Wärmepumpen sind im Prinzip das Gleiche wie Kälteanlagen. Bei der Wärmepumpe ist das gewünschte Produkt aber die Wärme, bei der Kälteanlage ist die Wärme der Abfall. Eine Wärmepumpe transportiert Wärme aus einer tiefen Temperatur (zum Beispiel 5 °C) auf eine höhere Temperatur (zum Beispiel 45 °C). Das Medium (Luft, Erdreich, Wasser ...) wo die Wärme entnommen wird, kühlt sich dabei ab. Zur transportierten Wärme kommt die Energie 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:

Katgegorie Wärmequelle Wärmeabgabe Bemerkungen
Luft-Luft-Wärmepumpe Aussenluft Innenluft COP 1 bis 3,
sehr günstig,
beschränkte Leistung
Luft-Wasser-Wärmepumpe Aussenluft Wasser
Warmwasser
COP 2 bis 5,
relativ günstig,
bis etwa 800 m ü.M.
Wasser-Wasser-Wärmepumpe Wasser
Erdwärme
Wasser
Warmwasser
COP 3 bis 6,
Erdsonde teuer,
effiziente Kühlung im Sommer
Wärmepumpen-Boiler Innenluft Warmwasser COP 2 bis 3,
kühlt den Keller

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

Bei der Sole handelt es sich um Erdwärme, welche über in Erdbohrungen verlegte Wasserleitungen (Erdsonden) in den Wärmetauscher der Wärmepumpe geholt wird. In 5 m Tiefe ist es etwa 10 °C warm, in 120 m Tiefe etwa 13 °C. Je nach Dimensionierung kann sich dabei die Temperatur in diesem 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 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 ein weiterer Wasserkreislauf (mit Frostschutzmittel) mit Wärmetauscher 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 noch 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 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.
  • Kompressortechnik.
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 Erdsondenwärmepumpe

An Standorten mit Umgebungstemperaturen, welche selten unter - 5 °C liegen, kann eine Luftwärmepumpe besser als eine Erdsondenwärmepumpe (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 Luftwärmepumpe 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.

Diagramm mit COP von - 15 °C bis + 15 °C von guten Wärmepumpen bei 35 °C, 45 °C und 55 °C Vorlauftemperatur.
Zusammengestestellt aus den besten Wärmepumpen (Januar 2012, nach EN 14511) über eine Luft, Sole- oder Grundwassertemperatur von -15 °C bis + 15 °C bei den 3 Vorlauftemperaturen von 35 °C, 45 °C und 55 °C. Der theoretische maximale COP errechnet sich aus dem Carnotwirkungsgrad (Vorlauftemperatur + 273 K durch Temperaturdifferenz), der COP von 1 entspricht einer Elektroheizung. Der COP einer Wasserwärmepumpe liegt etwa 15 % über dem einer Luftwärmepumpe, da ein Wasser-Wasser-Wärmetauscher besser als ein Luft-Wasser-Wärmetauscher ist. Die Leistungsaufnahme des Kompressormotors nimmt mit zunehmender Vorlauftemperatur zu, pro 10 °C sind es etwa 20 %.

Kennzahlen

COP einer Sole-Wasser-Wärmepumpe mit 0 °C Sole (B0) und 35 °C Wasser (W35).
(Quelle: Schätzung Gloor aufgrund der Resultate vom Testzentrum 2007)
Vergleichsgrösse Mittelwert Ziel
Wärmeleistung zu elektrischer Aufnahmeleistung COP B0/W35 4 5

Kosten

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 Erdsondenbohrung 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 kostet etwa 18'000 Franken (Luft-Wasser) oder 35'000 Franken (Sole-Wasser).

Energiesparmassnahmen und Tipps

Prozess Massnahme Bemerkungen

Gebäudetechnik

Je weniger Wärme ein Gebäude braucht, desto weniger muss geheizt werden.

Im Gegensatz zu einer Feuerungsanlage sind bei einer Wärmepumpenheizung die Anlagenkosten viel stärker von der Heizleistung abhängig.

Warmwasser

Wenn man eine Wärmepumpenheizung installiert, dann sollte auch die Warmwasseraufbereitung damit erfolgen.

Als Ergänzung kann der Warmwasserspeicher auch noch für den Einsatz einer solaren Warmwasseraufbereitung ausgerüstet werden.

Gegenüber einem Elektrobolier wird 3 bis 4-mal weniger Elektrizität benötigt. Eine Solltemperatur von 50 °C genügt.

Zum Abtöten von Legionellen sollte man den Speicher einmal in der Woche auf 65 °C aufheizen.

Umwälzpumpen

Bei einem Heizsystem mit Fussbodenheizung und ohne Wasserspeicher müssen die Umwälzpumpen nur laufen, wenn auch die Wärmepumpe läuft.

Je schneller die Umwälzpumpen laufen, desto geringer ist der Temperaturunterschied über dem Wärmetauscher und somit erhöht sich der Wirkungsgrad des Systems.

Abwärmequellen

Mit einer Wärmepumpe kann nicht nur Umgebungswärme, sondern auch Prozessabwärme (Maschinenkühlung, Kälteanlagen ...) von einem tiefen auf ein hohes Temperaturniveau transformiert werden.

Je höher das Temperaturniveau der Wärmequelle ist, desto besser ist der Wirkungsgrad der Wärmepumpe.

Temperatur

Die Vorlauftemperatur sollte so tief wie möglich gewählt werden. Wenn nur einige wenige Heizkörper bei tiefen Aussentemperaturen eine hohe Vorlauftemperatur erfordern, ist deren Vergrösserung zu prüfen.

Je tiefer das Temperaturniveau der Heizung ist, desto besser ist der Wirkungsgrad der Wärmepumpe.

Nachtstrom

Wenn das Heizsystem genügend Speichermasse hat oder noch zusätzlich Wasserspeicher installiert werden, sollte die Wärmepumpe mit günstigem Nachtstrom betrieben werden.

In vielen Stromversorgungsgebieten gibt es einen speziellen Stromtarif für Wärmepumpen.

Kontrolle

Die Betriebsstunden und Boilerladungen sollten in regelmässigen Abständen erfasst werden. Mit einem Wärme- und Stromzähler kann die Leistung der Anlage überprüft werden.

Der Systemdruck im Solekreis sollte auch regelmässig überprüft werden (Vereisungsgefahr).