro kW Heizleistung.
3. Eine Erdsonden-Bohrung kostet etwa 100 Franken pro Meter, das ergibt nochmals etwa 2500 Franken pro kW Heizleistung.
4. Eine Luft-Wasser-Wärmetauscher kostet etwa 300 bis 500 Franken pro kW Heizleistung.

Zusammenfassung: Eine betriebsbereit installierte 8 kW Wärmepumpenanlage kostete im Jahr 2010 etwa 18'000 Franken (Luft-Wasser) oder 35'000 Franken (Sole-Wasser). Heute im Jahr 2024 liegen die Kosten wegen der grossen Nachfage etwa doppelt so hoch.

Energiesparmassnahmen und Tipps