Stellen Sie sich vor, die Energie, die uns umgibt – die Wärme der Erde, die Luft um uns herum – könnte direkt genutzt werden, um unsere Häuser und Büros zu beheizen. Es klingt fast wie Magie, aber in Wirklichkeit handelt es sich um eine fortschrittliche Technologie, die bereits heute verfügbar ist: Wärmepumpen. Diese Geräte haben die bemerkenswerte Fähigkeit, Energie direkt aus unserer Umgebung zu ziehen, und könnten eine Revolution in der Art und Weise darstellen, wie wir denken und wie wir Energie nutzen.

Wärmepumpen sind Geräte, die Wärme von einem Ort mit niedriger Temperatur auf einen Ort mit höherer Temperatur transportieren und so dazu beitragen, Gebäude effizient zu beheizen oder zu kühlen. Durch ihre Fähigkeit, Wärme aus der Umwelt zu nutzen und sie für den Heiz- oder Kühlprozess zu verwenden, stellen sie eine umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen Heizsystemen dar.

Doch wie genau funktioniert eine Wärmepumpe und welche verschiedenen Arten und Betriebsweisen gibt es? In diesem Blogartikel wollen wir einen genaueren Blick auf die Funktionsweise von Wärmepumpen werfen und die verschiedenen Optionen einmal genauer beleuchten.

Erneuerbare Energie als Wärmequelle: Nachhaltige Wärmeversorgung durch Wärmepumpen

Die stetig wachsenden Bedenken hinsichtlich des Klimawandels und der Notwendigkeit, den CO2-Ausstoß zu reduzieren, haben die Suche nach nachhaltigen Energielösungen verstärkt. Eine solche Lösung ist die Wärmepumpentechnologie, die Erneuerbare Energien aus unserer unmittelbaren Umgebung nutzt. Doch wie vergleicht sie sich mit herkömmlichen Heizsystemen, und welchen Einfluss hat sie auf die CO2-Bilanz?

Vergleich mit herkömmlichen Heizsystemen

Herkömmliche Heizsysteme, etwa mit Öl oder Gas betrieben, sind zwar weit verbreitet, jedoch weisen sie einige Nachteile im Hinblick auf Effizienz und Umweltfreundlichkeit auf. Ihre Betriebsweise basiert auf der Verbrennung von fossilen Brennstoffen, was zu einem hohen CO2-Ausstoß und anderen Schadstoffemissionen führt. Eine in die Jahre gekommenen Ölheizung mit rund 18.000 kWh Heizleistung pro Jahr verursacht um die 4,8 Tonnen CO2 – eine Wärmepumpe mit vergleichbarer Leistung kann je nach Stromquelle nahezu CO2-neutral sein. Zum Vergleich: Es müssen 80 Bäume gepflanzt werden, um eine Tonne CO2 zu binden (4,8t CO2 = 384 Bäume) und das jedes Jahr!

Wärmepumpen hingegen nutzen die Energie aus der Erde, der Luft oder dem Wasser, um Wärme für Wohnräume oder Wasser zu erzeugen. Sie benötigen lediglich Strom, um zu funktionieren – und dieser kann zunehmend aus erneuerbaren Quellen bezogen werden. Dadurch sind sie in der Lage, mehr Energie in Form von Wärme zu liefern, als sie in Form von Strom verbrauchen, was sie zu einer äußerst effizienten Heizmethode macht.

CO2-Bilanz und Nachhaltigkeit

Bei der Verbrennung jedes Brennstoffs, ob Heizöl, Kohle, Gas oder Holz, entstehen CO2-Emissionen. Allerdings variieren diese Emissionen je nach Energieinhalt des jeweiligen Brennstoffs. So ist das Verhältnis zwischen dem Heizwert und dem ausgestoßenen CO2 bei Heizöl 0,266 kg/kWh ungünstiger im Vergleich zu Pellets 0,036 kg/kWh.

Bei der Klimaneutralität hat Holz einen besonderen Stellenwert: Während seiner Wachstumsphase absorbiert ein Baum die Menge an CO2, die der in der Verbrennung freigesetzten Menge entspricht. Jedoch führt das Verbrennen speziell von Pellets oder ganzen Scheiten zu erheblichen Feinstaubemissionen. Zusätzlich bedarf es einer gewissen Dauer, bis ein verbrannter Baum durch nachfolgende Generationen ausgeglichen wird.

Die CO2-Bilanz von Wärmepumpen ist signifikant besser als die von herkömmlichen Heizsystemen. Selbst wenn man den Stromverbrauch einer Wärmepumpe berücksichtigt, ist ihr CO2-Fußabdruck oft geringer, insbesondere wenn der Strom aus erneuerbaren Quellen stammt. In Ländern oder Regionen mit einem hohen Anteil an erneuerbaren Energien im Strommix können Wärmepumpen einen nahezu CO2-neutralen Betrieb ermöglichen. Generiert man diesen Strom selbst mit Solarpanels, ist der CO2-Ausstoß sogar fast null.

Darüber hinaus sind Wärmepumpen eine langfristige Investition in die Nachhaltigkeit. Da sie nicht auf endliche fossile Brennstoffe angewiesen sind, bieten sie eine zukunftssichere Heizlösung, die im Einklang mit den globalen Zielen zur Emissionsreduktion steht.

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Die Natur als Energiequelle: Wärmepumpenarten und ihre Wärmequellen im Überblick

Wärmepumpen repräsentieren einen Wendepunkt in der modernen Energiegewinnung, indem sie die regenerativen Kräfte der Natur nutzen, anstatt sich auf konventionelle Brennstoffe zu verlassen. Sie ziehen ihre Energie direkt aus der Umgebung, sei es aus der Luft, dem Wasser oder dem Erdreich, und setzen diese Energie in Wärme um. Dieser Ansatz steht ganz im Einklang mit einer nachhaltigen Zukunft, in der die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und anderen traditionellen Energiequellen reduziert wird. Aber welche Wärmepumpenarten gibt es und welche Unterschiede gibt es zu beachten?

Luft-Wasser Wärmepumpe

Die Luft-Wasser Wärmepumpe entzieht der Außenluft Wärme und gibt sie an das Heizsystem weiter. Abhängig von ihrer Konstruktion und Verwendungszweck unterscheiden wir:

• Niedertemperatur Luft-Wasser Wärmepumpe: Diese Variante ist darauf ausgelegt, geringe Vorlauftemperaturen zu erzeugen und ist daher ideal für Fußbodenheizungen geeignet. Durch die niedrigen Vorlauftemperaturen arbeitet sie besonders effizient und kann in gut gedämmten Gebäuden eine hervorragende Heizleistung erzielen (Energieeffizienzklasse A++ und besser). Sie erreicht in der Regel eine Jahresarbeitszahl (JAZ) von etwa 4 bis 5, was bedeutet, dass sie etwa 4 bis 5 Einheiten Wärmeenergie für jede verbrauchte Einheit elektrischer Energie erzeugt.
• Hochtemperatur Luft-Wasser Wärmepumpe: Im Gegensatz zur Niedertemperaturvariante kann diese Art von Wärmepumpe höhere Vorlauftemperaturen erreichen. Dadurch eignet sie sich gut für klassische Heizkörper-Heizsysteme, bei denen höhere Temperaturen benötigt werden. Sie kann auch für die Bereitstellung von Warmwasser verwendet werden. Die JAZ liegt in der Regel etwas niedriger, etwa im Bereich von 3 bis 4, also im Bereich der Energieeffizienzklasse von A+.
• Monoblock Luft-Wasser Wärmepumpe: Bei dieser Bauweise sind alle wichtigen Komponenten der Wärmepumpe in einem einzigen Gerät integriert. In der Regel wird die monoblockartige Luft-Wasser Wärmepumpe außerhalb des Gebäudes installiert. Diese Variante ist besonders platzsparend und einfach zu installieren. Die Effizienz hängt von der genauen Konstruktion ab, kann aber ähnlich der Niedertemperaturvariante sein.
• Splitanlage Luft-Wasser Wärmepumpe: Im Gegensatz zur Monoblock-Wärmepumpe sind bei der Splitanlage die Außen- und Inneneinheiten getrennt. Das Kältemittel zirkuliert nur im Außenteil, was einige Vorteile bietet, wie eine flexiblere Installation und weniger Geräuschbelästigung im Innenbereich. Die Effizienz ist vergleichbar mit der Niedertemperaturvariante.
• Luft-Luft Wärmepumpe: Diese spezielle Art von Wärmepumpe entzieht der Außenluft Wärme und gibt sie direkt an die Raumluft im Innenraum ab. Sie funktioniert ähnlich wie eine Klimaanlage, kann jedoch auch zum Heizen genutzt werden. Luft-Luft Wärmepumpen sind effizient und eignen sich gut für die gezielte Beheizung von Räumen. Ihre Effizienz hängt von der Konstruktion ab, liegt aber in der Regel im Bereich der anderen Luft-Wasser Wärmepumpen.

Wasser-Wasser Wärmepumpe

Diese spezialisierte Wärmepumpe nutzt das Grundwasser als Wärmequelle. Das Besondere am Grundwasser ist seine konstante Temperatur, die das ganze Jahr über größer als zehn Grad Celsius beträgt. Das macht den Betrieb besonders effizient und zuverlässig.

Die Wärmepumpe arbeitet mithilfe von zwei Brunnen: einem Saug- und einem Schluckbrunnen. Der Saugbrunnen entzieht das Grundwasser, das als Energiequelle dient, während der Schluckbrunnen das Wasser wieder zurück in die Erde leitet. Das Grundwasser wird in der Wärmepumpe genutzt, um Wärme zu gewinnen, die dann in das Heizsystem eines Gebäudes eingespeist wird.

Die Effizienz einer Wasser-Wasser Wärmepumpe hängt von mehreren Faktoren ab, darunter die Wasserzusammensetzung und die Menge des verfügbaren Grundwassers. Um sicherzustellen, dass diese Art von Wärmepumpe wirtschaftlich betrieben werden kann, ist eine sorgfältige Planung und Beratung erforderlich. Ein wichtiger Aspekt bei der Planung einer Wasser-Wasser Wärmepumpe ist der Wasserschutz, da bestimmte Bedingungen von den zuständigen Behörden genehmigt werden müssen. Es ist ratsam, frühzeitig bei den entsprechenden Ämtern anzufragen, um sicherzustellen, dass alle erforderlichen Genehmigungen vor dem Kauf eingeholt werden können.

Sole-Wasser Wärmepumpe

Im Vergleich zu Luft-Wasser Wärmepumpen erreichen Sole-Wasser Wärmepumpen in der Regel höhere Wirkungsgrade. Das Erdreich, aus dem Sole-Wasser Wärmepumpen Wärme entziehen, bietet eine relativ konstante und moderate Temperatur über das gesamte Jahr. Im Gegensatz dazu kann die Lufttemperatur, von der Luft-Wasser Wärmepumpen abhängen, stark schwanken und in kalten Wintermonaten deutlich niedriger sein. Eine wichtige Kennzahl für die Effizienz einer Sole-Wasser Wärmepumpe ist die Differenz zwischen der Ausgangstemperatur der Wärmequelle und der Vorlauftemperatur des Heizsystems. Je geringer diese Temperaturdifferenz ist, desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe.

Die Effizienz einer Sole-Wasser Wärmepumpe kann mithilfe der VDI-Richtlinie 4650 prognostiziert werden. Dieses Rechenverfahren basiert auf dem COP (Coefficient of Performance) der Wärmepumpe und verschiedenen Anlagenparametern. Die Jahresarbeitszahl (JAZ) ist die Summe aller innerhalb eines Jahres auftretenden COPs und dient zur Ermittlung der tatsächlichen Effizienz der Anlage.

Die Sole-Wasser Wärmepumpe nutzt das Erdreich als Wärmequelle und bietet verschiedene Methoden zur Wärmeentnahme:

• Erdsonde: Die Erdsonde ist eine bewährte Methode, um Erdwärme für Sole-Wasser Wärmepumpen zu nutzen. Bei dieser Methode werden in den Boden Tiefenbohrungen vorgenommen, die bis zu 100 Meter tief reichen können. In diesen Bohrlöchern zirkuliert ein spezielles Frostschutzmittel, das die im Erdreich gespeicherte Wärme aufnimmt. Da in dieser Tiefe die Temperaturen das ganze Jahr über relativ konstant sind, kann die Erdsonde effizient Wärmeenergie aus dem Erdreich entziehen. Diese Methode eignet sich besonders gut für Gebiete, in denen es wenig Platz für flächige Systeme wie Flächenkollektoren gibt. Aufgrund der tiefen Bohrungen sind jedoch eine sorgfältige Planung und gegebenenfalls behördliche Genehmigungen erforderlich.
• Flächenkollektoren: Die Verwendung von Flächenkollektoren ist eine weitere Möglichkeit zur Wärmeentnahme bei Sole-Wasser Wärmepumpen. Bei dieser Methode werden Kunststoffrohre in geringer Tiefe, etwa ein bis zwei Meter unter der Erdoberfläche, verlegt. Diese Rohre bilden ein Netzwerk und sind in der Lage, thermische Energie aus dem umgebenden Boden aufzunehmen. Die Effizienz dieser Methode hängt von der zur Verfügung stehenden Fläche ab. Große Grundstücke eignen sich besonders gut für Flächenkollektoren, da sie mehr Raum bieten, um diese Rohrsysteme zu verlegen. Die thermische Energie, die durch Flächenkollektoren gewonnen wird, stammt hauptsächlich von Sonneneinstrahlung und Regenwasser, weshalb die Flächen nicht versiegelt sein dürfen, um die Effizienz zu gewährleisten.
• Ringgrabenkollektoren: Der Ringgrabenkollektor ist eine Hybridlösung, die sowohl die Vorteile der horizontalen als auch der vertikalen Wärmeentnahme kombiniert. Bei dieser Methode werden Kunststoffrohre in einem schrägen oder horizontalen Ringgraben verlegt, der in den Boden eingelassen ist. Der Ringgrabenkollektor bietet den Vorteil, dass er weniger Platz benötigt als Flächenkollektoren und gleichzeitig effizienter als reine horizontale Systeme ist. Dadurch ist er eine gute Option für Grundstücke, auf denen die Platzverhältnisse begrenzt sind. Ringgrabenkollektoren können thermische Energie aus verschiedenen Tiefen im Boden gewinnen und sind daher vielseitig einsetzbar.

Auch Interessant: Obwohl die Anschaffungskosten für eine Erdwärmepumpe vergleichsweise hoch sind, entwickeln sich die Kosten des Erdwärmetauschers proportional zur Leistung der Wärmepumpe. Dies bedeutet, dass für die anfangs höhere Investition über die Zeit hinweg  Kosteneinsparungen bei den Heizkosten ermöglicht. In Kombination mit einer eigenen Photovoltaikanlage kann eine Sole-Wasser Wärmepumpe dazu beitragen, ein Haus nahezu autark zu beheizen und bietet langfristig günstige Heizkosten.

Warmwasser-Wärmepumpe

Die Warmwasser-Wärmepumpe, auch als Brauchwasser-Wärmepumpe bekannt, ist st speziell für die Erwärmung von Warmwasser konzipiert. Diese Pumpen entziehen etwa 3/4 der benötigten Wärme aus der Raum- oder Außenluft und decken den restlichen Energiebedarf mit Strom.

Sie kann als Wärmequelle sowohl Umluft als auch Abluft nutzen. Im Betrieb mit Umluft kann sie zusätzlich zur Warmwasserbereitung zur Entfeuchtung von Räumen beitragen und so das Risiko der Schimmelbildung reduzieren. Wenn die Warmwasser-Wärmepumpe an ein vorhandenes Luftverteilsystem angeschlossen ist, kann sie eine kontrollierte Belüftung der Räume ermöglichen. Hierbei wird jedoch eine aktive Zuluftleitung benötigt, um einen Unterdruck zu vermeiden.

• Betrieb mit Umluft: Bei dieser Betriebsart nutzt die Warmwasser-Wärmepumpe die Umluft als Wärmequelle. Sie kann beispielsweise in Kellerräumen eingesetzt werden, die in den Wintermonaten eine konstante und relativ hohe Temperatur aufweisen. Während des Betriebs wird die Temperatur im Kellerraum um etwa zwei bis vier Grad abgekühlt. Gleichzeitig erfolgt die Entfeuchtung der Kellerluft, was dazu beiträgt, die Gefahr der Schimmelbildung zu reduzieren.
• Betrieb mit Abluft: In dieser Betriebsart nutzt die Warmwasser-Wärmepumpe die warme Abluft aus verschiedenen Räumen, um das Wasser zu erwärmen. Hierbei wird die obere Abdeckung der Abluft-Wärmepumpe durch einen Abluftdeckel ersetzt, und die Wärmepumpe ist an das bestehende Luftverteilsystem angeschlossen. Die abgekühlte Abluft, die bei der Trinkwassererwärmung entsteht, wird als Fortluft nach draußen geführt. Damit kein Unterdruck entsteht, erfolgt die Zuluft über separate Zuluftelemente. Diese Betriebsart ermöglicht nicht nur die Warmwassererwärmung, sondern auch eine kontrollierte Be- und Entlüftung der Räume.

Typischerweise haben Warmwasser-Wärmepumpen für Einfamilienhäuser eine Heizleistung im Bereich von 1,5 bis 2,5 kW. Sie sind kompakt gebaut und leise im Betrieb. Das Fassungsvermögen des Warmwasserspeichers kann meist über die Pruduktbezeichnung abgelesen werden (häufig ca. 200 bis 300l).

Hybrid-Wärmepumpentechnik

Die Hybrid-Wärmepumpe ist eine Heiztechnik, die aus einer Wärmepumpe und einem anderen Wärmeerzeuger besteht, die aufeinander abgestimmt sind. Sie kann in einem Kompaktgerät oder in Form von zwei separaten Heizsystemen installiert werden. Im sogenannten bivalenten Betrieb übernimmt eines der beiden Heizsysteme die Wärmeerzeugung bis zu einem vorher festgelegten Punkt, bei dem der zweite Wärmeerzeuger zugeschaltet wird. Dieser Punkt wird als Bivalenzpunkt bezeichnet. Moderne Hybrid-Wärmepumpen verfügen über intelligente Regelungen, die automatisch die effizienteste Betriebsweise auswählen.

Hybrid-Wärmepumpen können auf verschiedene Weisen konfiguriert werden.

• Kombination Gasbrennwertkessel: Die gebräuchlichste Variante ist die Kombination einer Wärmepumpe mit einem Gasbrennwertkessel (Gas-Hybridheizung). Diese Kombination ist besonders weit verbreitet und effizient, da moderne Gasbrennwertkessel in der Regel modulierend arbeiten und sich an den Wärmebedarf anpassen. Hybrid-Wärmepumpen können jedoch auch mit bestehenden Gasbrennwertkesseln kombiniert werden, sofern beide Systeme gut aufeinander abgestimmt sind.
• Kombination Solarthermieanlage: Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine Hybrid-Wärmepumpe mit Solarthermieanlagen zu kombinieren. Dies kann die Warmwasserbereitung umweltfreundlich gestalten und die Wärmepumpe entlasten. Es ist jedoch wichtig, die Anlage sorgfältig zu planen, da die Nutzung der Solarthermieanlage den Wirkungsgrad der Wärmepumpe verschlechtern kann. Eine ausführliche Planung, einschließlich eines Solarspeichers und einer fachgerechten Abstimmung beider Systeme, ist erforderlich.
• Kombination Festbrennstoffkessel: Die Kombination einer Wärmepumpe mit Festbrennstoffkesseln, insbesondere Scheitholzkesseln, ist technisch möglich, hat jedoch einige Nachteile. Scheitholzkessel sind erst unter hoher Last effizient und haben längere Aufheizzeiten. Dies kann zu einem Komfortverlust führen. In der Regel ist die Kombination mit Pelletkesseln teuer. Eine Hybrid-Wärmepumpe kann auch mit Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung kombiniert werden, ist jedoch normalerweise nur für die Warmwasserbereitung geeignet, da das Luftvolumen begrenzt ist.

Die Vorteile einer Hybrid-Wärmepumpe liegen in der hohen Effizienz und Sauberkeit der Wärmepumpentechnik. Sie ermöglicht eine effiziente Wärmeerzeugung, auch wenn die Temperaturen im Heizsystem niedrig sind. Die Anschaffungskosten für Hybrid-Wärmepumpen sind in der Regel höher als für einzelne Heizsysteme, können jedoch durch staatliche Förderungen reduziert werden. Hybrid-Wärmepumpen sind besonders in energiesparenden Neu- oder Altbauten sinnvoll, die über große Heizflächen oder eine Flächenheizung verfügen.

Großwärmepumpen

Großwärmepumpen sind speziell für den Einsatz in größeren Gebäudekomplexen oder ganze Siedlungen entwickelt worden und erfüllen hohe europäische Standards. Als Wärmequellen können verschiedene Abwärmequellen, das Erdreich, industrielle Prozesswärme, Grundwasser oder sogar ein Eis-Energiespeicher dienen. Sie haben das Potenzial, sowohl Heiz- als auch Kühlbedarf in großvolumigen Gebäuden zu decken. Oftmals sind solche Gebäude bisher auf fossile Brennstoffe wie Öl oder Gas angewiesen und nutzen Kaltwassersätze für die Kühlung. Großwärmepumpen bieten die Möglichkeit, diese herkömmlichen Methoden zu ersetzen und dabei Kosten zu senken sowie die Umweltbelastung zu verringern.

Diese Wärmepumpen können im Winter heizen und im Sommer zu kühlen. Dadurch ergeben sich nicht nur geringere Investitionskosten, sowie  niedrigere Energiekosten. Die Investition in Großwärmepumpen amortisiert sich oft recht schnell, da sie ganzjährig niedertemperierte Wärme und Kälte liefern und durch ihren automatisierten Betrieb, “Smarte” Überwachung und geringen Wartungsaufwand eine effiziente Energieverwaltung ermöglichen.

Besonderheit: Großwärmepumpen im Kühlbetrieb können häufig mit niedrigeren Betriebskosten arbeiten, als herkömmliche Kältemaschinen.

Eignung dieser Quellen in Alt-und Neubauten

Die Eignung verschiedener Wärmepumpentypen hängt von diversen Faktoren ab. In Neubauten sind Wärmepumpen aufgrund der guten Dämmung und niedrigen Vorlauftemperaturen scheinbar “ideal” geeignet. Allerdings bestehen häufig negative Annahmen gegenüber dem Einsatz von Wärmepumpen in Altbauten. Als Altbau gilt ein Gebäude aus energetischer Sicht, das eine unzureichende Wärmedämmung aufweist und ein Heizungssystem mit hohen Vorlauftemperaturen wie Heizkörpern verwendet.

Die Effizienz einer Wärmepumpe hängt primär von der Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und der benötigten Vorlauftemperatur ab (delta). Die Art des Gebäudes, die Dämmung und die Warmwasserverteilung spielen dabei eine untergeordnete Rolle. Um die Effizienz zu maximieren, sollte die Planung darauf abzielen, dieses delta zu minimieren. Dies kann auch durch Anpassungen auf der Heizkreisseite, wie die Erhöhung des Volumenstroms und die Optimierung der Hydraulik, erreicht werden.

Zudem bedeutet eine niedrige JAZ  nicht zwangsläufig, dass der Betrieb einer Wärmepumpe in einem Altbau unwirtschaftlich ist. Denn selbst wenn die JAZ nicht so hoch ist wie in einem Neubau, könnte der Einsatz anderer Heizsysteme in einem Altbau ebenfalls kostenintensiv sein. Um die benötigte Wärmeenergie aufzubringen müssen auch mit konventionellen Heizmethoden erhöhte Ressourcen (z.Bsp. Holzscheite oder Gas) eingesetzt werden.

Wichtig: Bei der Planung von Wärmepumpen in Alt- und Neubauten ist daher eine genaue Analyse des Wärmebedarfs und der Nutzung entscheidend. Hier bietet sich eine Heizlastberechnung nach Norm sowie einen hydraulischen Abgleich nach dem Verfahren B an, um die Eignung verschiedener Wärmepumpenarten sicherzustellen.

Technische Aspekte: Die Technik hinter Wärmepumpen

Die Grundidee hinter einer Wärmepumpe ist verblüffend einfach und basiert auf dem Prinzip der Kühlschranktechnik. Wärmepumpen nutzen die gleiche Technik wie ein Kühlschrank, nur in umgekehrter Richtung. Während ein Kühlschrank Wärme aus dem Inneren nimmt und nach außen abführt, entzieht die Wärmepumpe der Umwelt Wärme aus der Luft, dem Erdboden oder dem Grundwasser, um sie für Heizzwecke zu nutzen.

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Grundprinzip Wärmepumpe

Der grundlegende Wärmepumpenprozess kann in vier Hauptphasen unterteilt werden:

1. Verdampfung: In einem Verdampfer, der Teil der Wärmepumpe ist, wird ein Kältemittel bei niedrigem Druck verdampft. Während dieses Verdampfungsprozesses nimmt das Kältemittel Wärme aus seiner Umgebung auf, sei es die Luft, die Erde oder das Grundwasser. Während sich die beiden Medien nicht vermischen, gibt die Wärmequelle ihre Energie ab. Diese Wärmeenergie erhöht die Temperatur des Kältemittels und verwandelt es in einen gasförmigen Zustand. Die Umgebungstemperatur des Verdampfers muss höher sein als die Siedetemperatur des Kältemittels bei niedrigem Druck, damit die Wärmeübertragung stattfinden kann.
2. Verdichtung: Der gasförmige Kältemitteldampf wird dann in den Verdichter (oft ein Scrollverdichter oder Hubkolbenverdichter) geleitet, der wie ein Kompressor wirkt. Hier wird der Druck und die Temperatur des Kältemittels erhöht. Dieser Schritt erfordert Energie, normalerweise in Form von Strom. Mit steigendem Druck steigt auch die Temperatur des Kältemittels. Der Energieverbrauch des Verdichters hängt von der gewünschten Heiztemperatur ab.
3. Verflüssigung: Das erhitzte Kältemittel wird in den Verflüssiger geleitet, wo es Wärme an das Heizungssystem im Gebäude abgibt. Hier strömt der heiße Kältemitteldampf an dem Heizungswasser vorbei, wodurch die Wärmeübertragung zwischen den beiden Medien erfolgt. Das Kältemittel gibt dabei Energie ab, kühlt sich ab und kondensiert zurück in seine flüssige Form, während das Heizungswasser die Wärme aufnimmt und sich erhitzt.
4. Expansion: Nachdem das Kältemittel Wärme abgegeben hat, wird es durch ein Expansionsventil oder Drosselorgan geleitet. Dieses Ventil senkt den Druck des Kältemittels abrupt ab, wodurch es erneut verdampfen kann. Dies ermöglicht es dem Kältemittel erneut Wärme aufzunehmen wenn es den Verdampfer erreicht und der Kreislauf beginnt von vorne.

Die Effizienz einer Wärmepumpe hängt stark von der Temperatur der Wärmequelle und der benötigten Heiztemperatur ab. Je größer die Temperaturdifferenz ist, desto mehr Energie wird für die Verdichtung benötigt, was die Gesamteffizienz beeinträchtigen kann.

Die meisten Wärmepumpen, die heute in Heiz- und Kühlsystemen eingesetzt werden, basieren auf der Technik der Kompressionswärmepumpe. Diese Systeme verwenden einen elektrisch betriebenen Kältemittelverdichter, der eine zentrale Rolle spielt. Die Verdampfung erfolgt in einem Verdampfer, in dem die Umweltwärme aus der Luft, der Sole (Erdreich) oder dem Grundwasser auf das flüssige Kältemittel übergeht. Der gasförmige Kältemitteldampf wird durch den Verdichter komprimiert, um seine Temperatur zu erhöhen, bevor er im Verflüssiger die Wärme an das Heizungssystem abgibt.

Damit eine Wärmepumpe effektiv arbeiten kann, sind verschiedene Komponenten erforderlich, darunter der Verdampfer, der Verdichter, der Verflüssiger und das Expansionsventil. Der gesamte Prozess wiederholt sich kontinuierlich, wodurch die Wärmepumpe effizient Wärmeenergie aus der Umgebung aufnimmt und sie für Heizzwecke nutzt. Die Effizienz hängt stark von der Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und dem Heizungssystem ab. Je näher diese Temperaturen beieinander liegen, desto effizienter ist die Wärmepumpe.

Wichtige Begriffe in Kürze

COP (Coefficient of Performance)

Der COP, oder Leistungszahl, ist ein entscheidendes Maß für die Effizienz einer Wärmepumpe. Er gibt an, wie viel Wärmeenergie die Wärmepumpe im Verhältnis zur zugeführten Energie erzeugt. Ein COP von 3 bedeutet beispielsweise, dass die Wärmepumpe drei Einheiten Wärmeenergie erzeugt, während sie eine Einheit elektrische Energie verbraucht. Je höher der COP, desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe.

Die durchschnittlichen COP-Werte für effiziente Wärmepumpen können je nach Typ, Modell und den spezifischen Betriebsbedingungen variieren. Hier sind einige grobe Durchschnittswerte, die als Referenz dienen können:

1. Luft-Wasser-Wärmepumpen: Effiziente Luft-Wasser-Wärmepumpen können in typischen Heizungsanwendungen COP-Werte zwischen 3 und 5 erreichen. Das bedeutet, dass sie für jede eingesetzte Kilowattstunde elektrische Energie 3 bis 5 Kilowattstunden Wärmeenergie erzeugen können. Werte unter 3 können auf eine inneffiziente Wärmepumpe hinweisen.
2. Erdwärmepumpen (Geothermische Wärmepumpen): Geothermische Wärmepumpen haben oft einen noch höheren COP-Wert und können Werte von 4 bis 6 oder sogar mehr erreichen. Dies liegt daran, dass sie auf eine stabilere und wärmere Wärmequelle zugreifen können.
3. Wasser-Wasser-Wärmepumpen: Wasser-Wasser-Wärmepumpen, die Wasser als Wärmequelle verwenden, können ebenfalls sehr hohe COP-Werte erzielen, oft im Bereich von 4 bis 6 oder höher.

Die Hersteller geben den COP-Wert für ihre Wärmepumpenmodelle an. Dieser Wert kann je nach Temperatur der Wärmequelle und Vorlauftemperatur der Heizung variieren. Die Angabe erfolgt in der Form Buchstabe + Temperatur / Buchstabe Temperatur, wobei der erste Wert die Temperatur der Wärmequelle darstellt und der zweite Wert die Vorlauftemperatur der Raumheizung zur Messzeit.

Die Abkürzungen A, B und W stehen für verschiedene Arten von Wärmequellen, nämlich Luft, Erde und Wasser (Grundwasser).

• A = Luft
• B = Erde
• W = Wasser (Grundwasser)

Beispiel: Angenommen, der COP-Wert einer Wärmepumpe beträgt 4,2 und die COP-Angabe lautet: A7 / W35. Das bedeutet, dass die Wärmequelle A = Luft ist und die Wärmepumpe bei einer Außentemperatur von 7°C und einer Vorlauftemperatur von 35°C eine Leistungszahl von 4,2 erreicht.

Zusätzlich zum COP ist die Jahresarbeitszahl (JAZ) eine wichtige Kenngröße für die Effizienz einer Wärmepumpe. Während der COP eine Momentaufnahme der Effizienz unter Laborbedingungen ist, misst die JAZ die Leistungsfähigkeit über einen längeren Zeitraum und berücksichtigt die realen Bedingungen am Installationsort. Die JAZ ist daher eine zuverlässigere Kenngröße zur Bewertung der Effizienz einer Wärmepumpe im Betrieb vor Ort.

CO2-Emission und GWP (Global Warming Potential)

Wärmepumpen gelten als umweltfreundliche Heiz- und Kühltechnologie, da sie weniger CO2-Emissionen verursachen als fossile Brennstoffe. Das Global Warming Potential (GWP) ist eine Kennzahl, die angibt, wie stark ein Treibhausgas zur globalen Erwärmung beiträgt. Sie wird oft in Bezug auf CO2 ausgedrückt. Zum Vergleich: Das Kältemittel R410A hat einen GWP-Wert von 2088, der von R290 hingegen liegt bei 3. Das bedeutet, dass 1kg R410A ein Äquivalent von 2088kg CO2-Emissionen und 1kg R290 von 3kg CO2-Emissionen hat. Im Vergleich zu herkömmlichen Heizsystemen haben Wärmepumpen in der Regel ein deutlich niedrigeres GWP.

Definition der BTU (British Thermal Unit)

Die BTU ist eine Einheit für Wärmeenergie und wird häufig in den USA verwendet. 1 BTU entspricht der Wärmemenge, die benötigt wird, um 1 Pfund Wasser um 1 Grad Fahrenheit zu erwärmen. In SI-Einheiten entspricht dies etwa 1055 Joule. Die BTU ist wichtig, um Wärmeleistungen zu messen und zu vergleichen, insbesondere wenn es um Heiz- oder Kühlkapazitäten von Wärmepumpen geht.

Heizstab

Ein Heizstab ist eine Backup-Heizquelle in einer Wärmepumpe. Wenn die Wärmepumpe alleine nicht ausreicht, um die gewünschte Raumtemperatur aufrechtzuerhalten, kann der Heizstab aktiviert werden. Dies geschieht normalerweise bei extremen Temperaturen oder wenn die Wärmepumpe gewartet wird. Die Leistung eines Heizstabs kann je nach Modell und Anforderungen unterschiedlich sein. Typischerweise liegt die Leistung eines Heizstabs zwischen 3 und 15 Kilowatt.

Leistungsmodulation

Die Leistungsmodulation ist eine Funktion, die es einer Wärmepumpe ermöglicht, ihre Leistung an den aktuellen Bedarf anzupassen. Dies erhöht die Effizienz und sorgt dafür, dass die Wärmepumpe nicht ständig ein- und ausschaltet. Moderne Wärmepumpen können ihre Leistung oft stufenlos zwischen beispielsweise 20% und 100% regeln. Diese Modulation ermöglicht es der Wärmepumpe, genau die benötigte Heiz- oder Kühlleistung bereitzustellen und dadurch den Energieverbrauch zu optimieren.

Verdichter

Der Verdichter ist das Herzstück einer Wärmepumpe. Er komprimiert das Kältemittel, erhöht seine Temperatur und treibt den gesamten Kreislauf an. Moderne Wärmepumpen verwenden oft Scroll- oder Inverter-Verdichter für eine bessere Effizienz und Leistungsregelung. Ein gängiger Wert für die Leistung eines Verdichters liegt zwischen 1 und 10 Kilowatt, abhängig von der Größe der Wärmepumpe.

Inverter

Ein Inverter ist eine elektronische Steuerung, die die Leistung des Verdichters stufenlos regeln kann. Dadurch kann die Wärmepumpe präzise auf den Bedarf reagieren und die Temperatur im Gebäude konstant halten. Die Leistungsregelung durch einen Inverter ermöglicht es, den Energieverbrauch der Wärmepumpe zu optimieren. Die Modulation kann beispielsweise von 20% bis 100% reichen.

Heizkurve

Die Heizkurve, auch als Heizkennlinie bezeichnet, regelt, wie die Vorlauftemperatur je nach Außentemperatur angepasst wird. Wenn die Außentemperatur im Winter sinkt, erhöht die Heizkurve entsprechend die Vorlauftemperatur. Eine präzise Einstellung der Heizkurve ist entscheidend für einen effizienten Betrieb der Wärmepumpe.

Normalerweise wird die Heizkurve bei der Installation der Wärmepumpe vom Installateur voreingestellt. In der Praxis muss diese Einstellung jedoch an die tatsächlichen Heiz- und Nutzungsbedingungen angepasst werden, um die Wärmeerzeugung der Wärmepumpe optimal zu steuern. Dies hängt stark von den individuellen Eigenschaften des Gebäudes und des Heizwärmeverteilsystems ab.

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Die Steilheit der Heizkurve zeigt an, um wie viele Grad sich die Vorlauftemperatur der Wärmepumpe ändern soll, wenn sich die Außentemperatur verändert. Während sich die Steilheit der Heizkurve durch die Kombination von Wärmedämmung und Heizverteilsystem ergibt, ermöglicht die Parallelverschiebung die individuelle Anpassung des gewünschten Komforts. Durch die Anpassung der Parallelverschiebung kann die Raumtemperatur nach Bedarf leicht erhöht oder gesesenkt werden.

Angenommen, die gewünschte Raumtemperatur beträgt zwischen 21 und 22 °C, dann muss diese Temperatur  sowohl an sehr kalten als auch milderen Tagen automatisch und ohne Verzögerung von der Wärmepumpe bereitgestellt werden. Eine Anpassung der Heizkurve wird erforderlich, wenn festgestellt wird, dass die Wärmepumpe an manchen Tagen zu wenig oder zu viel heizt. In solchen Fällen sollte die Heizkurve über die Wärmepumpenregelung schrittweise angepasst werden, um sicherzustellen, dass die Wärmebereitstellung genau den tatsächlichen Anforderungen entspricht. Es ist wichtig, dass eine einzelne Anpassung der Heizkurve nur 10 % von der vorherigen Einstellung abweichen sollte, um eine zu starke Veränderung zu vermeiden.

Wärmepumpenregelung

Die Wärmepumpenregelung steuert alle Funktionen der Wärmepumpe, einschließlich des Verdichters, der Leistungsmodulation und der Heizkurve. Eine präzise Regelung ist entscheidend für die Effizienz und den Komfort beim Heizen und Kühlen mit einer Wärmepumpe. Moderne Wärmepumpenregelungen nutzen fortschrittliche Algorithmen und Sensoren, um die Leistung der Wärmepumpe optimal an die aktuellen Bedingungen anzupassen und den Energieverbrauch zu minimieren.

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Betriebsweisen von Wärmepumpen: So arbeiten Wärmepumpen

Wärmepumpen sind wahre Multitalente, wenn es um das Heizen und Kühlen von Gebäuden geht. Doch wie genau werden die Geräte betrieben? In diesem Abschnitt werden wir die verschiedenen Betriebsweisen von Wärmepumpen genauer betrachten und verstehen, wie sie ihre Leistung effizient an die jeweiligen Anforderungen anpassen.

Monovalenter Betrieb

Der monovalenter Betrieb ist eine der grundlegenden Betriebsweisen von Wärmepumpen. Hierbei handelt es sich um einen Modus, in dem die Wärmepumpe alleine für die Bereitstellung von Heiz- oder Kühlenergie verantwortlich ist. Sie nutzt ausschließlich die Umweltwärme als Energiequelle, um die gewünschte Temperatur im Gebäude aufrechtzuerhalten.

Beispiel:

• Ein Einfamilienhaus wird ausschließlich mit einer Luft-Wasser-Wärmepumpe beheizt.

Der monovalente Betrieb ist besonders umweltfreundlich, da er ohne den Einsatz von fossilen Brennstoffen auskommt. Er ist jedoch in Regionen mit extrem niedrigen Temperaturen möglicherweise nicht ausreichend effizient, da die Umweltwärme bei sehr kaltem Wetter begrenzt ist.

Um den monovalenten Betrieb zu ermöglichen, sind einige Voraussetzungen zu erfüllen. Zunächst einmal muss der Wärmeerzeuger in der Lage sein, die gesamte Heizlast des Gebäudes sowie die Trinkwassererwärmung ohne die Unterstützung eines zusätzlichen Wärmeerzeugers abzudecken. Dies setzt voraus, dass eine konstante Wärmequelle mit stabilen Temperaturen zur Verfügung steht.

Der monovalente Betrieb einer Wärmepumpe wird oft mithilfe von Erdwärme oder Grundwasser realisiert. Dafür werden spezielle Wärmetauscher wie Erdkollektoren oder Erdsonden verwendet. Außerdem benötigt ein monovales System ein Heizsystem, das mit Flächenheizungen wie Fußboden- oder Wandheizungen sowie Ventilatorkonvektoren arbeiten kann und niedrige Vorlauftemperaturen von etwa 40 Grad unterstützt.

Die Nutzung von Außenluft als alleinige Wärmequelle im monovalen Betrieb ist oft aus wirtschaftlichen Gründen nicht empfehlenswert. Das liegt daran, dass die Außenluft aufgrund ihrer Temperaturschwankungen und begrenzten Verfügbarkeit Einschränkungen hat, insbesondere bei sehr kaltem Wetter. In solchen Situationen ist es besser, eine andere Betriebsart wie den monoenergetischen oder bivalenten Betrieb in Erwägung zu ziehen.

In der Praxis werden oft kleinere Sole/Wasser-Wärmepumpen und Wasser/Wasser-Wärmepumpen im monovalen Betrieb eingesetzt. Diese Systeme bieten das ganze Jahr über konstante und ausreichend hohe Quellentemperaturen, sodass die Wärmepumpe allein den Wärmebedarf des Gebäudes decken kann. Es ist jedoch auch möglich, die Leistung der Wärmepumpe in Kombination mit anderen Wärmeerzeugern zu nutzen, je nach den spezifischen Anforderungen des Gebäudes und seiner Umgebung.

Monoenergetischer Betrieb

Der monoenergetische Betrieb ist eine weitere wichtige Betriebsweise von Wärmepumpen. In diesem Modus wird die Wärmepumpe zusammen mit verschiedenen Heizwärmeerzeugern verwendet, die jedoch alle die gleiche Betriebsenergiequelle nutzen (z.B. Strom). Dieser Betriebsmodus wird oft in Kombination mit einem Heizstab verwendet, um die Effizienz und die Temperaturregelung zu optimieren.

Beispiel:

• Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe beheizt und kühlt ein Wohngebäude das ganze Jahr über. Bei “Kältespitzen” kann ein Heizstab aktiviert werden, um die gewünschte Temperatur aufrechtzuerhalten.

Der monoenergetische Betrieb wird häufig bei kleinen Luft-Wärmepumpen in Einfamilienhäusern verwendet, die einen Elektroheizstab als Backup haben. Wenn die Außentemperatur im Winter stark abfällt und die Wärmepumpe allein nicht ausreicht, um genügend Wärme zu erzeugen, springt der Heizstab ein. Dies geschieht selten, etwa an etwa 5 % der Heiztage, und beeinflusst die Effizienz der Wärmepumpe kaum. Während Luftwärmepumpen oft auf den Einsatz eines Heizstabs angewiesen sind, kann bei Erdwärmepumpen in der Regel darauf verzichtet werden. Die Wärmepumpenregelung ermöglicht es, den Heizstab je nach Bedarf zu aktivieren oder zu deaktivieren.

Extra: Rolle des Elektroheizstabs

Der Elektroheizstab, der im Pufferspeicher oder im Heizungsvorlauf integriert ist, hat normalerweise eine Leistung von wenigen Kilowatt (kW), typischerweise zwischen 2,5 und 10 kW. Er kann in verschiedenen Situationen nützlich sein, wie z.B. bei sehr niedrigen Außentemperaturen, zur Unterstützung der Gebäudetrocknung im Neubau, zur thermischen Desinfektion des Brauchwassers oder als Sicherheitsmaßnahme bei stark schwankenden Außentemperaturen. In einigen Fällen kann der Heizstab auch helfen, die Anschaffungskosten zu senken oder das häufige Ein- und Ausschalten der Wärmepumpe in der Übergangszeit zu vermeiden.

Bivalenter Betrieb

Im bivalenten Betrieb von Wärmepumpen wird zusätzlich zur Wärmepumpe ein weiterer Wärmeerzeuger verwendet, der einspringt, wenn es draußen sehr kalt ist und die Wärmepumpe allein nicht genug Wärme erzeugen kann. Dieser zusätzliche Wärmeerzeuger kann verschiedene Formen haben, wie zum Beispiel Gas-, Holz- oder Ölkessel. Wenn die Wärmeerzeugung nicht durch Strom erfolgt, spricht man von einem bivalenten Wärmepumpenbetrieb. Dieser Ansatz findet oft in älteren Gebäuden Anwendung, in denen höhere Vorlauftemperaturen erforderlich sind, oder in größeren Anlagen, in denen die ausschließliche Nutzung der Wärmepumpe wirtschaftlich nicht sinnvoll wäre.

Beispiel:

• Ein Wohngebäude verwendet eine Luft-Wasser-Wärmepumpe in Verbindung mit einem Gasbrennwertkessel. Die Wärmepumpe übernimmt die Heizung an milden Tagen, während der Gasbrennwertkessel bei extremen Temperaturen einspringt.

Im bivalenten Betrieb übernimmt der zusätzliche Wärmeerzeuger die Heizung ab einem bestimmten Punkt, dem sogenannten Bivalenzpunkt oder Dimensionierungspunkt. Dieser Ansatz wird häufig bei der Modernisierung von bestehenden Gebäuden eingesetzt, insbesondere wenn höhere Systemtemperaturen benötigt werden. Der bivalente Betrieb kommt normalerweise nur in Luft-Wärmepumpenanlagen und in Anlagen zur Trinkwassererwärmung in Mehrfamilienhäusern zum Einsatz.

Um die Betriebskosten niedrig zu halten und die Effizienz zu maximieren, ist es wichtig, dass die Wärmepumpe einen möglichst großen Teil des Wärmebedarfs des Gebäudes abdeckt. Da die Anzahl der Tage mit Außentemperaturen unter -5 °C normalerweise sehr begrenzt ist, wird der Bivalenzpunkt oft um diese Temperatur festgelegt oder ermittelt. In solchen Fällen macht die Zusatzheizung nur einen kleinen Prozentsatz der gesamten benötigten Wärme aus, beispielsweise etwa 1 % bei -10 °C Außentemperatur und etwa 4 % bei -16 °C Außentemperatur.

Bivalenzpunkt und dessen Bedeutung:

Der Bivalenzpunkt ist die Temperatur, bei der die Wärmepumpe und die alternative Heizquelle die gleiche Heizleistung erbringen können. Die Festlegung des Bivalenzpunkts oder Dimensionierungspunkts bei der Auslegung einer Luft-Wärmepumpe ist entscheidend, da die Leistung der Wärmepumpe mit abnehmenden Außentemperaturen sinkt und die Heizlast des Gebäudes steigt. Die genaue Position dieses Punkts hängt von der spezifischen Heizlast des Gebäudes ab und liegt typischerweise im Temperaturbereich zwischen -4 °C und -8 °C. Unterhalb dieser Temperatur kann die Wärmepumpe nicht mehr effizient arbeiten, daher wird sie normalerweise in Verbindung mit anderen Heizmethoden, wie Gas, Holz, Solarthermie oder Geothermie betrieben.

Unterschiedliche Bivalenzarten: paralleler, alternativer und teilparalleler Betrieb:

• Paralleler Betrieb: Im bivalent-parallelen Betrieb trägt die Wärmepumpe den Wärmebedarf ebenfalls allein bis zum Bivalenzpunkt. Bei Unterschreiten dieses Punktes unterstützt der zweite Wärmeerzeuger den Heizbetrieb der Wärmepumpe. Bei niedrigen Temperaturen hat der zweite Wärmeerzeuger einen höheren Anteil an der Wärmeerzeugung als die Wärmepumpe. Beide Wärmeerzeuger decken jedoch den Wärmebedarf, wenn die Normaußentemperatur erreicht ist.
• Im parallelen Betrieb arbeiten die Wärmepumpe und die alternative Heizquelle gleichzeitig, um die benötigte Heizleistung bereitzustellen.
• Dies ist besonders effizient, wenn die alternative Heizquelle über eine niedrige Vorlauftemperatur verfügt, was bedeutet, dass sie effizient bei niedrigen Temperaturen arbeiten kann.
• Alternativer Betrieb: Bei der bivalent-alternativen Betriebsweise trägt die Wärmepumpe den Wärmebedarf allein bis zum Erreichen des Bivalenzpunkts. Unterhalb dieses Punktes übernimmt der zweite Wärmeerzeuger den alleinigen Heizbetrieb, und die Wärmepumpe schaltet sich ab.
• Im alternativen Betrieb wird die Wärmepumpe nur dann eingeschaltet, wenn die alternative Heizquelle nicht ausreicht, um die gewünschte Raumtemperatur zu erreichen.
• Dies minimiert den Energieverbrauch der Wärmepumpe, da sie nur bei Bedarf arbeitet.
• Teilparalleler Betrieb: Der bivalent-teilparallele Betrieb kombiniert Elemente des bivalent-parallelen und bivalent-alternativen Betriebs. Die Wärmepumpe arbeitet allein bis zum Bivalenzpunkt und wird dann vom zweiten Wärmeerzeuger unterstützt. Bei Erreichen einer weiteren festgelegten Temperatur, schaltet sich die Wärmepumpe ab, und der gesamte Wärmebedarf wird allein vom zweiten Wärmeerzeuger gedeckt. Die Planung muss berücksichtigen, wann die Wärmepumpe abgeschaltet wird und der zweite Wärmeerzeuger die alleinige Wärmeerzeugung übernimmt.
• Im teilparallelen Betrieb arbeiten die Wärmepumpe und die alternative Heizquelle zunächst parallel und dann allein.
• Die Wärmepumpe kann beispielsweise einen Teil der benötigten Heizleistung erbringen, während die alternative Heizquelle den Rest abdeckt.

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Weitere Betriebsarten und Technologien

Neben den oben genannten Betriebsweisen gibt es noch weitere Technologien und Betriebsarten, die die Effizienz und Flexibilität von Wärmepumpen erhöhen.

• Wärmepumpenbetrieb in Kaskade: Die Methode des Wärmepumpenbetriebs in Kaskade beinhaltet das Schalten mehrerer Wärmepumpen in Serie, um die Gesamteffizienz zu erhöhen. Jede Wärmepumpe in der Kaskade hat die Aufgabe, die Temperatur des Kältemittels weiter zu erhöhen, bevor es zur nächsten Einheit weitergeleitet wird. Dieser Ansatz erweist sich insbesondere in größeren Gebäuden als vorteilhaft, in denen unterschiedliche Heiz- und Kühlleistungen effizient und kostengünstig abgedeckt werden müssen. Ein weiterer Pluspunkt dieser Methode ist die erhöhte Versorgungssicherheit, da bei einem Ausfall einer Einheit die anderen weiterhin reibungslos arbeiten können.
• Modulierender Betrieb mit Invertern: Invertergesteuerte Wärmepumpen können, ihre Leistung stufenlos zu regeln, um den aktuellen Bedarf präzise zu decken. Dies führt zu einer Minimierung des Energieverbrauchs und einer Erhöhung der Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe. Der Inverter ist das Herzstück dieser Variante und reguliert die Leistung, indem er die Drehzahl des Kompressors der Wärmepumpe anpasst. Dies verhindert unnötiges Ein- und Ausschalten der Wärmepumpe und verringert die Belastung ihrer Bauteile.
• Hybrider Betrieb von Wärmepumpen: Hybridsysteme kombinieren Wärmepumpen mit anderen Heiztechnologien wie Solarthermie oder Gasbrennwertkesseln, um die Gesamteffizienz zu maximieren. Diese Systeme setzen sich aus verschiedenen Heizungsarten zusammen, wobei die gängigste Kombination aus Gasheizungen und Luft-Wärmepumpen besteht. Je nach gewählter Betriebsweise regelt die Steuerung, wann die Wärmepumpe und wann die Gasheizung eingeschaltet wird. Das kann beispielsweise nach definierten Zielen wie dem Erreichen einer bestimmten Leistungszahl (COP) oder der Reduzierung von CO2-Emissionen sein. Hybride Wärmepumpen sind besonders nützlich in älteren Gebäuden, in denen hohe Vorlauftemperaturen im Winter den alleinigen Einsatz der Wärmepumpe unwirtschaftlich machen, während sie in wärmeren Monaten die Vorteile der Wärmepumpe voll ausschöpfen können.

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Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpen

Bei der Entscheidung für eine Wärmepumpe spielt die Wirtschaftlichkeit eine entscheidende Rolle. Die Effizienz und die damit verbundenen Einsparungen hängen stark von der Betriebsweise und den individuellen Gegebenheiten ab.

Einfluss der Betriebsweise auf die Wirtschaftlichkeit

Die Wirtschaftlichkeit einer Wärmepumpe wird maßgeblich von ihrer Betriebsweise beeinflusst. Wie bereits erwähnt, gibt es verschiedene Betriebsarten von Wärmepumpen, darunter der monovalente, monoenergetische und bivalente Betrieb. Jede dieser Betriebsarten hat ihre eigenen Vor- und Nachteile in Bezug auf die Wirtschaftlichkeit.

• Monovalenter Betrieb: Dieser Betriebsmodus, bei dem die Wärmepumpe allein ohne Zusatzheizung arbeitet, ist in der Regel die wirtschaftlichste Option, wenn die Umgebungsbedingungen es zulassen. Je niedriger die benötigte Vorlauftemperatur ist und je konstanter die Außentemperaturen sind, desto effizienter ist dieser Betriebsmodus. In Regionen mit milden Wintern kann der monovale Betrieb die besten wirtschaftlichen Ergebnisse liefern.
• Monoenergetischer Betrieb: Im monoenergetischen Betrieb wird die Wärmepumpe mit verschiedenen Heizwärmeerzeugern verwendet, die jedoch alle die gleiche Betriebsenergiequelle nutzen.  Bei kleinen Luft-Wärmepumpen in Einfamilienhäusern wird häufig ein Heizstab als Backup verwendet, der selten zum Einsatz kommt und die Jahresarbeitszahl kaum negativ beeinflusst. Der Einsatz eines Elektroheizstabs stellt sicher, dass die Wärmepumpe die gewünschte Temperatur auch bei extremen Bedingungen erreichen kann.
• Bivalenter Betrieb: Der bivalente Betrieb ermöglicht die Nutzung mehrerer Energiequellen und ist besonders in Regionen mit kalten Wintern relevant. Hier kann die Wärmepumpe bis zu einem bestimmten Punkt effizient arbeiten und wird dann von einer alternativen Heizquelle, wie einem Gasbrennwertkessel, unterstützt. Die Position des Bivalenzpunkts, an dem die Wärmepumpe und die alternative Heizquelle die gleiche Leistung erbringen, ist entscheidend. Bei niedrigeren Vorlauftemperaturen und höheren Heizlasten wird der bivalente Betrieb wirtschaftlich sinnvoller.

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Kosten-Nutzen-Verhältnis und mögliche Einsparungen

Die Kosten-Nutzen-Analyse ist ein wichtiger Schritt bei der Bewertung der Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpen. Hierbei werden die Investitionskosten für die Anschaffung und Installation der Wärmepumpe den erwarteten Einsparungen gegenübergestellt. Dabei sollten folgende Faktoren berücksichtigt werden:

Investitionskosten: Die Investitionskosten für Wärmepumpen variieren je nach Typ und Größe der Anlage sowie den individuellen Gegebenheiten des Standorts. Im Vergleich zu herkömmlichen Heizsystemen wie Gas-Brennwertheizungen können die Anschaffungskosten für Wärmepumpen höher sein. Bei Luftwärmepumpen starten die Kosten bei etwa 5.000 Euro, während Erdwärmeheizungen aufgrund zusätzlicher Bohrmeter oder eines größeren Flächenkollektors bis zu 20.000 Euro mehr kosten können.

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Die höheren Investitionskosten für Wärmepumpen sind teilweise auf die Notwendigkeit von Umbauten am Heizsystem zurückzuführen, insbesondere in Altbauten. In einigen Fällen kann auch der Einbau eines Elektroheizstabes erforderlich sein, wenn die Wärmepumpe im monoenergetischen Betrieb arbeitet. Trotz dieser anfänglichen Kosten müssen die langfristigen Vorteile und Einsparungen berücksichtigt werden.

Betriebskosten: Die Betriebskosten einer Wärmepumpe setzen sich aus den Energiekosten für den Betrieb der Wärmepumpe und gegebenenfalls für die alternative Heizquelle im bivalenten Betrieb zusammen. Wärmepumpen sind bekannt für ihre hohe Energieeffizienz, da sie Wärme aus der Umgebungsluft, dem Wasser oder dem Erdreich nutzen. Dadurch können erhebliche Einsparungen bei den Energiekosten erzielt werden.

Die Jahresarbeitszahl (JAZ) ist ein wichtiger Kennwert, der die Effizienz der Wärmepumpe angibt. Je höher die JAZ, desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe. Moderne Wärmepumpen können JAZ-Werte von 4 oder mehr erreichen, was bedeutet, dass sie viermal mehr Wärme produzieren, als sie an Energie verbrauchen.

In Altbauten, in denen häufig höhere Vorlauftemperaturen für die Beheizung erforderlich sind, kann die JAZ etwas niedriger sein, bleibt jedoch immer noch auf einem effizienten Niveau. Die Betriebskosten für eine Wärmepumpe sind daher in der Regel niedriger als die für herkömmliche Heizsysteme wie Gas- oder Ölheizungen.

Wartungskosten: Die regelmäßige Wartung einer Wärmepumpe ist entscheidend, um ihre Effizienz und Lebensdauer zu gewährleisten. Die Wartungskosten variieren je nach Hersteller und Modell, liegen jedoch normalerweise im Bereich von 100 bis 200 Euro pro Jahr. Die regelmäßige Überprüfung und Wartung der Wärmepumpe durch einen Fachmann stellt sicher, dass sie optimal funktioniert und keine teuren Reparaturen erforderlich sind.

Fördermittel und finanzielle Anreize: Die Bundesregierung erkennt die maßgebliche Bedeutung erneuerbarer Energien und Energieeffizienz im Kampf gegen den Klimawandel an und hat dementsprechend eine Palette von Förderprogrammen entwickelt, um den Wandel im Gebäudesektor zu fördern. Ziel ist es, den Umstieg auf Heizungssysteme, die zu 65 Prozent auf erneuerbaren Energien basieren, durch finanzielle Zuschüsse und günstige Darlehen zu unterstützen. Ab 2024 fördert die Bundesregierung die Installation umweltfreundlicher Heizungen mit einer Grundförderung von 30 Prozent der Gesamtkosten. Diese Maßnahme zielt darauf ab, den Klimaschutz zu verstärken und die Betriebskosten im Vergleich zu fossil betriebenen Heizsystemen stabil zu halten.

Für Haushalte mit einem jährlichen zu versteuernden Gesamteinkommen von bis zu 40.000 Euro gibt es einen einkommensabhängigen Bonus von 30 Prozent, um besonders einkommensschwachen Haushalten einen zusätzlichen Anreiz zu bieten. Bis zum Jahr 2028 erhalten Personen, die ihre veralteten fossilen Heizsysteme (z. B. Öl, Kohle, Nachtspeicher oder Gas) durch erneuerbare Energiequellen ersetzen, einen Geschwindigkeitsbonus von 20 Prozent. Alle diese Boni können miteinander kombiniert werden, dürfen jedoch insgesamt 70 Prozent der Gesamtkosten nicht überschreiten. Dies stellt eine erhebliche finanzielle Unterstützung dar und macht Investitionen in erneuerbare Energien äußerst attraktiv.

Die langfristigen Einsparungen, die durch niedrigere Betriebskosten und staatliche Fördermittel erzielt werden, können die anfänglichen Investitionskosten für eine Wärmepumpe oft ausgleichen und in vielen Fällen übersteigen. Daher ist es entscheidend, die Gesamtkosten über die Lebensdauer der Anlage zu berücksichtigen und nicht nur die anfänglichen Ausgaben.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass Wärmepumpen eine effiziente Möglichkeit bieten, Wärmeenergie aus erneuerbaren Quellen zu gewinnen und in Gebäuden für Heizung und Warmwasserbereitung zu nutzen. Von Luft-Wasser-Wärmepumpen über Erdwärmepumpen bis hin zu Hybrid-Wärmepumpen stehen verschiedene Optionen zur Verfügung, die sich für unterschiedliche Anforderungen und Gegebenheiten eignen. Die Auswahl der optimalen Wärmepumpe hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter die Gebäudegröße, regionale Klimabedingungen und individuelle Bedürfnisse.

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