Wärmepumpen

Der Energiebedarf eines Haushalts wird größtenteils vom Wärmebedarf bestimmt. Die Warmwasserbereitung stellt nach der Raumheizung den zweitgrößten Posten in der Energierechnung dar. Sehr häufig wird für die Erzeugung von Warmwasser Strom benutzt, der teuer beim Energieversorgungsunternehmen eingekauft werden muss. Wird das Warmwasser mit Hilfe einer Brauchwasser-Wärmepumpe erzeugt, lassen sich die Stromkosten durch den Einsatz einer Solaranlage deutlich senken. Der Strombedarf der Wärmepumpe wird größtenteils durch Solarstrom gedeckt - umweltschonend und kostengünstig. Selbstverständlich kann die Wärmepumpe auch zur Raumheizung und 
-kühlung beitragen und so den Verbrauch an fossilen Energieträgern reduzieren. Zudem vermindert der Beitrag der Wärmepumpe den Ausstoß von CO₂.

Eine Wärmepumpe „pumpt“ unter Einsatz von elektrischem Strom Umgebungswärme ins Haus. Dort kann die Wärme aus der nahezu unerschöpflichen Quelle für die Raumheizung verwendet werden oder, um Warmwasser zu erzeugen. Das funktioniert, auch wenn die Umgebungstemperatur deutlich niedriger als die Raumtemperatur oder die des Wassers ist. Auf den ersten Blick scheint das unmöglich, schließlich fließt Wärme ja immer von der höheren zur niederen Temperatur. Um die Wärme in die Gegenrichtung „zu bewegen“, muss die Wärmepumpe deshalb mechanische Arbeit einsetzen. Diese wird zur Kompression eines Gases verwendet, das als Wärmeträger dient. 

Zwei unabhängige Kreisläufe

Doch wie funktioniert das genau? Die Wärmepumpe besteht aus zwei unabhängigen Kreisläufen, die über Wärmeaustauscher verbunden sind. Der eine Kreislauf befindet sich auf der Seite der Wärmegewinnung, z.B. aus der Außenluft oder aus dem Boden. Hier zirkuliert eine Flüssigkeit (meist mit einem Forstschutzmittel versetztes Wasser), die der Umgebung Wärme entzieht. Ausnahmen sind Luft-Wärmepumpen (s. unten), bei denen die Wärme der Außenluft entzogen wird. Die angesaugte Luft erhitzt dann direkt das Kältemittel.  

Im zweiten Kreislauf zirkuliert ein sogenanntes Kältemittel – eine Substanz, die leicht vom flüssigen in den gasförmigen Zustand und zurück überführt werden kann. Ihr Siedepunkt liegt unterhalb der Temperatur der Wärmequelle (Außenluft/Sole).  

Wärmetauscher

Im Wärmetauscher wird die aus der Umgebung gewonnene Wärme auf das flüssige Kältemittel übertragen – hier fließt die sie wie gewohnt von der höheren zur niederen Temperatur. Durch die Energiezufuhr verdampft das Kältemittel. Der Dampf wird dann in einem Kompressor verdichtet (Zufuhr mechanischer Arbeit), wodurch sich seine Temperatur weiter erhöht. Der heiße Kältemitteldampf strömt durch einen weiteren Wärmetauscher, in dem sich das Kältemittel wieder verflüssigt und seine Wärme an ein Heizmedium abgibt. Anschließend wird das Kältemittel über eine Drossel entspannt, d.h. sein Druck wird gesenkt, und das nun flüssige Kältemittel wieder zum Verdampfer zurückgeführt.  

Heizmedium

Als Heizmedium dient meist Wasser, das durch die Heizung zirkuliert und den Raum erwärmt oder als Warmwasser zur Verfügung steht. Um die erzeugte Wärme dauerhaft und effektiv nutzen zu können, wird das erhitzte Wasser in einem Heizungspuffer, einem Warmwasserspeicher (auch als Trinkwasserspeicher bezeichnet) oder in einer Kombination aus beiden (Kombispeicher) „zwischengelagert“. Die Speicherbehälter sind gedämmt und sorgen so dafür, dass die Wärme auch dann verfügbar ist, wenn die Wärmepumpe gerade einmal nicht läuft. 

Kühlschrank-Prinzip

Die Wärmepumpe funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie der Kühlschrank, nur dass die Nutzung des Wärmetransports an verschiedenen Punkten des Prozesses erfolgt. Während man bei der Wärmepumpe die Wärme von außen nach innen transportiert (also den Kältemittelkreislauf nutzt, Senkenseite), transportiert man sie beim Kühlschrank von innen nach außen (Nutzung der Wärmequell-Seite).  

Während eine Elektroheizung elektrischen Strom direkt in Wärme umsetzt, entzieht die Wärmepumpe der Umgebung Wärme mit Hilfe des Stroms. Die nutzbare Wärmeenergie ist dabei drei bis fünfmal so groß wie die eingesetzte elektrische Energie. Die Wärmepumpe „gewinnt Energie“ durch einen Wärmetransport und nicht durch Energieumwandlung.    

Kennzahlen der Wärmepumpe 

Die Leistungszahl einer Wärmepumpe (COP-Zahl, „Coefficient of Performance“) gibt das Verhältnis von abgegebener Wärmeleistung zu aufgenommener Antriebsleistung zu einem bestimmten Zeitpunkt wieder, entspricht somit einem Wirkungsgrad. Allerdings ist die Kennzahl nicht sehr aussagekräftig.  

Die Jahresarbeitszahl entspricht den aufsummierten und gemittelten Leistungszahlen für den Wärmepumpenbetrieb eines ganzen Jahres. Anhand dieser Kennzahl lässt sich also viel besser abschätzen, wie effektiv eine Wärmepumpe unter verschiedenen Bedingungen arbeitet.  

Der Primärenergiefaktor ist eine Kenngröße für die ökologische Effektivität der Wärmepumpe. Er beschreibt das Verhältnis zwischen eingesetzter Primärenergie (enthält vorgelagerte Prozesse wie die Stromerzeugung) und nutzbarer Wärmeenergie.  

Wärmepumpen können danach unterschieden werden, welche Medien sie auf der Quell- und auf der Senken-Seite verwenden. So spricht man von:  

• Wasser/Wasser-Wärmepumpen (WWWP) 
  Die Wärme wird aus dem Grundwasser, aus Oberflächen- oder Abwässern entzogen (Quellseite). 
• Sole/Wasser-Wärmepumpen (SWWP) 
  Quellseitig werden Erdwärmesonden oder Erdwärmekollektoren eingesetzt (Geothermie) aber auch Sonnenkollektoren oder Massivabsorber. Wärmeträger ist eine Mischung aus Wasser und Frostschutzmittel, die Sole. 
• Luft/Wasser-Wärmepumpen (LWWP) 
  Die Wärme wird der Abluft oder der Außenluft entzogen, seltener kommen auch Erdwärmetauscher oder Fassadenkollektoren zum Einsatz.  
• Luft/Luft-Wärmepumpen (LLWP) 
  Die angesaugte Außenluft wird zum Erwärmen und Kühlen der Zuluft von Lüftungsanlagen genutzt. Meist nur in großen Gebäuden im Einsatz. 

Typische Jahresarbeitszahlen für Wärmepumpen liegen zwischen 3 und 5. Weit verbreitet als Heizungswärmepumpen sind Luft-Wasser-Wärmepumpen (Platz 1 Marktanteil > 80%), diese haben zwar etwas niedrigere Jahresarbeitszahlen, als Sole/Wasser-Wärmepumpen (Platz 2 Marktanteil < 20%), sind aber deutlich günstiger in der Anschaffung und einfacher zu installieren. 

Auf der Senken-Seite wird, wie bereits erwähnt, danach unterschieden, wofür die Wärme verwendet wird. Hier spricht man von einer Brauchwasser-Wärmepumpe, einer Heizungs-Wärmepumpe (diese übernimmt in der Regel dann auch die Warmwasserbereitung). In der Praxis ist es sinnvoll, immer beide Systeme – Raumheizung und Warmwasserbereitung – miteinander zu kombinieren, denn so lässt sich der Eigenverbrauch an Solarstrom optimal gestalten. Warmwasser wird schließlich das ganze Jahr über benötigt, auch wenn nicht geheizt werden muss. 

Wärmepumpen werden effizient mit elektrischem Strom angetrieben. Der Primärenergiefaktor, das heißt das Verhältnis zwischen eingesetzter Primärenergie und nutzbarer Wärmeenergie, liegt bei einer Wärmepumpe stets weit unter dem Primärenergiefaktor einer Gas- oder Elektroheizung. Allerdings ist er beim Einsatz des Energiemixes aus dem Netz deutlich höher als beim Einsatz von Solarenergie. Mit anderen Worten: Der Betrieb der Wärmepumpe mit Solarstrom ist ökologisch besonders sinnvoll.  

Die Kombination von PV-Anlage und Wärmepumpe überzeugt nicht nur ökologisch sondern auch ökonomisch. Während die Gestehungskosten für Solarstrom bei ca. 10 Cent pro kWh liegen, kostet der Strom aus dem Netz um die 33 Cent / kWh. Neben ihren Standardtarifen haben viele Netzbetreiber auch Wärmepumpentarife im Angebot. Die liegen zwischen 25 und 30 Cent pro kWh und somit auch noch deutlich über den Kosten für den Strom aus der eigenen PV-Anlage. Mit einem Wärmepumpentarif liegt man mit einer Wärmepumpe ungefähr bzw. leicht unter den Kosten einer fossilen Heizung. In Kombination mit solar erzeugtem Strom ist die Wärmepumpe aber das günstigste Heizsystem.

Für Besitzer einer PV-Anlage macht es sich doppelt bezahlt, möglichst viel vom eigenen Solarstrom für die Wärmepumpe einzusetzen. Das erhöht nicht nur den Eigenverbrauch, sondern spart bares Geld und reduziert die CO₂-Emissionen.  

Mit einer PV-Anlage kann in einem Jahr so viel Strom solar erzeugt werden, wie von der Wärmepumpe benötigt wird. Fassadenanlagen oder Anlagen mit einem steilen Neigungswinkel bieten den Vorteil, dass sie gerade in der Übergangszeit, wenn der meiste Strom zur Wärmeerzeugung benötigt wird, höhere Erträge liefern als ideale Anlagen mit Südausrichtung und einem Neigungswinkel von 30 °bis 35 °. 

Da die maximale Stromausbeute bei Solaranlagen jedoch in die Sommermonate fällt, während der Strombedarf der Wärmepumpe in der Heizperiode am höchsten ist, ist eine vollständige Autarkie nur selten möglich. Bezogen auf die Jahresbilanz ist es jedoch möglich, das Gerät vollkommen CO₂-neutral zu betreiben. Im Zusammenhang mit einer KfW-Förderung beim Haus-Neubau ist diese mögliche CO₂-Neutralität relevant. 

Um der Wärmepumpe möglichst oft überschüssigen Solarstrom zur Verfügung stellen zu können, empfiehlt sich die Steuerung der Wärmepumpe über ein intelligentes Energiemanagement wie unseren SOLARWATT Manager. So lassen sich Eigenverbrauch und Autarkiegrad deutlich erhöhen und damit auch die Unabhängigkeit vom Energieversorger.  

Eine weitere Steigerung des Autarkiegrads der Wärmepumpe kann durch die Einbindung eines Stromspeichers in das System erreicht werden. Der Speicher ermöglicht die Versorgung des Haushalts und einzelner Komponenten wie einer Wärmepumpe oder einer Ladestation für Elektrofahrzeuge mit Solarstrom, auch wenn keine Sonne scheint.  

Der Strombedarf der Wärmepumpe ist von vielen Faktoren abhängig und liegt oft zwischen 3.000 kWh (Neubau oder gut saniert) und 10.000 kWh (große Bestandsgebäude). Für die korrekte Auslegung sollte geprüft werden, was mit der Wärmepumpe erreicht werden soll. 

Eine gute und ökonomisch sinnvolle Möglichkeit besteht darin, die Größe der Wärmepumpe auf die Deckung von Warmwasser- und Heizungsbedarf in der Übergangszeit, also z.B. von April bis Oktober, auszulegen.  
Über den gesamten März produziert eine PV-Anlage ca. 5 % ihrer Jahresmenge an Solarstrom, auf den März entfallen aber ca. 6 % des gesamten Wärmebedarfs eines Einfamilienhauses (die Werte weichen von Region zu Region etwas ab). Damit kommt man zur Formel: 

Beispiel

Wärmepumpe, Bedarf an elektrischer Leistung: 6.000 kWh im Jahr 

Bedarf Haushaltsstrom: 4000 kWh im Jahr 

PV-Anlage - mit 1 kWp Anlagenleistung lassen sich ca. 1.000 kWh pro Jahr erzeugen. 

Empfohlene Leistung PV-Anlage zum Betrieb der Wärmepumpe 
= 6.000 kWh *1,2 / 1000 kWh/kWp = 7,2 kWp 

Empfohlene Leistung PV-Anlage zur Versorgung mit Haushaltstrom 
= 4.000 kWh *1 / 1000 Wh/kWp = 4 kWp 

Empfohlene Gesamtleistung 
= 7,2 kWp + 4 kWp = 11,2 kWp 

Speicher-Auslegung: 

Speichergröße 
= (6.000 kWh + 4.000 kWh) / 1 kWh/1000 kWh 
= 10 kWh 

Hier ist es sinnvoll, das nächstgrößere Angebot zu wählen, z.B. eine Battery flex mit 12 kWh. 

Geschätzte Autarkie 45 – 50 %

Selbstverbrauchter Strom 
=5.000 kWh 

Ersparnis beim Netzbezug (bei 33 ct/kWh) 
= 1650 €/a 

Hinzu kommen die Einspeisevergütung für 6.200 kWh oder Fahrstrom für bis zu 31.000 km (bei 20 kWh/100km Stromverbrauch).  

Neben der Wärmepumpe selbst muss auch der Wärmespeicher sinnvoll dimensioniert werden. Hier gilt, dass der Speicher genügend Wärme vorhalten muss, damit die Wärmepumpe anlaufen kann. Wie viel Liter Speichervolumen das konkret sind, hängt davon ab, ob zum Beispiel eine Fußbodenheizung betrieben wird oder Wandheizkörper zum Einsatz kommen. Betrachtet man allein die Warmwasserbereitung, haben sich 300l Brauchwasserspeichervolumen als sehr gute Größe erwiesen. Dieses Volumen genügt vollkommen, um eine 4-köpfige Familie mit Warmwasser zu versorgen und bietet ausreichend Spielraum, um solare Erträge zwischenzuspeichern.

Wärmepumpen können über die Bundesförderung für effiziente Gebäude mitgefördert werden. Mehr dazu erfahren Sie auf der Website der Bundesamtes für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA). Weitere Informationen zum Thema stellen wir Ihnen in unserem Ratgeber zur Verfügung.  

In Hinblick auf die steigenden Preise für fossile Energieträger und CO₂-Emissionen lässt sich ganz pauschal feststellen: Die Anschaffung einer Wärmepumpe ist grundsätzlich eine sinnvolle Investition. Gerade in Bestandsgebäuden macht sich die Umstellung schnell bezahlt, denn hier werden meist größere Wärmemengen benötigt. Häufig lassen sich die Heizkörper des alten Heizsystems weiterverwenden, was Aufwand und Kosten für den Umbau deutlich verringert. Bei einem Neubau wird bei gleicher Fläche die Wärmepumpe meist etwas kleiner ausfallen. Bessere Dämmung und effizientere Technik senken hier den Bedarf an Wärme.  

Wärmepumpen eignen sich übrigens auch für Mehrfamilienhäuser. Am besten, sowohl organisatorisch als auch im Hinblick auf die Kosten, ist es selbstverständlich, wenn alle Parteien sich für die umweltfreundliche Art zu heizen entscheiden. 

Solar betriebene Wärmepumpe oder Solarthermie?

Da Photovoltaik und Solarthermie in Konkurrenz um knappe Dachflächen stehen, ist es sinnvoll, sich für eine der beiden Alternativen zu entscheiden. Die Solarthermie ist günstiger in der Anschaffung und die Umwandlung von Strom in Wärme mittels einer Wärmepumpe, bedeutet einen geringen Energieverlust. Dennoch ist die Kombination von Photovoltaikanlage und Wärmepumpe der Solarthermie meist überlegen. Mit letzterer lässt sich ausschließlich Warmwasser oder Heizungswärme gewinnen, wohingegen der PV-Strom für die verschiedensten Zwecke im Haushalt eingesetzt werden kann. Auch kann die Wärmepumpe einfacher neu dimensioniert werden, wenn sich der Bedarf ändert. 

Unabhängig davon, ob es sich um einen Bestands- oder einen Neubau handelt: 
Die Kombination von Wärmepumpe und PV-Anlage garantiert langfristig stabile Heizkosten. Sie ist die beste Lösung, um sich von aktuellen Entwicklungen auf dem Energiemarkt sowie von Gas- und Ölimporten unabhängig zu machen und sich vor starken Preissteigerungen zu schützen.