Die Wärmepumpe entwickelt sich zur führenden Heiztechnologie in Deutschland – und das aus gutem Grund. Tatsächlich setzen bereits über 40 Prozent der neu gebauten Wohnhäuser auf diese innovative Technik. Was ist eine Wärmepumpe? Sie ist ein System, das Umgebungswärme effizient in nutzbare Heizenergie umwandelt.
Die Zahlen sprechen für sich: Im Jahr 2020 lieferten etwa 1,3 Millionen Wärmepumpen rund 23,4 Terawattstunden Heizwärme in deutschen Haushalten. Dabei wurden etwa 2 Millionen Tonnen Treibhausgase eingespart. Besonders beeindruckend ist die Effizienz dieser Technologie: Eine Elektro-Wärmepumpe kann aus einer Kilowattstunde Strom zusammen mit der Umgebungswärme bis zu drei Kilowattstunden Heizenergie erzeugen.
In diesem Artikel erklären wir die Funktionsweise der Wärmepumpe, ihre verschiedenen Arten und wie sie einen wesentlichen Beitrag zur Energiewende leistet. Darüber hinaus erfahren Sie, warum mindestens 75 Prozent der Bestandsgebäude in Deutschland für diese zukunftsweisende Technologie geeignet sind.
Grundlagen: Was ist eine Wärmepumpe einfach erklärt?
Das physikalische Prinzip hinter der Wärmpumpe verwenden wir täglich in unserem Alltag, allerdings meist in umgekehrter Richtung. Eine Wärmepumpe funktioniert nämlich genau wie ein Kühlschrank – nur mit dem entscheidenden Unterschied, dass sie nicht kühlt, sondern wärmt. Lesen Sie mehr im folgendem Artikel: https://www.stiebel-eltron.ch/de/home/waermepumpen-ratgeber/haeufige-fragen/wie-funktioniert-eine-waermepumpe.html
Definition und Prinzip der Wärmepumpe
Eine Wärmepumpe ist eine Kraftwärmemaschine, die thermische Energie aus einem Reservoir mit niedrigerer Temperatur (meistens die Umgebungsluft, das Erdreich oder das Grundwasser) aufnimmt und – zusammen mit der Antriebsenergie – als Nutzwärme mit höherer Temperatur auf ein zu beheizendes System überträgt. Sie macht sich dabei ein physikalisches Prinzip zunutze, den sogenannten Joule-Thomson-Effekt.
Das Herzstück jeder Wärmepumpe bildet ein geschlossener Kreislauf, in dem ein Kältemittel zirkuliert. In einem Wärmetauscher, dem Verdampfer, nimmt das Kältemittel die Umweltwärme auf und verdampft dabei. Anschliessend leitet ein Verdichter (Kompressor) diesen Dampf weiter und komprimiert ihn, wodurch sich das Temperaturniveau des gasförmigen Kältemittels erhöht – es wird also heisser. In einem weiteren Wärmetauscher, dem sogenannten Verflüssiger, gibt das heisse Kältemittelgas seine Wärme an das Heizsystem ab und kondensiert dabei.
Eine Wärmepumpen-Heizungsanlage besteht aus drei Hauptkomponenten:
- Die Wärmequellenanlage, die der Umgebung die benötigte Energie entzieht
- Die eigentliche Wärmepumpe, die die gewonnene Umweltwärme nutzbar macht
- Das Wärmeverteil- und Speichersystem, das die Wärmeenergie im Haus verteilt oder zwischenspeichert
Unterschied zwischen Umweltwärme und Nutzwärme
Umweltwärme ist überall und kostenlos in unserer nahen Umgebung verfügbar. In der Luft, im Erdreich und im Wasser sind gewaltige Energiemengen gespeichert, die durch Sonneneinstrahlung, Niederschläge und den Wärmenachfluss aus dem Erdinneren ständig auf natürliche Art erneuert werden. Auch wenn es draussen klirrend kalt erscheint, enthält die Umgebungsluft immer noch Wärme – denn jede Temperatur über dem absoluten Nullpunkt von -273,15 Grad Celsius enthält thermische Energie.
Der entscheidende Unterschied: Diese Umweltwärme liegt meist auf einem zu niedrigen Temperaturniveau, um direkt zum Heizen verwendet zu werden. Deshalb kommt die Wärmepumpe ins Spiel. Sie hebt diese niederwertige Wärme auf ein höheres, nutzbares Temperaturniveau an. Wärmepumpen erzeugen dabei aus 75% Umweltwärme und 25% Antriebsenergie (meistens Elektrizität) 100% Nutzwärme, die für die Raumheizung und Warmwassererwärmung eingesetzt werden kann.
Die Effizienz einer Wärmepumpe hängt stark vom sogenannten Temperaturhub ab – also der Differenz zwischen dem Quellen- und dem Heiztemperaturniveau. Je höher die Quellentemperatur und je niedriger die benötigte Heiztemperatur, desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe.
Vergleich mit herkömmlichen Heizsystemen
Im Vergleich zu konventionellen Heizsystemen wie Gas- oder Ölheizungen bietet die Wärmepumpe zahlreiche Vorteile:
Energieeffizienz: Eine Wärmepumpe kann aus einer Kilowattstunde Strom zusammen mit der Umweltwärme drei bis vier Kilowattstunden Heizenergie erzeugen. Moderne Gas- und Ölheizungen haben zwar auch hohe Wirkungsgrade, können aber nicht mehr Energie erzeugen, als sie verbrauchen.
Umweltfreundlichkeit: Während konventionelle Heizsysteme durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe CO₂ ausstossen, verursacht die Wärmepumpe im Betrieb selbst keine direkten Emissionen.
Betriebskosten: Trotz vergleichsweise höherer Anschaffungskosten bieten Wärmepumpen attraktive Amortisationsmöglichkeiten durch deutlich niedrigere Betriebskosten, insbesondere wenn der Strom aus erneuerbaren Quellen wie Photovoltaik stammt.
Wartungs- und Serviceaufwand: Wärmepumpen erfordern minimale Unterhalts- und Servicekosten. Es entfallen Kaminfeger, Feuerungskontrolle, Brennerservice und Tankunterhalt, die bei Gas- und Ölheizungen regelmässig anfallen.
Unabhängigkeit: Mit einer Wärmepumpe macht man sich unabhängig von fossilen Brennstoffen und deren Preisentwicklungen. In Kombination mit einer Photovoltaikanlage lässt sich zumindest zeitweise sogar völlige Unabhängigkeit von Versorgungsnetzen erreichen.
Platzersparnis: Eine Wärmepumpe benötigt keinen Raum für die Bevorratung mit Primärenergie wie einen Öltank oder ein Pelletsilo.
Im Gegensatz zu Solarthermie-Anlagen, die stark von der Sonneneinstrahlung abhängen und in unseren Breitengraden gerade im Winter oft nicht ausreichend Wärme produzieren können, liefert eine Wärmepumpe das ganze Jahr über zuverlässig Wärme – völlig unabhängig von meteorologischen Verhältnissen und Jahreszeiten.
Wie funktioniert eine Wärmepumpe? – Der thermodynamische Kreislauf
Der thermodynamische Kreislauf bildet das Herzstück jeder Wärmepumpe und macht die Nutzung von Umweltwärme zum Heizen überhaupt erst möglich. In diesem geschlossenen System findet ein kontinuierlicher Prozess statt, der nach dem Physiker Rudolf Plank auch als “Plank-Prozess” bezeichnet wird.
Verdampfer, Verdichter, Verflüssiger und Expansionsventil im Schema Wärmepumpe
Der Kältekreislauf besteht aus vier Hauptkomponenten, die jeweils eine spezifische Funktion im thermodynamischen Prozess erfüllen. Diese Komponenten arbeiten in einem geschlossenen Kreislauf zusammen und sorgen für die Wärmeübertragung von der kälteren Umgebung in das wärmere Heizsystem:
- Verdampfer: Hier beginnt der Kreislauf. Im Verdampfer wird der Umgebung (Luft, Wasser oder Erdreich) Wärme entzogen. Das flüssige Kältemittel nimmt diese Wärme auf und verdampft dabei. Die Temperatur der Wärmequelle muss dabei immer höher sein als die Verdampfungstemperatur des Kältemittels, damit ein Temperaturgradient für die Wärmeübertragung entsteht.
- Verdichter (Kompressor): Der gasförmige Kältemitteldampf wird vom Verdichter angesaugt und stark komprimiert. Durch diesen Verdichtungsprozess steigen sowohl der Druck als auch die Temperatur des Gases erheblich an. Der Verdichter wird elektrisch angetrieben und stellt den einzigen Bauteil dar, der externe Energie benötigt.
- Verflüssiger (Kondensator): Im Verflüssiger gibt das heisse, komprimierte Kältemittelgas seine Wärme an das Heizungswasser ab. Dabei kondensiert das Gas und wird wieder flüssig. Das Kältemittel wird im flüssigen Zustand sogar noch geringfügig unterkühlt, um Blasenbildung zu vermeiden, die die Funktion des nachgeschalteten Expansionsventils beeinträchtigen könnte.
- Expansionsventil (Drosselorgan): Das flüssige Kältemittel wird über das Expansionsventil entspannt, wobei der Druck stark reduziert wird. Dadurch sinkt die Temperatur, und das Kältemittel verdampft teilweise. In diesem Zustand fliesst es zurück zum Verdampfer, und der Kreislauf beginnt von neuem.
Dieser Kreisprozess lässt sich anschaulich in einem sogenannten Log-p-h-Diagramm oder T-s-Diagramm darstellen, wobei die spezifischen Parameter des Kältemittels abgelesen werden können. Darüber hinaus können in diesen Diagrammen die Enthalpien für die spezifischen Wärmeströme und die Verdichterarbeit direkt ermittelt werden.
Rolle des Kältemittels im Wärmepumpenprozess
Das Kältemittel ist unerlässlich für die Funktionalität der Wärmepumpe. Seine besondere Eigenschaft liegt im tiefen Siedepunkt, durch den es bereits bei sehr niedrigen Temperaturen vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht. Dadurch kann die Wärmepumpe selbst bei Aussentemperaturen von minus 20 Grad Celsius noch funktionieren.
Bisher wurden hauptsächlich synthetische Kältemittel wie R-134a oder R-410A verwendet, die sehr vorteilhafte thermodynamische Eigenschaften aufweisen, gering entflammbar sind und nur in sehr hoher Konzentration toxisch wirken. Allerdings haben diese fluorierte Gase (F-Gase) im Falle einer Leckage eine erhöhte Treibhauswirkung und sind schwer abbaubar.
Deshalb geht der Trend aktuell zu natürlichen Kältemitteln wie Propan (R290). Propan ermöglicht äusserst effiziente Wärmepumpenprozesse, ist allerdings leicht entzündlich. Diese Eigenschaft spielt jedoch nur dann eine Rolle, wenn das Kältemittel aus dem geschlossenen Kreislauf austritt, was während der gesamten Lebensdauer einer Wärmepumpe in der Regel nicht vorkommt. Bei einer innen aufgestellten Wärmepumpe reicht in den meisten Fällen ein Luftabzug nach aussen als Sicherheitsmassnahme aus.
Unterschiede zwischen aktiver und passiver Nutzung
Ein besonderer Vorteil der Wärmepumpe ist, dass sie nicht nur zum Heizen, sondern auch zum Kühlen verwendet werden kann. Hierbei unterscheidet man zwischen aktiver und passiver Kühlung:
Bei der aktiven Kühlung (Active Cooling) wird der Kältekreislauf umgekehrt oder extern die Primär- und Sekundäranschlüsse umgeschaltet. Die Wärmepumpe nimmt dabei die überschüssige Wärme aus den Räumen auf und gibt sie an die Umgebung (Luft, Erdreich, Wasser) ab. Der Verdichter bleibt in Betrieb, wodurch die Wärmepumpe eine grössere Kühlleistung erbringen kann. Die aktive Kühlung kann sowohl mit Sole/Wasser-, Wasser/Wasser- als auch mit Luft/Wasser-Wärmepumpen realisiert werden.
Im Gegensatz dazu nutzt die passive Kühlung (Natural Cooling) die natürliche Kühle des Erdreichs oder des Grundwassers. Bei dieser Methode ist der Verdichter nicht in Betrieb, lediglich die Umwälzpumpen im Quellen- und Heizkreis arbeiten. Die Raumwärme wird über die Kühlflächen (meist Fussbodenheizung) zum Wärmepumpenkreislauf geleitet und innerhalb der Wärmepumpe an den Solekreislauf übergeben, wo sie ins Erdreich geleitet und abgekühlt wird. Diese Methode ist besonders energieeffizient, da sie kaum Strom verbraucht.
Die passive Kühlung ist allerdings nur bei Sole/Wasser- oder Wasser/Wasser-Wärmepumpen möglich, da die Kälteleistung aus der Luft im Sommer in der Regel zu gering für eine ausreichende Raumkühlung ist. Durch passive Kühlung kann die Raumtemperatur um etwa drei bis fünf Grad Celsius abgesenkt werden.
Beide Kühlmethoden setzen voraus, dass eine Flächenheizung, wie eine Fussboden- oder Wandheizung, vorhanden ist. Bei der Planung einer Kühlanlage muss zudem unbedingt auf den Taupunkt geachtet werden, um Kondenswasserbildung zu vermeiden.
Arten von Wärmepumpen nach Wärmequelle
Wärmepumpen lassen sich nach ihrer primären Energiequelle in drei Haupttypen kategorisieren. Jede Variante nutzt unterschiedliche Umgebungsressourcen, bietet spezifische Vorteile und eignet sich für verschiedene Einsatzszenarien.
Luft/Wasser-Wärmepumpe: Einsatz und Grenzen
Die Luft/Wasser-Wärmepumpe ist die am weitesten verbreitete Bauart. Sie entzieht der Umgebungsluft ihre thermische Energie, selbst bei Temperaturen von bis zu minus 20 Grad Celsius. Ein Ventilator saugt dabei die Luft aktiv an und leitet sie zum Verdampfer weiter, wo das Kältemittel zirkuliert.
Vorteile:
- Vergleichsweise günstige Anschaffungs- und Installationskosten
- Einfache Installation ohne aufwendige Erdarbeiten
- Flexible Aufstellmöglichkeiten: vollständig innen, aussen oder als Split-System
- Reversibel betreibbar, dadurch im Sommer für aktive Kühlung nutzbar
Nachteile:
- Niedrigere Effizienz im Vergleich zu anderen Wärmepumpentypen mit einem COP von 3,4 bis 4,1
- Leistung und Effizienz nehmen mit sinkenden Aussentemperaturen ab
- Benötigt bei sehr kalten Temperaturen einen zweiten Wärmeerzeuger (bivalenter Betrieb)
- Faustregel: sinnvoller Einsatz bis 1.000 Meter über dem Meeresspiegel
Sole/Wasser-Wärmepumpe: Erdwärme effizient nutzen
Die Sole/Wasser-Wärmepumpe, oft Erdwärmepumpe genannt, nutzt die im Erdreich gespeicherte Wärme. Ab einer bestimmten Tiefe hat das Erdreich eine konstante Grundtemperatur von etwa zehn Grad Celsius.
Die Erdwärme wird durch zwei Hauptvarianten erschlossen:
- Erdsonden: Vertikal in die Erde eingelassene Rohre, die bis zu 100 Meter tief reichen und die konstante Temperatur des Untergrundes nutzen.
- Erdkollektoren: Horizontal in 1,5 Meter Tiefe verlegte Rohrsysteme, die eine grössere Fläche benötigen (etwa doppelte Quadratmeterzahl der zu beheizenden Wohnfläche).
Vorteile:
- Hohe Effizienz mit einem COP zwischen 4,4 und 4,8
- Konstante Leistung unabhängig von Aussentemperaturen
- Geräuscharmer Betrieb
- Lange Lebensdauer
Nachteile:
- Höhere Erschliessungskosten: Bohrungen kosten etwa 70 bis 100 CHF pro Meter
- Genehmigungspflicht für Erdbohrungen
- Anforderungen an Platzbedarf und Bodenbeschaffenheit
Die Kosten einer Sole/Wasser-Wärmepumpe liegen zwischen 15.000 und 25.000 CHF, zuzüglich etwa 20.000 CHF für Bohrungen und Genehmigungen. Trotz dieser hohen Anfangsinvestition amortisiert sich die Anlage durch niedrige Betriebskosten von jährlich etwa 720 CHF.
Wasser/Wasser-Wärmepumpe: Vorteile bei konstanten Temperaturen
Die Wasser/Wasser-Wärmepumpe nutzt die thermische Energie des Grundwassers und gilt als die effizienteste aller Wärmepumpenarten. Sie arbeitet optimal bei Grundwassertemperaturen zwischen 8 und 12 Grad Celsius.
Für ihren Betrieb benötigt diese Wärmepumpe zwei Brunnen:
- Ein Saugbrunnen (auch Förderbrunnen genannt) gewinnt das Grundwasser zur Wärmeentnahme.
- Ein Schluckbrunnen leitet das abgekühlte Wasser zurück ins Erdreich.
Vorteile:
- Höchste Effizienz aller Wärmepumpentypen mit einem COP zwischen 4,9 und 5,8
- Konstante Wärmebereitstellung durch geringe Temperaturschwankungen des Grundwassers
- Wirkungsgrad von bis zu 500 Prozent (JAZ von 5)
- Flüsterleiser Betrieb
- Meistens monovalenter Betrieb ohne zusätzliche Heizunterstützung möglich
Nachteile:
- Genehmigungspflichtig, da Grundwasser als Lebensmittel schützenswert ist
- Hohe Erschliessungs- und Anschaffungskosten zwischen 19.000 und 20.000 Euro zuzüglich Installation
- Ausreichende Wassermenge, -qualität und -temperatur müssen vorhanden sein
- Wasseranalyse bei der Planung erforderlich
Obwohl die Wasser/Wasser-Wärmepumpe die höchsten Anfangsinvestitionen erfordert, bietet sie durch ihre ausserordentliche Effizienz und die damit verbundenen niedrigen Betriebskosten langfristig eine wirtschaftliche Heizlösung. Die durchschnittliche Lebensdauer beträgt etwa 20 Jahre, wobei die Betriebskosten jährlich bei nur etwa 720 CHF liegen.
Materialien und Methoden: Planung und Installation von Wärmepumpenanlagen
Bei der Entscheidung für eine Wärmepumpenanlage steht zunächst die sorgfältige Planung im Vordergrund. Nur mit einer präzisen Abstimmung aller Komponenten können Wärmepumpen ihre volle Effizienz entfalten und langfristig wirtschaftlich arbeiten.
Voraussetzungen für die Installation im Neubau und Altbau
Im Neubau ist die Nutzung erneuerbarer Energien gesetzlich vorgeschrieben. Da neu gebaute Häuser typischerweise gut gedämmt sind, können sie problemlos vollständig mit Wärmepumpen beheizt werden. Für Altbauten hingegen gilt: Ab 2045 dürfen keine fossilen Energieträger mehr verheizt werden, und spätestens 2050 muss der Umstieg auf ein Heizsystem mit mindestens 65 % erneuerbaren Energien erfolgt sein.
Richtig ist zwar, dass eine Wärmepumpe im Altbau kaum so effizient laufen wird wie im Neubau, da die Dämmstandards von Neubauten nur schwer im Bestand zu erreichen sind. Dennoch sind moderne Wärmepumpen durchaus in der Lage, auch Häuser mit grösserem Wärmebedarf effizient zu beheizen.
Ein einfacher Test kann zeigen, ob ein Altbau direkt für eine Wärmepumpe geeignet ist: Lassen Sie die Vorlauftemperatur vom Installateur auf 45 bis 50 °C einstellen. Bleibt das Haus warm, eignet es sich gut für eine Wärmepumpe. Mit den neuesten Modellen, die Vorlauftemperaturen von bis zu 70 Grad Celsius erreichen – selbst bei Aussentemperaturen von minus 15 Grad – können in der Regel vorhandene Radiatoren weitergenutzt werden.
Falls dieser Test negativ ausfällt, gibt es mehrere Massnahmen zur Effizienzsteigerung:
- Einbau grossflächiger Heizkörper (z.B. Plattenheizkörper)
- Durchführung eines hydraulischen Abgleichs
- Optimierung der Heizkurve
- Isolation der Leitungen
- Nachrüstung der Gebäudedämmung
Hydraulischer Abgleich und Heizflächenauslegung
Der hydraulische Abgleich stellt sicher, dass in jedem Heizkörper zu jeder Zeit die richtige Menge an Heizwasser vorhanden ist. Dies ist bei Wärmepumpen besonders wichtig, da sie mit niedrigen Vorlauftemperaturen optimal arbeiten. Hohe Vorlauftemperaturen wirken sich nachteilig auf den Wirkungsgrad einer Wärmepumpe aus.
Zunächst berechnet der Fachmann den Wärmebedarf der einzelnen Räume und ermittelt die optimale Vorlauftemperatur sowie die benötigte Wassermenge für jeden Heizkörper. Anhand dieser Daten werden dann die Komponenten der Anlage eingestellt. Ein hydraulischer Abgleich kann die Energieeffizienz um bis zu 15 Prozent steigern.
Die Heizflächenauslegung dient der Dimensionierung von Heizkörpergrössen und -mengen. Sie sorgt dafür, dass in jedem Raum die individuell benötigte Wärmemenge abgegeben wird – selbst bei sehr niedrigen Aussentemperaturen. Dabei variiert die Raumheizlast je nach Raumnutzung und baulichen Gegebenheiten.
Besonders bei Fussbodenheizungen, die bei geringeren Vorlauftemperaturen eine grosse Oberfläche zur Wärmeabgabe nutzen, ist die korrekte Heizflächenauslegung entscheidend. In kleineren Räumen mit höheren Innentemperaturen, wie beispielsweise Badezimmern, können zusätzliche kleine Heizkörper einen möglichen Wärmemangel ausgleichen.
Integration mit Photovoltaik oder Solarthermie
Die Kombination einer Wärmepumpe mit Solarthermie oder Photovoltaik erhöht die Gesamteffizienz deutlich. Mit einer thermischen Solaranlage können bis zu 30 Prozent der Energie und Energiekosten für die Wärmeerzeugung eingespart werden. Die Solaranlage unterstützt dabei die Wärmepumpe, indem sie die Wasserspeichertemperatur erhöht und somit den Strombedarf der Wärmepumpe reduziert.
Bei ausreichend Platz auf dem Dach ist es möglich, sowohl Solarthermie- als auch Photovoltaikmodule zu installieren. Dies ist besonders vorteilhaft, da die Kombination von Wärmepumpe und Solarthermie zwar Wärme erzeugt, aber Strom zur Antriebsenergie benötigt. Mit einer zusätzlichen Photovoltaikanlage kann dieser Strom selbst produziert werden, was die Betriebskosten weiter senkt.
Eine weitere Möglichkeit ist die Integration eines Stromspeichersystems. Durch die Sektorenkopplung und ein Energiemanagementsystem lassen sich Wärme, Strom und gegebenenfalls Elektromobilität im Haushalt miteinander verknüpfen, wodurch der Photovoltaik-Überschuss optimal genutzt wird.
Die Kosten variieren je nach System: Eine neue Wärmepumpenheizanlage kostet für ein typisches Einfamilienhaus zwischen 30.000 und 35.000 CHF inklusive Zubehör, zuzüglich 6.000 bis 8.000 CHF Installationskosten. Eine Solaranlage schlägt mit weiteren 10.000 bis 12.000 CHF zu Buche.
Effizienzkennzahlen: COP, SCOP und Jahresarbeitszahl im Vergleich
Beim Kauf einer Wärmepumpe begegnen uns verschiedene Effizienzkennzahlen, die auf den ersten Blick verwirrend wirken können. Dennoch sind diese Werte entscheidend, um die tatsächliche Wirtschaftlichkeit einer Anlage zu beurteilen.
COP vs. JAZ: Unterschied und Aussagekraft
Die Leistungszahl COP (Coefficient of Performance) und die Jahresarbeitszahl (JAZ) beschreiben beide das Verhältnis zwischen erzeugter Wärme und eingesetzter elektrischer Energie. Der fundamentale Unterschied: Der COP wird unter Normbedingungen im Labor ermittelt und stellt eine Momentaufnahme dar. Er bezieht sich ausschliesslich auf die Wärmepumpe selbst, nicht auf das gesamte Heizsystem.
Im Gegensatz dazu wird die JAZ unter realen Betriebsbedingungen über ein ganzes Jahr gemessen. Sie berücksichtigt sämtliche Einflussfaktoren wie die Gebäudeisolierung, das individuelle Nutzungsverhalten sowie klimatische Bedingungen. Die JAZ ist daher die aussagekräftigere Kennzahl für die tatsächliche Effizienz einer Wärmepumpe im Alltag.
Die Berechnung erfolgt nach folgender Formel: JAZ = Qab (erzeugte Heizwärme) ÷ Qzu (verbrauchter Strom)
Eine JAZ von 4 bedeutet beispielsweise, dass die Wärmepumpe aus 1 kWh Strom 4 kWh Wärme erzeugt. Der Wirkungsgrad liegt damit bei beeindruckenden 400 Prozent.
Einfluss der Quellentemperatur auf die Effizienz
Die Quellentemperatur beeinflusst massgeblich den Wirkungsgrad einer Wärmepumpe. Je höher die Temperatur der Wärmequelle, desto effizienter arbeitet die Anlage. Bei einer Reduzierung der Quellentemperatur um nur 1°C sinken sowohl die Leistung als auch die JAZ der Wärmepumpe um etwa 2 bis 4 Prozent.
Entscheidend ist zudem der Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle und Vorlauftemperatur des Heizsystems. Ein geringerer Temperaturhub führt zu einem niedrigeren Stromverbrauch des Kompressors und somit zu einer höheren Effizienz. Folgende Faktoren wirken sich positiv auf die JAZ aus:
- Konstante Quellentemperaturen (Grundwasser, Erdreich)
- Niedrige Vorlauftemperaturen (idealerweise um 35°C)
- Gute Wärmedämmung des Gebäudes
- Flächenheizsysteme wie Fussboden- oder Wandheizungen
Typische JAZ-Werte für verschiedene Systeme
Die Effizienz verschiedener Wärmepumpentypen unterscheidet sich erheblich aufgrund ihrer Wärmequellen:
Luft/Wasser-Wärmepumpen erreichen typischerweise JAZ-Werte zwischen 2,5 und 3,8. Im Durchschnitt liegt ihre JAZ bei etwa 3,0, wobei die schwankenden Lufttemperaturen im Winter die Effizienz beeinträchtigen können.
Sole/Wasser-Wärmepumpen (Erdwärmepumpen) weisen dank der konstanten Erdreichtemperatur deutlich höhere JAZ-Werte zwischen 3,5 und 4,5 auf. Das Fraunhofer Institut für solare Energiesysteme bestätigte in einer Studie Mittelwerte zwischen 3,3 und 4,7.
Wasser/Wasser-Wärmepumpen erzielen die höchsten Effizienzwerte mit einer JAZ von durchschnittlich 5,0 [211]. Sie nutzen die ganzjährig stabile Temperatur des Grundwassers, die typischerweise bei 8-12°C liegt.
Für die staatliche Förderung nach dem Gebäudeenergiegesetz (GEG) ist seit 2024 eine rechnerisch prognostizierte Mindest-JAZ von 3,0 erforderlich. Früher genügte noch ein Wert von 2,7. Diese Anhebung unterstreicht die wachsende Bedeutung energieeffizienter Systeme im Rahmen der Energiewende.
In Bestandsgebäuden fallen die JAZ-Werte generell niedriger aus als in Neubauten mit besserer Dämmung. Dennoch funktionieren Wärmepumpen auch in Altbauten zuverlässig, wie das Fraunhofer Institut nachweisen konnte.
Ergebnisse und Diskussion: Energieeinsparung und Umweltwirkung
Die Umweltauswirkungen von Wärmepumpen stehen im Mittelpunkt vieler Diskussionen rund um die Energiewende. Während andere Heizsysteme direkt vor Ort fossile Brennstoffe verbrennen, nutzen Wärmepumpen vorwiegend die Umgebungswärme – ein entscheidender Unterschied für die Ökobilanz.
CO₂-Einsparung durch Wärmepumpenbetrieb
Der Einsatz von Wärmepumpen führt zu erheblichen CO₂-Einsparungen. Im Jahr 2020 lieferten etwa 1,3 Millionen Wärmepumpen in Deutschland rund 23,4 Terawattstunden Heizwärme und sparten dabei etwa 2 Millionen Tonnen Treibhausgase ein. Verglichen mit herkömmlichen Heizsystemen, die fossile Brennstoffe wie Gas oder Öl nutzen, können Wärmepumpen die CO₂-Emissionen eines Haushalts um bis zu 70% reduzieren, wenn sie mit Strom aus erneuerbaren Quellen betrieben werden.
Noch beeindruckender: Eine Wärmepumpe spart pro Jahr durchschnittlich 2620 kg CO₂ gegenüber einem fossilen Heizsystem ein. Über eine Lebensdauer von 20 Jahren bedeutet dies eine Reduzierung um gut 52 Tonnen CO₂. Dieses Einsparpotenzial ist so gross, dass eine einzelne Wärmepumpe jährlich knapp 8 m² arktische Eisfläche rettet, da laut dem Wissenschaftsjournal Science jede Tonne CO₂ zu einem Verlust von etwa 3 m² arktischem Eis führt.
Im Vergleich zu einer alten Ölheizung lässt sich der CO₂-Ausstoss sogar um etwa 90 Prozent reduzieren. Diese drastische Verringerung der Treibhausgasemissionen macht Wärmepumpen zu einer Schlüsseltechnologie für das Erreichen der Klimaziele.
Primärenergiebedarf im Vergleich zu Gas- und Ölheizungen
Gas- und Ölheizungen nutzen fossile Brennstoffe direkt, wodurch bei der Verbrennung CO₂ freigesetzt wird. Diese Abhängigkeit führt nicht nur zu Umweltproblemen, sondern auch zu steigenden Kosten durch die CO₂-Steuer, die sich in den Gaspreisen widerspiegelt. 2024 liegt der CO₂-Preis bei 45 Euro pro Tonne ausgestossenem CO₂, ab dem kommenden Jahr ist eine Erhöhung auf 55 Euro geplant.
Dagegen können Wärmepumpen mit 1 kWh Strom – je nach Effizienz – 3 bis 5 kWh Wärme erzeugen. Diese überlegene Energieeffizienz führt trotz der höheren Anschaffungskosten langfristig zu niedrigeren Betriebskosten. Dank der gestiegenen Förderung von mindestens 30 und maximal 70% des gedeckelten Gesamtpreises verringert sich zudem der finanzielle Unterschied bei der Anschaffung erheblich.
Neben der CO₂-Einsparung entstehen bei Gas- oder Ölheizungen gesundheitsschädliche Stickoxide und Feinstaub, die die Luftqualität belasten. Wärmepumpen verursachen hingegen keine direkten Emissionen vor Ort.
Einfluss des Strommixes auf die Klimabilanz
Die Umweltfreundlichkeit einer Wärmepumpe hängt massgeblich vom genutzten Strommix ab. Mit Strom aus erneuerbaren Energien laufen Wärmepumpen nahezu treibhausgasneutral. Je höher der Anteil erneuerbarer Energien am Strommix, desto geringer die Emissionen.
Die spezifischen Treibhausgasemissionen des deutschen Strommixes betrugen 750 g CO₂-Äquivalente pro kWh im Jahr 2022. Der Rückgang der Emissionen ist dabei auf den gestiegenen Anteil erneuerbarer Energien im Strommix und den gesunkenen Anteil der Stromerzeugung aus Kohle zurückzuführen.
Allerdings zeigt eine Studie des Kantons Basel-Landschaft, dass Wärmepumpensysteme unter Berücksichtigung des UCTE-Strommixes erst ab einer Jahresarbeitszahl (JAZ) von 5 und höher umweltfreundlicher sind als Pellets- und Erdgassysteme. Dies ist in Altbauten praktisch nicht möglich. Mit dem Schweizer Strommix, der ein viermal geringeres Treibhauspotential aufweist als der europäische Verbundmix, schneiden Wärmepumpen jedoch deutlich umweltfreundlicher ab als Gas- und Ölheizungen.
Nutzer von Wärmepumpen, die erneuerbaren Strom beziehen, heizen schon heute treibhausgasfrei. Eine weitere Optimierungsmöglichkeit bietet die Kombination mit Photovoltaikanlagen, wodurch Haushalte ihren CO₂-Ausstoss fast auf null reduzieren können.
Systemgrenzen und technische Einschränkungen
Trotz aller Vorteile stossen Wärmepumpen in der Praxis an bestimmte Grenzen. Diese technischen Einschränkungen zu kennen, hilft Hausbesitzern, fundierte Entscheidungen zu treffen und realistische Erwartungen zu entwickeln.
Maximale Vorlauftemperatur bei Radiatorenheizungen
Die Vorlauftemperatur einer Wärmepumpe beeinflusst entscheidend deren Effizienz und Betriebskosten. Je niedriger die Temperatur des Heizwassers, desto weniger Strom verbraucht die Anlage. Tatsächlich kann jedes Grad Celsius Temperaturabsenkung etwa 2,5 Prozent Heizkosten einsparen.
Wärmepumpen arbeiten besonders effizient bei Vorlauftemperaturen bis 35°C, was sie ideal für Flächenheizungen wie Fussbodenheizungen macht. Bei konventionellen Radiatorenheizungen werden jedoch häufig höhere Temperaturen benötigt. Moderne Wärmepumpen können zwar mit Vorlauftemperaturen von bis zu 55°C noch wirtschaftlich betrieben werden, darüber hinaus sinkt die Effizienz jedoch merklich.
Für Altbauten mit höherem Wärmebedarf gibt es spezielle Hochtemperatur-Wärmepumpen, die Vorlauftemperaturen von 70°C, 75°C oder sogar 80°C erreichen können. Diese Modelle sind allerdings teurer in der Anschaffung und arbeiten mit geringerer Effizienz.
Ein einfacher Test zeigt, ob ein bestehendes Heizsystem für eine Wärmepumpe geeignet ist: Wird das Haus bei einer Vorlauftemperatur von 55°C ausreichend warm, eignet sich das System für den Betrieb mit einer Wärmepumpe.
Lärmemissionen bei Luft-Wärmepumpen
Lärmemissionen sind ein klassisches Vorurteil gegenüber Wärmepumpen, das jedoch nicht unbegründet ist. Je nach Hersteller, Modell und Aufstellungsort erzeugen Wärmepumpen Schallwerte zwischen 30 und 60 Dezibel. Dies entspricht ungefähr der Lautstärke zwischen einem Flüstern und einem normalen Gespräch.
In Wohngebieten gelten strenge gesetzliche Grenzwerte. Die Lärmschutzverordnung legt fest, dass Wärmepumpen tagsüber maximal 55 Dezibel und nachts höchstens 45 Dezibel erzeugen dürfen. Bei Überschreitung können Nachbarn eine Beschwerde einreichen, woraufhin eine unabhängige Schallmessung durchgeführt werden muss.
Gegen unerwünschte Geräusche helfen verschiedene Massnahmen:
- Strategische Aufstellung mit mindestens drei Metern Abstand zum Nachbargrundstück
- Installation von Schallschutz- oder Schalldämmhauben
- Verwendung von Gummifüssen oder Federelementen zur Körperschallreduktion
- Aktivierung eines “Nachtmodus” bei modernen Geräten
Für die Baueingabe einer Luft-Wasser-Wärmepumpe ist zudem ein Lärmschutznachweis erforderlich.
Genehmigungspflicht bei Erd- und Grundwasseranlagen
Während Luft-Wasser-Wärmepumpen meist genehmigungsfrei installiert werden können, unterliegen Erdwärmeanlagen strengen Auflagen. Für Erdwärmesonden ist grundsätzlich eine gewässerschutzrechtliche Bewilligung erforderlich, da durch Bohrungen unerwünschte Wasserverbindungen zwischen Grundwasserstockwerken entstehen könnten.
Für Wasser-Wasser-Wärmepumpen, die Grundwasser nutzen, ist neben der Genehmigung auch ein Gutachten eines unabhängigen Sachverständigen Pflicht. Dies liegt daran, dass Grundwasser als Lebensmittel besonders schützenswert ist.
Die Genehmigungsverfahren variieren je nach Bundesland und lokalen Gegebenheiten. Besonders strenge Auflagen gelten in Wasserschutz-, Trinkwassergewinnungs- und Heilquellengebieten, wo die Nutzung von Erdwärme sogar vollständig untersagt sein kann.
Darüber hinaus gelten spezielle Vorschriften für Sondenstandorte: Bei weniger als 2,5 Metern Abstand zur Grundstücksgrenze ist die Zustimmung des Nachbarn erforderlich. In der Nähe von Eisenbahnanlagen oder Tunnels sind zusätzliche Stellungnahmen der betroffenen Behörden einzuholen.
Zukunftsperspektiven: Wärmepumpen im Kontext der Energiewende
Wärmepumpen sind nicht nur für Einzelgebäude relevant, sondern entwickeln sich zunehmend zu einem zentralen Baustein der gesamten Energieinfrastruktur. Ihre Zukunft geht weit über traditionelle Anwendungen hinaus.
Wärmepumpen in kalten Nahwärmenetzen
Kalte Nahwärmenetze, die mit Temperaturen zwischen 4 und 20°C betrieben werden, bieten eine innovative Lösung für die Wärmeversorgung ganzer Siedlungen. In jedem angeschlossenen Gebäude heben dezentrale Wasser-Wasser-Wärmepumpen das Temperaturniveau auf die benötigte Vorlauftemperatur an. Folgende Vorteile machen diese Systeme besonders zukunftsfähig:
- Bereitstellung von Wärme und Kälte aus einer Infrastruktur
- Nahezu keine Wärmeverluste durch ungedämmte Rohre
- Flexible Erweiterbarkeit und Nutzung verschiedener Wärmequellen
Darüber hinaus können diese Netze netzdienlich betrieben werden. Moderne KI-basierte Energiemanagementsysteme ermöglichen eine direkte Kopplung an den dynamischen Strommarkt, wodurch die Heizkosten deutlich sinken.
Grosswärmepumpen in Fernwärmesystemen
Grosswärmepumpen mit einer Leistung ab 500 Kilowatt werden zunehmend in Fernwärmenetzen eingesetzt. Gegenwärtig sind in Deutschland etwa 30 Anlagen mit einer Gesamtleistung von 60 Megawatt in Betrieb, während bereits 30 weitere Projekte mit insgesamt 600 Megawatt in Planung oder im Bau sind.
Ein Beispiel ist das Projekt der EnBW in Stuttgart mit 20 Megawatt thermischer Leistung, das jährlich etwa 15.000 Tonnen CO₂ einspart. Grosswärmepumpen arbeiten dabei mit einem Wirkungsgrad von etwa 3:1 – für 3 Megawatt Wärme wird nur 1 Megawatt Strom benötigt.
Fachleute gehen davon aus, dass bis 2045 mehr als 70 Prozent der Fernwärme in Deutschland von Grosswärmepumpen produziert werden könnte. Dafür müsste allerdings ab sofort jährlich eine Leistung von vier Gigawatt neu installiert werden.
Wärmepumpen mit natürlichen Kältemitteln wie R290
Infolge der F-Gase-Verordnung setzen immer mehr Hersteller auf natürliche Kältemittel wie Propan (R290). Mit einem Global Warming Potential (GWP) von nur 3 ist es wesentlich klimafreundlicher als synthetische Alternativen.
Ein entscheidender Vorteil: R290-Wärmepumpen erreichen Vorlauftemperaturen von bis zu 75°C, was sie ideal für die Heizungssanierung im Altbau macht. Zudem ist das Kältemittel preisgünstig und unbegrenzt verfügbar.
Wenngleich Propan als brennbares Gas besondere Sicherheitsanforderungen stellt, lassen sich diese durch entsprechende Massnahmen einfach erfüllen. Bei der üblichen Aussenaufstellung befindet sich der Kältemittelkreis ohnehin ausserhalb des Gebäudes.
Die zukunftsweisende Bedeutung von R290 unterstreicht auch die zusätzliche staatliche Förderung: Neben der Basisförderung für Wärmepumpen gibt es einen Bonus von 5 Prozent für Anlagen mit diesem natürlichen Kältemittel.
Schlussfolgerung
Wärmepumpen entwickeln sich zur Schlüsseltechnologie der Energiewende. Die Zahlen belegen eindeutig ihre Bedeutung: Bereits heute nutzen über 40 Prozent der Neubauten diese effiziente Heiztechnologie. Besonders beeindruckend zeigt sich die Umweltwirkung – eine einzelne Wärmepumpe spart durchschnittlich 2.620 kg CO₂ pro Jahr gegenüber fossilen Systemen.
Die technologische Entwicklung schreitet dabei stetig voran. Moderne Anlagen erreichen auch bei niedrigen Aussentemperaturen hohe Vorlauftemperaturen, wodurch sie sich zunehmend für Bestandsgebäude eignen. Natürliche Kältemittel wie Propan (R290) machen die Systeme zusätzlich umweltfreundlicher.
Gleichzeitig eröffnen sich neue Einsatzgebiete: Kalte Nahwärmenetze und Grosswärmepumpen in der Fernwärme zeigen das enorme Potenzial dieser Technologie für die kommunale Wärmeversorgung. Fachleute erwarten, dass Wärmepumpen bis 2045 mehr als 70 Prozent der Fernwärme in Deutschland erzeugen könnten.
Die Wärmepumpe beweist sich damit als ausgereifte, zukunftssichere Lösung für klimafreundliches Heizen. Ihre Kombination aus Energieeffizienz, CO₂-Einsparung und vielfältigen Einsatzmöglichkeiten macht sie zum unverzichtbaren Baustein der Wärmewende.
FAQs
Q1. Wie funktioniert eine Wärmepumpe technisch? Eine Wärmepumpe entzieht der Umgebung (Luft, Erdreich oder Grundwasser) Wärmeenergie und hebt diese auf ein höheres Temperaturniveau an. Der Prozess ähnelt dem eines Kühlschranks, nur in umgekehrter Richtung. Ein Kältemittel zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf und durchläuft dabei Phasen der Verdampfung, Kompression, Verflüssigung und Expansion, um Wärme zu gewinnen und nutzbar zu machen.
Q2. Welche Vorteile bietet eine Wärmepumpe gegenüber herkömmlichen Heizsystemen? Wärmepumpen sind äusserst energieeffizient und können aus 1 kWh Strom bis zu 4 kWh Wärme erzeugen. Sie verursachen keine direkten CO2-Emissionen vor Ort und können den CO2-Ausstoss eines Haushalts um bis zu 70% reduzieren. Zudem haben sie niedrige Betriebskosten, benötigen wenig Wartung und können auch zum Kühlen verwendet werden.
Q3. Wie hoch sind die CO2-Einsparungen durch den Einsatz von Wärmepumpen? Eine durchschnittliche Wärmepumpe spart pro Jahr etwa 2620 kg CO2 im Vergleich zu fossilen Heizsystemen ein. Über eine Lebensdauer von 20 Jahren bedeutet dies eine Reduzierung um gut 52 Tonnen CO2. Bei Nutzung von Strom aus erneuerbaren Quellen kann der Betrieb sogar nahezu CO2-neutral sein.
Q4. Welche Arten von Wärmepumpen gibt es und wie unterscheiden sie sich? Es gibt drei Haupttypen: Luft-Wasser-, Sole-Wasser- und Wasser-Wasser-Wärmepumpen. Luft-Wasser-Wärmepumpen nutzen die Aussenluft als Wärmequelle und sind einfach zu installieren. Sole-Wasser-Wärmepumpen (Erdwärmepumpen) nutzen die konstante Temperatur des Erdreichs und sind effizienter. Wasser-Wasser-Wärmepumpen, die Grundwasser nutzen, erreichen die höchste Effizienz, benötigen aber spezielle Genehmigungen.
Q5. Wie entwickelt sich die Wärmepumpentechnologie für die Zukunft? Wärmepumpen werden zunehmend in kalten Nahwärmenetzen und als Grossanlagen in Fernwärmesystemen eingesetzt. Es wird erwartet, dass sie bis 2045 über 70% der Fernwärme in Deutschland produzieren könnten. Zudem geht der Trend zu natürlichen Kältemitteln wie Propan (R290), die umweltfreundlicher sind und höhere Vorlauftemperaturen ermöglichen, was die Technologie auch für Altbauten attraktiver macht.