Wärmepumpenheizung

Eine Wärmepumpenheizung entzieht der Umwelt (umgebende Luft, Grund-/Oberflächenwasser oder Erdreich) Wärme und hebt sie mittels einer Wärmepumpe auf ein verwertbares höheres Temperaturniveau an, um damit Gebäude oder andere Einrichtungen beheizen zu können. Unterschieden werden elektrisch und mit Gas angetriebene Wärmepumpenheizungen.

Luft/Wasser-Wärmepumpenheizung in einem Einfamilienhaus

Sole-Wasser-Wärmepumpe im Keller eines energetisch sanierten Zweifamilienhauses

Erste erdgekoppelte Wärmepumpenheizung in Deutschland von Klemens Oskar Waterkotte aus dem Jahr 1972

Das Innere einer Wärmepumpe

Da elektrische Wärmepumpen unmittelbar kein CO₂ abgeben, aber nur etwa 25 bis 30 % der elektrischen Energie für die gleiche Wärmeenergie aufwenden,[1] können sie bei Verwendung eines hohen Anteils an kohlenstoffneutral produziertem Strom im Vergleich zu anderen Heizungsarten sehr emissionsarm arbeiten und damit im Vergleich zu anderen Heizungsarten sehr zur Verringerung von Treibhausgasemissionsen beitragen. Stammt die elektrische Energie hingegen aus fossilen Quellen, dann ist der ökologische Vorteil gegenüber modernen Gasheizungen nur sehr gering.[2]

Bei der Umstellung auf eine CO₂-freie Wärmeversorgung (Dekarbonisierung) kann der Wärmepumpe eine starke Bedeutung zukommen, wenn der Strom aus regenerativen Quellen erzeugt wird. Im Rahmen der Fernwärmeversorgung können Wärmequellen genutzt werden, die für eine direkte Wärmenutzung keine ausreichende Temperatur haben. Es können industrielle Abwärme wie Kühlwasser, Grubenwasser oder oberflächennahe Geothermie als Wärmequelle genutzt werden. Je höher die Temperatur der Wärmequelle ist, der im Verdampfer der Wärmepumpe Wärme entzogen wird, desto höher ist die Leistungszahl der Anlage.

Allgemeines

Die Wärmepumpe entzieht einem Reservoir (Luft, Grundwasser, Erdreich) Wärme und kühlt somit die Wärmequelle, allerdings nur entlang eines Temperaturgradienten. Die Effizienz der Wärmepumpe – ausgedrückt in der Leistungszahl – sinkt umso mehr, je geringer die Temperatur der Quelle ist.

Die Wärmepumpe ist technisch wie ein Kühlschrank aufgebaut mit dem Unterschied, dass bei der Wärmepumpe die warme Seite (Verflüssiger der Wärmepumpe) zum Heizen genutzt wird. Der Einsatz ist umso effizienter, je geringer die gewünschte Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmereservoir (zum Beispiel Grundwasser von 7 °C) und der „Vorlauf-Temperatur“ ist (= „Heizungs-Vorlauf“ = die Temperatur, mit der das Wasser in den Heizkreis eingespeist wird). Mit steigendem Temperaturhub sinkt die Leistungszahl der Wärmepumpe. Die meisten Wärmepumpen sind für Vorlauftemperaturen bis maximal 60 °C ausgelegt.

Wärmequellen für Wärmepumpen sind Wasser, feuchtes Erdreich oder feuchte Luft. Wenn die Verdampfungstemperatur 0 °C unterschreitet, bildet sich Eis auf den Wärmetauscherflächen. Eis ist eine Isolierschicht und verschlechtert den Wärmeübergang deutlich. Durch neuere Technologien (Gaskühlung) können Wärmepumpen, die der Außenluft die Wärme entziehen, derzeit bis −25 °C Außentemperatur effektiv eingesetzt werden. Eine Wärmepumpe, die einem Wasserspeicher in 10 m Tiefe (ca. 5 °C Erdtemperatur) die Wärme entzieht, kann unabhängig von der Außentemperatur betrieben werden (unter dem Gefrierpunkt von Wasser, weil Eis leichter als Wasser ist und somit an der Oberfläche schwimmt).

Für den Wärmeertrag muss Leistung aufgebracht werden („Input“). Das Verhältnis Ertrag („Output“) zu Input wird Leistungszahl genannt. Eine Leistungszahl größer als 4 gilt als wirtschaftlich.

Die Energie kann mittels elektrischem Strom oder Brennstoffen zugeführt werden. Die Verbrennung von Brennstoffen kann eine Absorptions- oder Adsorptionskältemaschine betreiben oder in Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, der wie der Elektromotor eine Kompressionskältemaschine antreibt.

Technische Einzelheiten

Zur Beheizung von Gebäuden werden im unteren Leistungsbereich meist Elektro-Kompressions-Wärmepumpen verwendet, bei höheren Leistungen auch Gasmotorwärmepumpen. Verwendet werden auch Absorptions- bzw. Adsorptions-Wärmepumpen. Wärmepumpen, die den Vuilleumier-Kreisprozess nutzen, sind noch nicht marktreif.

Das Funktionsprinzip lässt sich gut mit einem Kühlschrank vergleichen, der innen kühlt und außen heizt. Viele dieser Systeme können im Umkehrbetrieb auch zur Kühlung eingesetzt werden. Da Wärmepumpen zum Teil erhebliche Anlaufströme haben, die zu Netzrückwirkungen (Spannungseinbrüchen) führen können, muss der Anschluss vom Energieversorgungsunternehmen genehmigt werden. Die Genehmigung wird im Regelfall mit bestimmten Auflagen (Anlaufstrombegrenzung, Anläufe/Stunde beschränkt) erteilt.

Das verdichtete Kältemittel kondensiert im Verflüssiger. Dies ist ein Wärmeübertrager, der auf der Gegenseite mit einem Wärmeträger, in der Regel Wasser oder Wasser-Sole-Gemisch (Frostschutz), beaufschlagt wird. Die bei der Verflüssigung des Kältemittels frei werdende Kondensationsenthalpie wird vom Wärmeträger aufgenommen und auf die Heizkörper oder Heizflächen übertragen. Die Wärmeleistung, die, bezogen auf die eingesetzte elektrische Leistung des Verdichtermotors, am Verflüssiger genutzt werden kann, steigt mit abnehmender Differenz zwischen der Verdampfungs- und der Verflüssigungstemperatur im Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe.

Das Verhältnis der Wärmeleistung („Output“) zur elektrischen Leistung („Input“) wird als Leistungszahl einer Wärmepumpe (engl. Coefficient of Performance, abgekürzt COP) bezeichnet.

Eine niedrige Wärmeträgertemperatur (Vorlauftemperatur) kann insbesondere mit Fußbodenheizungen umgesetzt werden, da die Wärmeübertragungsfläche sehr groß ist. Außerdem muss eine sehr gute Wärmedämmung für das zu beheizende Gebäude angestrebt werden, um bei geringem Wärmebedarf eine geringe Vorlauftemperatur des Wärmeträgers fahren zu können.

Heizfläche und mittlere Übertemperatur (Temperaturdifferenzen $\Delta T$ ) eines Heizkörpers oder einer Fußbodenheizung verhalten sich indirekt proportional zueinander. Dies ist mit der veränderten Leistungsabgabe von Speichern bei steigenden Primärtemperaturen zu vergleichen. Diese Problematik verursacht zudem, dass mittels Wärmepumpe die Speichertemperatur nur auf eine bestimmte Temperatur angehoben werden kann. Die maximal erzeugbare Warmwassertemperatur ist vom maximalen Verdichter-Hochdruck abhängig.

Bei der Beheizung von Speichern mittels Erdsonden muss darauf geachtet werden, dass die Erdsonde nicht mit mehr als 100 W(therm.)/m Sonde belastet wird, um eine zu starke Vereisung der Sonde zu vermeiden. Da Eis ein schlechter Wärmeleiter ist, sinkt die Sondentemperatur zu weit ab und die Leistungszahl fällt in den unwirtschaftlichen Bereich unter 2,5.

Wahl des Kältemittels

Heute auf dem europäischen Markt erhältliche Wärmepumpen sowohl für Haushalt und Industrie werden fast ausschließlich mit FKW (fluorierten Kohlenwasserstoffen) betrieben. Systeme mit für die Umwelt weniger problematischen Kältemitteln wie z. B. CO₂ oder Propan haben bislang keine weite Verbreitung gefunden (Stand 2006).[3] Mit CO₂ lassen sich laut Studien hohe Vorlauftemperaturen erzeugen und höhere Jahresarbeitszahlen als mit klassischen Systemen erzielen.[4] Zudem ist es nicht brennbar und minder giftig. In Japan sind bereits seit 2001 CO₂-Luft-Wasser-Wärmepumpen auf dem Markt erhältlich; seit einiger Zeit werden diese auch vereinzelt in Europa angeboten. Bei der Verwendung von CO₂ benötigt man Komponenten, die mit größeren Drücken betrieben werden können. Hierzu laufen Forschungsprojekte z. B. an der Technischen Universität Braunschweig (Lehrstuhl Thermodynamik)[5] und der Technischen Universität Dresden. CO₂-Luft-Wasser-Wärmepumpen können teils sehr teure Konkurrenzsysteme (Erdsonden-, Eissonden-, Solewärmepumpen etc.) in Anwendungsnischen verdrängen.[4]

Sperrzeiten

Bei Nutzung eines günstigen Heizstromtarifs können die Energieversorger die Wärmepumpen zu Zeiten von Spitzenlast, beispielsweise vormittags und am Frühabend, nach den Technischen Anschlussbedingungen (TAB) bis zu dreimal täglich für je zwei Stunden (auch ferngesteuert) abschalten. Allerdings können viele Energieversorgungsunternehmen (EVU) von dieser Möglichkeit nach unten abweichen, da sie die Sperrzeiten mittels der Rundsteuerempfänger bezogen auf das tatsächliche Lastprofil steuern. Die Sperrzeiten sind dann relativ kurz, so dass ein erhöhter technischer Aufwand (beispielsweise Pufferspeicher) für eine Sperrzeitüberbrückung in der Regel nicht notwendig wird.

Pufferspeicher sind für die Überbrückung von Sperrzeiten auch nur bedingt einsetzbar, da für die Abschaltzeit der Wärmepumpe vom EVU kein Vorsignal gegeben wird. Daher könnte der Temperaturfühler im Pufferspeicher bei Eintritt der Sperrzeit gerade das „Ein“-Signal zum Anlauf der WP geben. Tritt dieser Fall ein, befindet sich im Pufferspeicher kein oder nur ein geringes nutzbares Temperaturgefälle. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Gebäude durch eine Sperrzeit abkühlt, ist relativ gering, aber in begrenztem Umfang möglich (Abkühlung 1–2 °C).

Ein Gebäude mit nur wenig Speichermassen kühlt schneller aus als eines mit großen Speichermassen;
ein schlecht isoliertes Gebäude kühlt schneller aus als ein gut isoliertes;
ein großes Gebäude kühlt langsamer aus als ein kleines (besseres Verhältnis von Gebäudeoberfläche zu umbautem Raum).

Heizstabsteuerung

Für den Fall, dass die Leistung der Wärmepumpe bei niedrigen Umgebungstemperaturen und gleichzeitig hohem Wärmebedarf nicht ausreicht, verfügen die meisten Wärmepumpenheizungen zur Ergänzung über eine einfache Elektroheizung (Heizstab) im Warmwasserkreislauf oder -speicher.

Die Technischen Anschlussbedingungen (TAB 2007) schreiben im Kapitel 10.2.4 vor, dass Verdichter und Heizstab nur sechs Mal pro Stunde eingeschaltet werden dürfen. Hersteller setzen diese Vorschrift um, indem nach dem Ausschaltvorgang eine zehnminütige Pause eingelegt wird. Bei der Planung und Auslegung muss dieser Sachverhalt berücksichtigt werden.

Der Temperaturhub $\Delta \vartheta$ des Heizstabes wird durch den Massenstrom ${\frac {\Delta m}{\Delta t}}$ , die spezifische Wärmekapazität $c$ des Fluids und die Heizstableistung $\Phi$ bestimmt.

\Delta \vartheta ={\frac {\Phi }{c\cdot {\frac {\Delta m}{\Delta t}}}}

Mit Wasser als Fluid $c=1{,}16\,{\frac {\mathrm {Wh} }{\mathrm {K\cdot kg} }}$ beträgt der Temperaturhub bei einem Massenstrom von 1000 kg pro Stunde $\Delta \vartheta =0{,}86\,\mathrm {K}$ je kW Heizstableistung.

Bei kleiner Schalthysterese und großem Temperaturhub ist der Heizstab nur wenige Minuten ein- und mindestens zehn Minuten ausgeschaltet. Die vermeintlich hohe Anschlussleistung des Heizstabes kann sich nicht entfalten. Durch Umstellen der obigen Formel nach der Zeit gilt:

\Delta t={\frac {c\cdot \Delta m\cdot \Delta \vartheta }{\Phi }}

Wenn die Schalthysterese 1 K, die Heizstableistung 1 kW und die Masse des Wassers 1 kg beträgt, wird der Heizstab nach 4,176 s abgeschaltet.

Kennzahlen

Leistungszahl und Gütegrad

Zur Beurteilung von Wärmepumpen wird die Leistungszahl ε – auch Coefficient of Performance (COP) genannt – herangezogen. Sie ist das Verhältnis von abgegebener Heizwärmeleistung zur eingesetzten Antriebsleistung des Verdichters (auch Kompressor). Die erreichbare Leistungszahl ist in Abhängigkeit von den verwendeten Temperaturen entsprechend dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik begrenzt auf den Kehrwert des Carnot-Wirkungsgrades für eine verlustfrei arbeitende Kraftwärmemaschine, die Carnot-Leistungszahl:

\varepsilon _{\mathtt {C}}={\frac {T_{\text{warm}}}{T_{\text{warm}}-T_{\text{kalt}}}}

Das Verhältnis von tatsächlicher zu Carnot-Leistungszahl ist der Gütegrad $\eta =\varepsilon /\varepsilon _{\mathtt {C}}$ . Damit errechnet sich die Leistungszahl

\varepsilon =\eta \cdot {\frac {T_{\text{warm}}}{T_{\text{warm}}-T_{\text{kalt}}}}

Elektro-Kompressions-Wärmepumpen für die Gebäudeheizung erreichen im Dauerbetrieb unter festgelegten Normbetriebsbedingungen Gütegrade von rund 50 %. Dieser Wert dient hauptsächlich zur Beurteilung der Qualität der Wärmepumpe selbst. Er berücksichtigt nicht den Rest des Heizungssystems.

Für eine Wärmepumpe mit Erdwärmesonde (Verdampfungstemperatur $T_{\text{kalt}}=273\ \mathrm {K}$ , etwa 0 °C) und Fußbodenheizung ( $T_{\text{warm}}=308\ \mathrm {K}$ , etwa 35 °C Vorlauftemperatur) errechnet man beispielsweise:

\varepsilon \approx 0{,}5\cdot {\frac {308\ \mathrm {K} }{308\ \mathrm {K} -273\ \mathrm {K} }}=4{,}4

Wenn an dem gleichen Wärmepumpenkreislauf eine Radiatorenheizung mit 55 °C ( $T_{\text{warm}}=328\ \mathrm {K}$ ) Vorlauftemperatur (Verdampfungstemperatur −0 °C) angeschlossen wird, ergibt sich eine deutlich niedrigere Leistungszahl:

\varepsilon \approx 0{,}5\cdot {\frac {328\ \mathrm {K} }{328\ \mathrm {K} -273\ \mathrm {K} }}=3{,}0

Beim Einsatz einer Erdwärmesonde als Wärmequelle ist die Verdampfungstemperatur unabhängig von der Umgebungstemperatur.

Eine Wärmepumpe, die als Wärmequelle die Umgebungsluft nutzt, hat eine deutlich niedrigere Verdampfungstemperatur als die Anlage mit einer Erdwärmesonde. Mit steigendem Wärmebedarf sinkt die Umgebungstemperatur und damit auch die Leistungszahl. Zudem ist die Wärmeübergangszahl von Luft zu den Verdampferflächen niedrig. Es finden daher möglichst großflächige, verrippte Rohre im Verdampfer Anwendung. Es ist ein Lüfter oder Ventilator notwendig, der die Luft durch die Verdampferflächen drückt.

Wird im Verdampfer häufig der Taupunkt unterschritten, so muss das sich bildende Kondensat (Wasser) abgeführt werden. Wird im Verdampfer der Gefrierpunkt des Kondensats unterschritten, sinkt der Ertragsfaktor wegen der isolierenden Wirkung des Eismantels auf null. Enteisungseinrichtungen sind energetisch unsinnig, es wird die gleiche Menge an Energie zugeführt, die zuvor dem gefrorenen Kondensat entzogen wurde.

In der folgenden Berechnung der Leistungszahl wird eine Außentemperatur von zirka 7 °C und eine Temperaturdifferenz von 12 °C zwischen Lufteintrittstemperatur und Verdampfungstemperatur des Kältemittels angenommen. Mit $T_{\text{kalt}}=268\ \mathrm {K}$ (gleich etwa −5 °C) für die kalte Seite ergibt sich:

\varepsilon \approx 0{,}5\cdot {\frac {328\ \mathrm {K} }{328\ \mathrm {K} -268\ \mathrm {K} }}=2{,}7

Es wird deutlich, dass die Leistungszahl einer Wärmepumpe durch die Bauart der Wärmeübertrager, Verflüssiger und Verdampfer stark beeinflusst wird. Unbetrachtet bleibt die Vereisung des Verdampfers. Die Anlage der Beispielrechnung ist nur sinnvoll bei Außentemperaturen größer als +12 °C einsetzbar.

Mit der Erdwärmesonde steht unabhängig von der herrschenden Außentemperatur eine Wärmequelle mit relativ hoher Temperatur zur Verfügung, während die Außenluft eine ungünstige Wärmequelle darstellt. Auf der Seite der Wärmesenke sollte mit einer möglichst großen Fläche eine kleine Temperaturdifferenz zwischen Raumtemperatur und Wärmeträgervorlauftemperatur angestrebt werden. In den dargestellten Beispielen variiert die Leistungszahl um den Faktor 1,8 zwischen der Erdwärmesonde/Fußbodenheizungswärmepumpe und der Außenluft/Radiatorwärmepumpe.

Unter Standardbedingungen erreichen handelsübliche Wärmepumpen COP-Werte im Bereich von 3,2 bis 4,5 bei Wärmequelle Umgebungsluft und 4,2 bis 5,2 bei Nutzung von Erdwärme, Tendenz steigend.[6]

Jahresarbeitszahl (JAZ)

Zur Bewertung der energetischen Effizienz eines Wärmepumpenheizungssystems wird die sogenannte Jahresarbeitszahl (JAZ), auch Seasonal Performance Factor (SPF) genannt, verwendet. Sie gibt das Verhältnis der über das Jahr abgegebenen Wärme zur aufgenommenen Antriebsenergie an und ist nicht mit der unter standardisierten Laborbedingungen ermittelten Leistungszahl zu verwechseln. Um Vergleichbarkeit zu gewähren ist es wichtig sich über die Systemgrenze im Klaren zu sein. Die Jahresarbeitszahl kann den zusätzlichen Energieaufwand für die Nebenantriebe (Solepumpen, Grundwasserpumpen bzw. Luft-Ventilatoren etc.) enthalten, die bei falscher Auslegung einen beachtlichen Teil ausmachen.

Die Jahresarbeitszahl berechnet sich nach folgender Formel:

$JAZ={\frac {\int _{t1}^{t2}{\dot {Q}}_{\text{Heiz}}\,dt}{\int _{t1}^{t2}P_{\mathrm {el} }\,dt}}$

Vielerlei Faktoren beeinflussen die Jahresarbeitszahl. Hersteller liefern beispielsweise Hard- und Software unterschiedlicher Qualität. Ähnliches gilt für die Arbeit von Installateursbetrieben. Weiterhin ändern sich im Jahresverlauf die Temperaturen, unter denen die Wärmepumpe arbeiten muss. Auf der Senkenseite dominiert beispielsweise im Winter üblicherweise die Gebäudeheizung mit vergleichsweise niedriger Temperatur, im Sommer hingegen die Trinkwarmwasserbereitung mit vergleichsweise hohen Temperaturen. Auch die gesamte Auslegung eines Wärmepumpen-Heizungssystems, z. B. die Tiefe der Erdsonde, die Wahl von Speichern oder Wärmeverteilsystem, hat einen Einfluss auf seine Effizienz. Auf der Quellseite sind ebenfalls Temperaturschwankungen zu beobachten, diese jedoch in starker Abhängigkeit der Quelle. So schwankt die Lufttemperatur stark im täglichen und saisonalen Verlauf, die Erdreich- und Grundwassertemperatur jedoch kaum. Der Standort und das Klima ist ebenfalls relevant.

Die JAZ liegt in Deutschland in der Größenordnung von 3 bis 4,5, bei Grundwassersystemen auch über 5. Ausreißer in beide Richtungen sind möglich.

Ökologische Bilanz

Wärmepumpen kommt eine wichtige Rolle bei einer nachhaltigen Wärmeerzeugung zu[7], die ein elementarer Bestandteil der Energiewende ist. Die meisten Studien zum Thema kommen zum Ergebnis, dass Wärmepumpen eine zentrale Rolle in einem klimafreundlichen Energiesystem spielen müssen. Ursächlich hierfür ist, dass sich sowohl dezentrale Wärmepumpen als auch Großwärmepumpen in Fernwärmesystemen gesamtkostensenkend auswirken. Sie können auch dazu beitragen, erneuerbare Energien besser ins Energiesystem zu integrieren und zusammen mit diesen den Wärmesektor zu dekarbonisieren.[8]

Sofern der zum Betrieb von elektrisch angetriebenen Wärmepumpen benötigte Strom von emissionsfreien Quellen wie beispielsweise Wasserkraftwerken, Windkraftanlagen oder Photovoltaik bezogen wird, lässt sich mit ihnen effiziente und klimaneutrale Heizwärme gewinnen. Die Wärmepumpenheizung gilt von allen derzeit am Markt erhältlichen Einzeltechnologien als diejenige, die in Zukunft den möglicherweise größten Beitrag zur globalen Treibhausgasreduktion beisteuern könnte. Die IEA geht davon aus, dass alleine durch den Einsatz von Wärmepumpen die weltweiten Treibhausgasemissionen um 8 % reduziert werden können, wenn 30 % der Gebäude statt mit fossil befeuerten Heizungen mit Wärmepumpen beheizt werden.[9] Die Umstellung der weltweiten Wärmeerzeugung auf Wärmepumpenheizungen, die mit Strom aus erneuerbaren Energien versorgt werden, würde zugleich einen erheblichen Anstieg der globalen Energieerzeugung aus regenerativen Quellen bedeuten und die Effizienz des Energiesystems steigern.[10]

Die Umweltverträglichkeit einer Kompressions-Wärmepumpe wird durch mehrere Faktoren beeinflusst:

Art der Stromerzeugung (CO₂-Bilanz, Schadstoffemission),
Art der Gaserzeugung (Förderung, Import, Biogasaufbereitung),
Verluste bei der Leitung des elektrischen Stroms,
Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe,
Treibhauspotenzial des Kältemittels.

Treibhausgasbilanz

Entscheidend für die Öko-Bilanz der Elektro-Wärmepumpen ist die Art und Weise, wie der für den Betrieb nötige Strom produziert wurde. Ob Kohlenstoffdioxid eingespart wird, ergibt sich insbesondere aus Jahresarbeitszahl und der Emissionsintensität der Stromerzeugung. Zu berücksichtigen sind dabei unterschiedliche Brennstoffe in Kraftwerken und Hausheizungen und deren Emissionsfaktoren, sodass selbst bei gleichem Primärenergiebedarf die CO₂-Emissionen bei der Stromerzeugung höher (z. B. bei Schwerpunkt auf Braunkohleverstromung) oder niedriger (z. B. durch hohen Anteil an Gas- oder Kernkraftwerken) ausfallen können.

Bei Staaten mit hohem Anteil emissionsfreier Energieerzeugung wie z. B. Österreich, wo Wasserkraft die dominierende Stromquelle ist, werden bereits bei einer Jahresarbeitszahl von 1,0 Kohlenstoffdioxidemissionen eingespart, in Estland hingegen erst bei einer Jahresarbeitszahl von 5,1. In Deutschland liegt der Wert bei 2,2. Als Vergleichswert diente ein Gaskessel mit einem Wirkungsgrad von 95 % und Emissionen von 213 g/kWh.[11]

2020 erschien in der Fachzeitschrift Nature Sustainability eine Studie, die die CO₂-Bilanz von Wärmepumpenheizungen über den gesamten Lebenszyklus (d. h. Herstellung, Betrieb und Recycling) sowohl für das Jahr 2015 als auch die Zukunft analysierte. Die Autoren studierten dabei zunächst die Bilanz im weltweiten Durchschnitt und teilten die Welt schließlich in 59 Regionen auf, die sie dann einzeln analysierten, um regionale Unterschiede zu erkennen. Dabei kamen sie zum Ergebnis, dass bereits im Jahr 2015 die Nutzung einer durchschnittlichen Wärmepumpe verglichen mit einer durchschnittlichen neuen fossil befeuerten Heizung deutlich weniger Kohlendioxid produziert hätte. Demnach waren Wärmepumpen immer dann klimafreundlicher als fossile Heizungen, wenn Strom bezogen wurde, bei dessen Produktion weniger als 1000 g CO_2e/kWh anfiel. Mehr als 90 % der Weltstromerzeugung liegen unter diesem Emissionslevel. Sofern die Emissionen der Stromerzeugung unter 500 g CO_2e /kWh lägen, stießen Wärmepumpen im globalen Durchschnitt selbst dann, wenn sie sehr ineffizient arbeiten würden, weniger Emissionen als sehr effiziente neue fossile Heizungen. Insgesamt kamen die Autoren zu dem Ergebnis, dass Wärmepumpen bereits 2015 in 53 der 59 Regionen weltweit mit zusammen 96 % des globalen Wärmebedarfs klimafreundlicher als fossile Heizungen gewesen seien. Im Durchschnitt lagen die Emissionen von Wärmepumpenheizungen um 35 % unter denen von fossilen Heizungen. Zudem werde sich der Klimavorteil von Wärmepumpen in der Zukunft mit der erwarteten Rückgang der Emissionen der Stromerzeugung noch weiter verbessern, sodass insgesamt der Umstieg auf Wärmepumpen in den meisten Regionen weltweit fast sicher die Treibhausgasemissionen reduzieren würde; auch unter der Annahme, dass diese Elektrifizierung des Wärmesektors nicht gleichzeitig von einer weiteren Dekarbonisierung der Stromerzeugung begleitet würde.[12]

Eine 2013 im Auftrag des Bundesverbandes Wärmepumpe e. V. erstellte Studie der TU München fest, dass zwar "der Strombedarf der Wärmepumpen [in Deutschland] tendenziell durch den Einsatz von Grundlastkraftwerken, d. h. insbesondere von Kohlekraftwerken bereitgestellt" wird, dass aber schon beim damaligen Strommix eine Emissionseinsparung von "41 % bis 52 % gegenüber einem alten Niedertemperaturkessel" auftrete. Bei weiterhin stark steigender Einspeisung erneuerbare Energien sei damit zu rechnen, dass Wärmepumpen "im Jahr 2030 im Gebäudebestand und im Neubau rund 73 % bis 83 % weniger an nicht-regenerativer Primärenergie benötigen als erdgasoder heizölbefeuerte Anlagen." Daraus ergebe sich eine "Minderung des CO₂-Ausstoßes zwischen 56 % und 78 %". Bei 3,5 Millionen Wärmepumpen im Jahr 2030 sei mit einem zusätzlichen Stromverbrauch von ca. 13,5 TWh zu rechnen (etwa 3,5 des deutschen Gesamtstrombedarfs), weswegen es nur geringe Auswirkungen auf den Stromerzeugungsmix gebe.[13]

Wärmepumpen können klimaschädliche Kältemittel wie R134a (1,1,1,2-Tetrafluorethan), R404A (Ersatzkältemittel für R502 und R22 (Chlordifluormethan)), R407C (Ersatz des Kältemittels R22) oder R-410A enthalten. Ein Kilogramm dieser Kältemittel entwickelt das gleiche Treibhauspotential wie 1,3 bis 3,3 Tonnen CO₂. Bei nicht sachgerechtem Recycling kann es zur Freisetzung dieser Stoffe und zu entsprechenden Treibhausgasemissionen kommen. Es gibt jedoch auch klimafreundliche Alternativen wie R744, R290, R600a oder R1270.

Primärenergiebilanz

Wie viel Primärenergie eingespart wird, ergibt sich aus der Primärenergiebilanz der Stromerzeugung. Mit dem seit 2016 in Deutschland geltenden Primärenergiefaktor von 1,8 sparen inzwischen auch Wärmepumpen mit Wärmequelle Außenluft Primärenergie gegenüber Gas-Brennwertkesseln ein.[14] Für Deutschland durchschnittliche Werte sind in der Tabelle unten angegeben. Die höchsten Einsparungen ergeben sich, wenn die Wärmepumpen mit erneuerbaren Energien betrieben werden, die Strom direkt ohne thermodynamische Verluste produzieren. Bei fossilen Kraftwerken schneiden Gas-und-Dampf-Kraftwerke (GuD-Kraftwerk) am besten ab. So liefern Wärmepumpen mit einer JAZ von 3,5, die mit Strom aus einem Gas-Kraftwerk betrieben werden, mit einem Primärenergieeinsatz von 1,7 kWh 3,5 kWh Wärmeenergie.

Spezifischer Primärenergiebedarf für die Produktion einer kWh elektrischer Energie[15]
Kraftwerk	Primärenergieeinsatz	daraus gewonnene elektrische Energie	Nutzwärme bei JAZ 3,5
Kohlekraftwerk	2,4 kWh	1 kWh	3,5 kWh
GuD-Kraftwerk	1,7 kWh
Wasserkraftwerk, Windkraftanlage, Photovoltaik, Sonnenwärmekraftwerk	1,0 kWh
Kernkraftwerk	3,0 kWh
Kraftwerksmix Deutschland (Stand 2015)	2,4 kWh

Unabhängig von dieser primärenergetischen Betrachtung können Wärmepumpen auch zu einer Verringerung bestimmter Schadstoffemissionen (Kohlendioxid, Stickoxide, Feinstaub, Schwefelverbindungen etc.) beitragen, da bei Nutzung von festen und fossilen Brennstoffen (Steinkohle, Braunkohle) im Kraftwerk eine hocheffektive Rauchgasreinigung (zumindest bei gleichem Brennstoff) i. d. R. spezifisch geringere Emissionen als die lokale Verbrennung verursacht.

Systemtypen und Wärmequellen

Wärmepumpenheizungen können grob nach ihrer Wärmequelle kategorisiert werden:[16]

Luft (Außenluft- oder Abluft-Wärmepumpe, gegebenenfalls mit Vorerwärmung über Erdwärmetauscher)
Erdwärme (Wärmegewinnung über Erdsonden oder -kollektoren, s. u.)
Wasser (Wärmegewinnung aus Grundwasser, Oberflächenwässern oder Abwasser)
Sonne (Solaranlage erwärmt Solespeicher)

Nach dem Medium der Wärmegewinnung und -abgabe werden unterschieden:

Wasser/Wasser-Wärmepumpe (WWWP) mit Entzug der Wärme aus dem Grundwasser über Förder- und Schluckbrunnen, aus Oberflächenwässern oder Abwässern,
Sole/Wasser-Wärmepumpe (SWWP), als Wärmequellen dienen:
- Erdwärmesonden und Erdwärmekollektoren (Spiralkollektoren, Grabenkollektoren, Erdwärmekörbe etc.)
- die Sonnenenergie über Sonnenkollektoren und Pufferspeicher
- der Umgebung über Massivabsorber, Energiezaun, o. ä.
Luft/Wasser-Wärmepumpe (LWWP) mit Entzug der Wärme aus Abluft oder Außenluft, seltener auch mit Vorerwärmung durch Erdwärmetauscher, Fassadenkollektoren oder ähnlichem; preiswert und häufig verwendet.
Luft/Luft-Wärmepumpen (LLWP) werden nur in großen Gebäuden zur Erwärmung oder Kühlung der Zuluft von Lüftungsanlagen (Klimaanlagen) verwendet

In Niedrigenergiehäusern werden vermehrt Abluft (z. B. Lüftungskompaktgeräte in Passivhäusern), Abwasser[17] und die Sonnenwärme[18] zur Energiegewinnung genutzt, in Gewerbe und Industrie auch die ohnehin anfallende Prozesswärme. In einem Wärmepumpensystem können auch mehrere Quellen kombiniert werden, beispielsweise über einen gemeinsamen quellseitigen Solekreislauf.

Neben Anlagen, die einzelne Häuser beheizen, können Wärmepumpen auch in Fern- bzw. Nahwärmenetze eingebunden werden. Derartige Systeme besitzen zumeist eine Leistung im MW-Bereich und gelten als wichtige Technik zur Verknüpfung von Strom- und Wärmsektor in zukünftigen Energiesystemen mit hohem Anteil an erneuerbaren Energien, speziell der Windenergie. In solchen Systemen kommt Wärmepumpen die Rolle zu, während Zeiten mit hoher regenerativer Stromerzeugung Wärme zu liefern, sodass keine (fossil) betriebene Kessel bzw. Heizwerke betrieben werden müssen, womit die Energieeffizienz gesteigert werden kann. Derartige Großwärmepumpen können mit verschiedenen Wärmequellen betrieben werden; u. a. kommen Niedertemperaturabwärme aus der Industrie, Supermärkte, Abwässer (z. B. aus Kläranlagen), Trink-, Brauch- und Grundwasser, Flüsse, Seen und das Meerwasser als Wärmequelle in Frage.[19]

Luftwärmepumpe

Eine Luftwärmepumpe nutzt die von der Sonne erwärmte Außenluft zum Heizen und Aufbereiten des Warmwassers. Bei besonders tiefen Außentemperaturen sinkt der Wirkungsgrad stark ab. Durch bivalenten – parallelen Betrieb von Wärmepumpen mit bestimmten Kombisystemen lässt sich die Effizienz steigern, indem in diesen Fällen ein alternatives Heizungssystem zugeschaltet wird, um die benötigte Spitzenlast zu liefern. Das erhöht freilich die Kosten. Der Begriff Luftwärmepumpe wird für verschiedene Systeme verwendet. Daher wird meist noch differenzierter eingeteilt:

Luft-Wasser-Wärmepumpen entziehen der Umgebungsluft über einen Wärmetauscher Wärme und geben diese an die bestehenden Heizungs- und/oder Warmwasserkreisläufe ab (Fußbodenheizung, Radiatoren o. ä.).
Luft-Luft-Wärmepumpen entziehen der Luft Wärme und stellen sie einem Luft-Heizungssystem oder einer Lüftungsanlage zur Verfügung.
Bei der Direktwärmepumpe wird der Luft Wärme entzogen, welche ohne zusätzliche Wärmetauscherverluste mittels Direktkondensation in die im Heizestrich verlegten Fußbodenheizungsrohre eingeleitet wird. Anders als bei anderen Luftwärmepumpen fließt ein Kältemittel direkt durch die Kupferrohre der Bodenheizung. Die Direktwärmepumpe hat keine Umwälzpumpe und keinen Sekundärwärmetauscher. Eine Direktwärmepumpe eignet sich nur für den Neubau. Nachteilig ist, dass die Regelung einzelner Heizkreise fast unmöglich ist.

Luftwärmepumpen sind im Vergleich zu anderen Wärmepumpen in der Anschaffung meist günstiger, im Betrieb aber teurer. Luft-Wasser-Wärmepumpen können je nach Fabrikat außerhalb und innerhalb von Gebäuden aufgestellt werden. Der Wirkungsgrad der Luftwärmepumpe sinkt, je tiefer die Außentemperaturen werden. Luft-WP lassen sich bei sanierten Altbauten und in Neubauten mit Flächenheizkreisen installieren und sowohl in monovalentem als auch in bivalentem Betrieb betreiben (s. o. Abschnitt Kältemittel).

Relevant ist auch die Geräuschbelastung der Umgebung, die eine Aufstellung in Gebäudenähe häufig problematisch macht. Ein typischer Schalldruckpegel, in einem Meter Abstand, von zum Beispiel 51 bis 62 dB(A) (Datenblatt Viessmann Vitocal 300-A) wird als sehr störend empfunden. Zur Beurteilung der Geräuschemissionen von Luftwärmepumpen wird, aus Ermangelung einer eigenen normenkonkretisierender Verwaltungsvorschrift, die für Industrie- und Gewerbelärm zuständige TA-Lärm herangezogen, die je nach Wohngebietsausweisung unterschiedliche Immissionsrichtwerte vorsieht. In häufig anzutreffenden allgemeinen Wohngebieten gilt tagsüber 55 dB(A) und nachts 40 dB(A) vor dem Fenster eines schutzbedürftigen Wohnraums (Wohn-, Schlaf-, Arbeitszimmer und Küche mit Esstisch).

Die Jahresarbeitszahl von modernen WP lässt sich durch die Verwendung der Invertertechnologie verbessern. Trotzdem gibt es nach wie vor große Abweichungen zwischen den nach VDI 4650 berechneten Jahresarbeitszahlen und den in der Praxis erzielten Werten.[20]

Orientierungswerte:

Fußbodenheizung Vorlauftemperatur 30 bis 35 °C
Heizkörper/Radiatoren Vorlauftemperatur 50 bis 55 °C
Gebläsekonvektoren Vorlauftemperatur 35 bis 45 °C

Erdwärmepumpe

Erdwärmepumpen nutzen die fühlbare Wärme eines Erdkörpers als Energiequelle. Die entnommene Wärme wird überwiegend durch die Aufheizung des Erdkörpers durch Solarstrahlung und das Einsickern von Regenwasser wieder ausgeglichen, gegebenenfalls auch indirekt über den Grundwasserstrom. Nur ein geringer Anteil stammt aus dem Erdinneren.

In Deutschland wird für die Berechnung üblicherweise eine Umgebungstemperatur von 0 °C für oberflächennahe Erdwärmekollektoren und von 8 °C für das Grundwasser sowie für tiefe Erdwärmesonden angenommen.

Bei mangelhafter Auslegung können Sole-Wärmepumpen im Winter das Erdreich vereisen (siehe Permafrost).

Zu den gängigen Wartungsarbeiten einer Erdwärmepumpe zählen die Kontrolle der chemischen Zusammensetzung des Kältemittels, die Überprüfung und gegebenenfalls die Reinigung des Filters, die Analyse des Flüssigkeitsdrucks im Gerät sowie die Kontrolle der Leitungen im Haus auf Kondenswasser.[21]

Erdwärmesonden

(Z. B. CO₂-Sonden) sind Bohrungen in den Boden bis zu mehreren 100 Metern. Die meisten Bohrungen werden bis 50 Meter ausgeführt. Reicht die Leistung einer Erdwärmesonde nicht aus, werden mehrere Bohrungen auf Basis der berechneten Entzugsleistung gesetzt. Bohrungen sind eine einfache und zuverlässige Methode, eine Wärmepumpe zu betreiben, da nicht der ganze Garten umgegraben werden muss (wie bei Kollektoren) und auch die Entzugsleistung am höchsten ist. Nachteilig sind die hohen Kosten für die Bohrungen.

Erdwärmekollektoren

Sind in geringer Tiefe (zirka 1 bis 1,5 m, Abstand zirka 1 m) im Erdboden verlegte „Heizschlangen“. Die Wärme wird im Wesentlichen durch Sonnenenergie und versickerndes Regenwasser eingetragen, weshalb oberflächennahe Kollektoren nicht unter versiegelten Flächen verlegt werden sollten. Nur bei sehr hohem Grundwasserstand trägt auch dieses zur Wärmegewinnung bei. Die Entzugsleistung hängt unter anderem von der Wärmeleitfähigkeit und Wasserspeicherung des Erdbodens, sowie von Sonneneinstrahlung und Bodenfeuchte ab. Oberflächennahe Kollektoren sollten so geplant sein, dass die sensible Bodenwärme zur Versorgung ausreicht. Durch Vereisung der Umgebung können zusätzliche Wärmemengen (Latenzwärme) entzogen werden, allerdings bei fallender Soletemperatur (pro Grad Celsius steigt der Strombedarf um ca. 2,5 %).

Flach verlegte Spiralkollektoren

Spiralkollektoren und Erdwärmekörbe als Wärmetauscher haben einen etwas geringeren Flächenbedarf als in Schlaufen verlegte Erdwärmekollektoren und sind preiswerter als Tiefenbohrungen. Auch wird keine Zufahrtsmöglichkeit für ein Erdsonden-Tiefenbohrgerät benötigt.

Erdwärmegewinnung aus Tunneln

Vermehrt werden Tunnel zur Gewinnung von Geothermie benutzt. Entweder über selbsttätig ausfließendes Wasser[22][23][24] oder über Soleleitungen in den Tunnelwänden.[25][26] Laut einer Untersuchung des schweizerischen Bundesamtes für Energie aus 1995 könnte aus 130 der 600 Tunnel und Stollen der Schweiz eine Wärmeleistung von rund 30 MW gewonnen werden.[27]

Grundwasserwärmepumpe (Wasser-Wasser-Wärmepumpen)

Hierbei wird Grundwasser aus einem Förderbrunnen entnommen und durch einen so genannten Schluckbrunnen zurückgeführt. Die Qualität des Wassers ist von entscheidender Bedeutung für die Zuverlässigkeit des Systems. Entweder wird das Grundwasser direkt durch den Verdampferwärmetauscher der Wärmepumpe zugeführt, oder zwischen Grundwasser und Verdampferwärmetauscher wird zunächst noch ein Wärmetauscher zwischengeschaltet. Vor der Installation sollte eine Wasserprobe genommen und mit den Anforderungen des Herstellers der Wärmepumpe abgeglichen werden. Durch die im Jahresmittel oft durchgängig bei ca. 7 bis 11 °C liegenden Grundwasser-Temperaturen können Grundwasser-Wärmepumpen Jahresarbeitzahlen bis über 5 erreichen. Problematisch ist die Verockerung bzw. Korrosion der vom Grundwasser durchströmten Anlagenteile bei eisen- und manganhaltigem Wasser. In der Regel bedarf es einer wasserrechtlichen Genehmigung (Wasserbehörde), da der Betrieb einen Eingriff in den Grundwasserhaushalt bedeutet.

Oberflächenwasserwärmepumpe

Auch das Wasser von Meeren, Flüssen und Seen eignet sich als Energiequelle für den Betrieb von Wärmepumpen. Das Potential solcher Wärmequellen gilt als sehr groß: Alleine aus dem Bodensee soll sich bei Temperaturschwankungen von ±0,2 °C eine Wärmeleistung von einem GW gewinnen lassen. Erste derartige Anlagen wurden im Bodensee bereits in den 1960er Jahren installiert, in Deutschland sind sie bisher jedoch noch nicht sehr verbreitet, während in der Schweiz deutlich mehr Anlagen existieren und die Nutzung der Alpenseen zwecks Wärmegewinnung politisch vorangetrieben wird.[28] Auch in Skandinavien und Japan sind derartige Anlagen verbreitet. In Großbritannien geht man davon aus, dass mehrere Millionen Haushalte mittels Wärmepumpen beheizt werden könnten, die ihre Energie aus Flüssen und Seen gewinnen. Insgesamt sollen nach Plänen des Energieministeriums 4,5 Mio. Haushalte mit Wärmepumpen beheizt werden. Eine erste Anlage, die Wärme für über 100 Haushalte sowie weitere angeschlossene Gewerbebetriebe aus der Themse gewinnt, ging im März 2014 in Betrieb.[29] Die größte Wärmepumpenanlage, die Seewasser nutzt, befindet sich mit Stand 2016 in Stockholm. Sie versorgt ein Fernwärmenetz, an das 2,1 Mio Menschen angeschlossen sind, und verfügt über eine Leistung von rund 420 MW.[30]

Abwasserwärmepumpe

Eine Abwasserwärmepumpe wird in der Kanalisation installiert und nutzt die Wärme von Abwässern. Für die Nutzung eignen sich vor allem größere Abwasserrohre. Mit diesen lassen sich dann jedoch auch hohe Leistungen erzielen. In der Kanalisation liegen die Temperaturen im Jahresverlauf weitgehend gleichmäßig zwischen 12 und 20 Grad Celsius. Zudem isoliert das Erdreich um die Rohre, wodurch Lastspitzen abgepuffert werden können. Als wirtschaftlich gelten vor allem größere Anlagen, die Verwaltungszentren, Krankenhäuser, Schulen, Wohnsiedlungen oder Hallenbäder mit relativ konstantem Wärmebedarf beheizen. Perspektivisch ist geplant, in der Kanalisation Abwärme von Industrieprozessen oder Kraftwerken gezielt zwischenzuspeichern und diese per Wärmepumpe bei Bedarf wieder abzurufen.[31]

Kalte Nahwärme

Kalte Nahwärme bzw. Kalte Fernwärme ist eine technische Variante eines Wärmeversorgungsnetzes, das mit niedrigen Übertragungstemperaturen nahe der Bodentemperatur und damit deutlich unterhalb herkömmlicher Fern- oder Nahwärmesysteme arbeitet. Da diese Betriebstemperaturen nicht ausreichend sind für die Warmwasser- und Heizwärmeproduktion, wird die Temperatur beim Abnehmer mittels Wärmepumpen auf das erforderliche Niveau angehoben. Auf die gleiche Art und Weise kann auch Kälte produziert werden und die Abwärme ins Wärmenetz zurückgespeist werden. Auf diese Weise sind angeschlossene nicht nur Kunden, sondern können als Prosumer fungieren, die abhängig von der jeweiligen Umständen sowohl Wärme konsumieren oder produzieren können. Wie gewöhnliche Erdwärmepumpen haben Kalte Nahwärmenetze gegenüber Luftwärmepumpen den Vorteil, aufgrund des niedrigeren Temperaturdeltas zwischen Wärmequelle und Heiztemperatur effizienter zu arbeiten. Gegenüber Erdwärmepumpen haben Kalte Nahwärmenetze jedoch den zusätzlichen Vorteil, dass auch im städtischen Raum, wo häufig Platzprobleme den Einsatz von Erdwärmepumpen verhindern, über zentrale Wärmespeicher saisonal Wärme speichert werden kann, und darüber hinaus die unterschiedlichen Lastprofile verschiedener Gebäude ggf. einen Ausgleich zwischen Wärme- und Kältebedarf ermöglichen.[32]

Besonders gut ist ihr Einsatz dort geeignet, wo verschiedene Arten von Bebauung (Wohngebäude, Gewerbe, Supermärkte etc.) existieren und somit sowohl Wärme und Kälte nachgefragt wird, wodurch ein Energieausgleich über kurze oder lange Zeiträume ermöglicht wird. Alternativ ermöglichen saisonale Wärmespeicher einen Ausgleich von Energieeinspeisung und -nachfrage. Durch die Nutzung verschiedener Wärmequellen wie z. B. Abwärme aus Industrie und Gewerbe und die Kombination von Wärmequellen und Wärmesenken können zudem Synergien geschaffen werden und die Wärmeversorgung in Richtung einer Kreislaufwirtschaft weiterentwickelt werden. Zudem ermöglicht die niedrige Betriebstemperatur der Kaltwärmenetze sonst kaum nutzbare Niedertemperaturabwärme unkompliziert in das Netz einzuspeisen. Gleichzeitig verringert die niedrige Betriebstemperatur die Wärmeverluste des Wärmenetzes deutlich, was insbesondere im Sommer, wo nur eine geringe Wärmenachfrage herrscht, die Energieverluste begrenzt.[32] Auch ist die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpen gerade verglichen mit Luft-Wärmepumpen relativ hoch. Eine Untersuchung von 40 bis zum Jahr 2018 in Betrieb genommenen Anlagen ergab, dass die Wärmepumpen bei einem Großteil der untersuchten Systeme eine Jahresarbeitszahl von mindestens 4 erreichten; die höchsten Werte lagen bei 6.[32]

Wärmepumpen nach Art des Antriebs

Wie oben beschrieben, wird ein Teil der Heizleistung von Wärmepumpen meist durch Verdichtung erreicht. Das Kältemittel erwärmt sich dissipativ durch den höheren Druck und wird im Anschluss zum Heizen genutzt. Je nach Anwendung können unterschiedliche Antriebsarten besser geeignet sein.[33]

Elektromotor

Die im Einfamilienhaus am häufigsten anzutreffende Variante ist der Elektromotor. Darin treibt ein durch einen Frequenzumrichter geregelter Motor einen Scroll- oder Schraubenkompressor an. Vorteile der reinen Elektrowärmepumpe liegen im niedrigen möglichen Leistungsbereich der Anlagen und in der ausschließlichen Nutzung von Strom als Energiequelle. Es sind weder Schornstein noch Treibstoff-Zuleitungen erforderlich. Nachteilig sind der geringere Wirkungsgrad bei niedrigen Umgebungs- oder Grundwassertemperaturen und die einseitige Abhängigkeit vom Stromnetz.

Gasmotor

Funktionsprinzip einer Gasmotorwärmepumpe

Bei größeren Objekten wie Mehrfamilienhäusern, Gewerbebetrieben oder Supermärkten können Gasmotoren genutzt werden. Darin werden an den Betrieb mit Erdgas oder anderen Gasen (Propan, Butan etc.) angepassten Gas-Otto-Motoren als Verdichterantrieb installiert. Die etwas aufwändigeren Anlagen rentieren sich erst bei größeren Gebäuden oder in Nahwärmenetzen, bieten aber mit der Motorabwärme (zwischen 75 °C und 90 °C) und der Wärme im Abgas (mehrere 100 °C möglich) sowie der Kälte am Verdampfer drei zusätzliche, gleichzeitige Temperaturkreisläufe für unterschiedlichste Anwendungen. Durch die Verwendung von zu Bioerdgas aufbereitetem Biomethan als Brennstoff können auch Gasmotorwärmepumpen CO₂-neutral betrieben werden.

Ein anderes Funktionsprinzip treibt mit einem Brenngas den heißen Teil eines Stirlingmotors an, der auf der kalten Seite, ohne weitere verlustbehaftete Umwandlungen, direkt als Kompressor für einen Kältemittelkreislauf dient. Mit diesem Prinzip lässt sich auch der Leistungsbereich für Einfamilienhäuser wirtschaftlich und umweltfreundlich abdecken. Aufgrund der höheren Vorlauftemperatur im Vergleich zu elektromotorisch angetriebenen Kompressionswärmepumpen, eignet sich diese Technik insbesondere für die Sanierung von alten Bestandsgebäuden[34].

Gasbrenner

Wird ein Gasbrenner zur thermischen Verdichtung des Kältemittels eingesetzt (Sorptions-Wärmepumpe), kann die Abhängigkeit vom Stromnetz weiter reduziert werden. Hier wird nur noch eine kleine, elektrische Pumpe neben der reinen Umwälzfunktion zur Vorverdichtung genutzt. Die eigentliche Verdichtung erfolgt infolge der Aufheizung durch Gasbrenner, die ohne mechanische Umwandlungsverluste einen hohen, rein thermischen Wirkungsgrad erreichen. Die Reduktion von bewegten Komponenten bewirkt zudem einen geringeren Eigenstromverbrauch. Wie Gasmotorwärmepumpen sind reine Gaswärmepumpen in der Investition etwas aufwändiger und rentieren sich erst ab bestimmten Anlagengrößen oder in Nahwärmenetzen. Auch sie können mit zu Bioerdgas aufbereitetem Biomethan als Brennstoff CO₂-neutral betrieben werden. Gleiches gilt im Übrigen auch, wenn ein Gasbrenner als Spitzenlastheizung zu einer Elektrowärmepumpe hinzugefügt wird.

Solar-Eis-Speicher-Wärmepumpe / Latent-Wärmepumpe / Direktverdampfer-Wärmepumpe

Beim Solar-Eis-Speicher besteht der Speicher in einem großen Wassertank, der beim Gefrieren auf 0 °C durch ein Kühlmittel (z. B. ein Wasser-Glykol-Gemisch) die sogenannte Kristallisationsenthalpie zur Wärmenutzung verfügbar macht.

Der bei weiterer Wärmeentnahme entstehende Vereisungsprozess ist gewollt, denn der Phasenwechsel von Wasser zu Eis bringt einen weiteren Energiegewinn. Hierbei bleibt die Temperatur zwar konstant bei 0 °C, doch es werden weitere 93 Wh/kg Kristallisationsenthalpie frei, die von der Wärmepumpe genutzt werden können. Das ist die gleiche Energiemenge, die frei wird, wenn Wasser von 80 auf 0 °C abgekühlt wird.

Das System entspricht weitgehend der Wasser-Wasser-Wärmepumpe. Das ausgekühlte Wasser fließt hier jedoch nicht als Grundwasser einfach weiter, sondern dient im Sommer auch direkt als Kühlmedium, das ohne erneuten energetischen kostenintensiven Wärmetauscherprozess im Umkehrbetrieb (Klimakühlanlage) einfach über eine Umwälzpumpe in der Hausheizung genutzt werden kann und so den Speicher teils wieder regeneriert.

Die Regeneration erfolgt konstant durch alle Energiequellen, die wärmer als 0 Grad sind.

Die spezifische Enthalpie – also der „Energieinhalt“ des „Eisspeichers“ – liegt bei 333,5 kJ/kg oder 85 kWh/m³ Eis. Dies sind gut 8 Liter Heizöl pro Kubikmeter. Dementsprechend muss die Anlage um die Kälteschlangen, um die sich mit der Zeit ein Eismantel legt, der den weiteren Energieentzug behindert, dimensioniert werden.

Gängige Modelle mit einem Solar-Eis-Speicher von ca. 12 m³ und 5 Solar-Luft-Kollektoren (à 2 m²) auf dem Dach bieten im monovalenten Betrieb etwa 1800 Volllaststunden im Jahr für den Heizbetrieb mit einer maximalen Heizlast von 7,5 kW.

Damit ist theoretisch eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe zum ganzjährigen Heizen inklusive Trinkwassererwärmung immer noch die erste Wahl. Allerdings ist im Sommer der Energieaufwand zum Kühlen vermutlich mit dem Eisspeicher-System lukrativer. Die Systeme konkurrieren daher miteinander um den gesamt-energetischen Wirkungsgrad.

Unter Referenzbedingungen der Stiftung Warentest erreicht die Solar-Heizung eine System-Jahresarbeitszahl (SJAZ) von ca. 5 (inkl. Stromverbrauch Lüfter, Pumpen etc. und einschließlich direkt genutzter Solarwärme).[35]

Saisonaler Erdspeicher plus Wärmepumpe

Beim Erdspeicher besteht die Möglichkeit, diesen als Langzeitenergiespeicher zu nutzen. Dieser besteht aus einem gedämmten Erdspeicher, der von einem definierten System aus Kunststoffleitungen durchzogen ist. Es werden Überschüsse aus anderen Wärmequellen wie der Solarthermie gepuffert. Dadurch ergibt sich eine Anhebung der Quelltemperatur für die Wärmepumpe um durchschnittlich 10 °C im Vergleich zu Erdflächenkollektoren. Dabei können dem Erdspeicher auch Wärmequellen mit relativ niedrigen Temperaturen zugeführt werden, die nicht unmittelbar für Heizung genutzt werden können. Als Wärmeträger kommt neben (Sole) oder einem Wasser-Glykol-Gemisch auch reines Wasser in Frage.

Der Betrieb ohne Frostschutzmittel ermöglicht den Einsatz in Trinkwasserschutzgebieten. Basis hierfür ist das kontrollierte Temperaturniveau im Erdspeicher, welches über den saisonalen Wechsel ungefähr zwischen +5 °C und +23 °C liegt.

Das System entspricht weitgehend der Sole-Wasser-Wärmepumpe mit spezieller Regelungstechnik und kann wie vergleichbare Systeme heizen und kühlen. Als Wärmequellen kommen in erster Line Überschüsse aus Solaranlagen oder Prozesswärme in Frage.

Ein Erdspeicher von ca. 100–120 m³, einer abgestimmtem Wärmepumpe und ca. 12–14 m² Solarthermie-Flachkollektoren decken im Heizbetrieb eine Heizlast von ca. 10 kW ab.

Das Erdspeichersystem wird bei Neubauten i. d. R. unter der Bodenplatte eingebaut, um Synergien mit ohnehin anfallenden Arbeiten wie Gründung, Frostschürze, Fundamenten, Dämmung der Bodenplatte etc. zu nutzen. Problematisch erscheint der Einsatz bei Bestandsgebäuden sowie im innerstädtischen Bereich, da notwendige Flächen dort nicht zur Verfügung stehen könnten. Der Bereich, in dem der Erdspeicher eingebaut wird, sollte möglichst auch nicht von Grundwasser durchströmt werden, da sonst erhöhte Anforderungen an die Abdichtung gestellt werden.

Langzeitenergiespeicher sind gegenüber den unteren Wasserbehörden nur anzeigepflichtig, da üblicherweise der Einbau nur 1,20–1,50 m unter der Bodenplatte stattfindet und das Erdreich nicht als Wärmequelle genutzt wird. Durch die geringe Einbautiefe werden in der Regel keine grundwasserführenden Schichten durchstoßen.

Die BAFA fördert Eisspeicher und gedämmte Erdwärmespeichersysteme wie den eTank im Rahmen der Innovationsförderung „Wärmepumpen mit verbesserter Systemeffizienz“. Es muss ein Mindestspeichervolumen eingehalten und per Simulation die Erreichung der Systemjahresarbeitszahl (SJAZ) von 4,1 nachgewiesen werden.[36] Der Hersteller des saisonalen Erdspeichers eTank wurde 2015 für den Innovationspreis der Länder Berlin und Brandenburg nominiert.[37]

Luft/Wasser-Sole/Wasser-Wärmepumpe (Hybrid-Wärmepumpe)

Die Luft/Wasser-Sole/Wasser-Wärmepumpe ist eine Hybrid-Wärmepumpe, die in ihrer Ausführung ausschließlich regenerative Energiequellen nutzt. Sie kombiniert Luftwärme und Erdwärme in einem kompakten Gerät. Damit unterscheidet sich dieses Hybridsystem von anderen Systemen, die auch mindestens zwei Wärmequellen nutzen. Diese bilden zumeist einen Mix aus konventioneller Heiztechnik (Gasbrennwert-Technik) und erneuerbaren Energiequellen.

Die Luft/Wasser-Sole/Wasser-Wärmepumpe (Hybrid-Wärmepumpe) ist mit zwei Verdampfern ausgestattet (einem Außenluft-Verdampfer und einem Sole-Verdampfer), die beide an den Wärmepumpenkreislauf angeschlossen sind. Das ermöglicht es, im Abgleich mit den äußeren Bedingungen (z. B. Lufttemperatur) die zum aktuellen Zeitpunkt jeweils wirtschaftlichste Wärmequelle vorrangig einzusetzen. Das Hybridsystem wählt automatisch die effektivste Betriebsart (Luftwärme oder Erdwärme). Je nach Betriebsweise können die Energiequellen Luft- und Erdwärme parallel oder alternativ genutzt werden.

Betriebsarten

Es wird in der Regel zwischen drei Betriebsarten unterschieden:

Dem monovalenten Betrieb = nur Wärmepumpe, geeignet für alle Niedertemperaturheizungen bis maximal 55 °C Vorlauftemperaturen.
Dem bivalenten Betrieb = Wärmepumpe und eine zusätzliche Wärmequelle (z. B. Solarkollektoren, Gaskessel, Elektroheizstab und dergleichen)
- Bivalent-alternativ = dabei liefert die Wärmepumpe bis zu einer festgelegten Außentemperatur die gesamte Heizwärme. Sollte der Wert unterschritten werden, schaltet sich die Wärmepumpe ab und ein zweiter Wärmeerzeuger übernimmt das Heizen.
- Bivalent-parallel = wie bei der Bivalent-alternativ-Betriebsart liefert die Wärmepumpe bis zu einem bestimmten Wert die gesamte Heizleistung, allerdings schaltet sich die Wärmepumpe erst nach einem zweiten Grenzwert aus. Dazwischen wird ein zweiter Wärmeerzeuger hinzugeschaltet. Im Gegensatz zum bivalent-alternativen Betrieb ist der Anteil der Wärmepumpe an der Jahresleistung deutlich größer.[38]
Dem monoenergetischen Betrieb = Wärmepumpe und elektrische Zusatzheizung (zumeist bei preiswerten Modellen). Hierbei liefert die Wärmepumpe den Großteil des Jahres die nötige Wärmeleistung. Bei sehr niedrigen Temperaturen (unter −7 °C) reicht die Wärmeleistung nicht aus und es wird ein Heizstab zugeschaltet.[38]

Umkehrbetrieb

Viele Wärmepumpen beherrschen auch den Umkehrbetrieb zur Kühlung des Hauses. Hierbei wird unterschieden zwischen der Passiven Kühlung mit Grundwasser oder Tiefensonden und der Aktiven Kühlung durch Prozessumkehr. Klassische Heizkörper sind für die Raumkühlung jedoch nicht geeignet, da die relativ kleine Fläche der Heizkörper nur eine beschränkte Wärmeübertragung zulässt.

Aufbau der Kreisläufe

Die Systemtypen können an der Anzahl der Fluidkreise unterschieden werden. Die Entkopplung der Kreise durch indirekte Zuführung der Verdampfungsenthalpie aus der Umgebung und die Abfuhr der Kondensationsenthalpie über ein Warmwasserheizungsnetz sind regelungstechnisch vorteilhaft (jedoch energetisch verlustbehaftet), die Kältemittelmenge und die Wahrscheinlichkeiten von Leckagen sind gering.

3-Kreis-System

Lange nutzten die Wärmepumpenheizungen diese Systemform. Sole wird genutzt, in Form einer Tiefenbohrung oder eines Flächenkollektors. Hierbei zirkuliert als Übertragungsmedium Sole in einem geschlossenen Kreislauf und nimmt die Wärme des Erdreichs auf, um sie in der Wärmepumpe an den Kältemittelkreislauf abzugeben. Im dritten Kreis, der Raumheizung, zirkuliert Wasser, das über einen Wärmetauscher durch die Wärmepumpe erwärmt wird. Bei dieser Systemart kann auch eine CO₂-Sonde in einer Tiefenbohrung als Kollektor zum Einsatz kommen. Der Vorteil (vom Wirkungsgrad her gesehen) gegenüber der Sole in einer Tiefenbohrung ist die nicht notwendige Energie zum Umwälzen des Mediums im Kollektor.

2-Kreis-System

Sie werden auch Direktsysteme genannt, weil sie auf den separaten Solekreis verzichten. Es entfällt der Wärmeübergang vom Kollektorkreis (Sole) auf den Arbeitskreis der Wärmepumpe. Das Kältemittel nimmt die Wärme direkt auf (Direktverdampfung). Dies bringt einen energetischen Vorteil von wenigstens 5 Grad. Das Entfallen der Solezirkulationspumpe reduziert den Stromverbrauch. Beim Einsatz von Erdspießen als Wärmequelle ist die direkte Verdampfung nicht möglich; es muss ein Solekreis verwendet werden.

1-Kreis-System

Hierbei zirkuliert das Kältemittel in den Rohren der Raumheizung, in der Wärmepumpe und im Kollektor im Garten in einem gemeinsamen geschlossenen Kreis. Der Wärmeübergang auf Wasser als Heizmedium im Haus entfällt somit. Dieses System hat energetische Vorteile, da die Umwälzpumpe und der Temperaturabfall an dem Wärmeübertrager zum Heizkreis entfallen. Das Kältemittel wird in der Regel als Heißgas zu den Kollektoren der Fußbodenheizung geführt und kondensiert in dem Verflüssigersystem. Problematisch an dieser Anordnung sind:

deutlich höhere Kältemittelfüllmengen,
die aufwändige Verrohrung bedingt höhere Wahrscheinlichkeiten von Leckagen,
problematische Ölrückführung aus dem Fußbodenkollektor,
lastabhängige Kältemittelverteilung in dem Gesamtsystem,
schwierige Regelung und gegenseitige Beeinflussung der Fußbodenkollektorflächen.

An die Realisierung dieses Systemtyps trauten sich 2007 nur wenige (etwa zwei bis drei) Hersteller heran, weil er systemtechnisch (Druck und Temperatur des Kältemittels und Laufzeit der Wärmepumpe) schwierig zu steuern war.

Heizwasserverteilung/Zwischenlagerung

Wassertank einer Luft-Wasser-Wärmepumpenheizung in einem Einfamilienhaus

Sollte die von der Wärmepumpe gelieferte Wärme zeitweise nicht ausreichend abgenommen/gebraucht werden, so kann das Warmwasser zwischengelagert werden; dieses geschieht in einem großen wärmeisolierten Tank, einem Pufferspeicher. Dieser Tank fasst i. d. R. mehrere hundert Liter Wasser. Zur Erwärmung zirkuliert nun der Wasserstrom zwischen dem Tank und den Radiatoren bzw. der Fußbodenheizung. Die Wärmepumpe erwärmt das Wasser im Tank.

Verbreitung

Jährlich neu installierte Wärmepumpenheizungen in Deutschland (DE) und Österreich (AT)[39][40][41][42]
Jahr	DE	AT
1995	1.200	5.124
1996	2.300	5.312
1997	3.600	4.957
1998	4.400	4.819
1999	4.800	4.612
2000	5.700	4.795
2001	8.200	5.590
2002	8.300	5.780
2003	9.890	6.935
2004	12.900	7.968
2005	18.900	9.795
2006	44.000	13.180
2007	44.600	15.148
2008	62.500	18.705
2009	54.800	18.138
2010	51.000	16.962
2011	57.000	16.398
2012	59.500	18.861
2013	60.000	19.175
2014	58.000	21.439
2015	57.000	23.014
2016	66.500	22.994
2017	78.000	?
2018	84.000	?
2019	86.000	?
2020	120.000	?

Im Rahmen der Steigerung der Energieeffizienz sowie der Senkung des Energieverbrauchs und der Treibhausgasemissionen spielen Wärmepumpen eine wichtige Rolle in der Energiepolitik der EU. Nicht zuletzt durch Fördermaßnahmen ist ihr Marktanteil im Steigen begriffen. Wichtige Absatzmärkte sind Frankreich, Schweden, Norwegen, Deutschland und Finnland. Im Jahr 2010 wurden in den EU-20 insgesamt gut 750.000 Wärmepumpen installiert, deren Energieeinsparung auf 36,6 TWh beziffert wird.[43]

Deutschland

Der Marktanteil von Wärmepumpenheizungen im Neubau ist sehr landesspezifisch. In Deutschland nimmt der Anteil von Wärmepumpenheizungen im Neubau seit 2000 von geringen Fluktuationen abgesehen stetig zu. Wurden im Jahr 2000 nur 0,8 % aller Neubauten mit Wärmepumpen beheizt, erreichten Wärmepumpen 2006 mit 11,6 % erstmals einen zweistelligen Anteil. 2010 lag ihr Anteil bereits bei 23,6 %; ein Wert, der die nächsten Jahre einigermaßen stabil blieb, 2014 aber wieder auf 19,9 % zurückging. Anschließend stieg er erneut an und erreichte im Jahr 2020 einen Anteil von 33,5 %. Damit lagen Wärmepumpen unmittelbar hinter Gasheizungen mit 33,8 % und vor Fernwärme mit 25,7 % auf Rang zwei der am häufigsten installierten Heizungstechnologien im Neubau. Im gesamten Heizungsbestand ist ihr Anteil mit 2,6 % aber weiterhin überschaubar.[44]

2020 stieg der Absatz an Heizungswärmepumpen in Deutschland laut Bundesverband Wärmepumpe um 40 Prozent auf rund 120.000. Dieser Trend setzt sich auch 2021 fort.[45]

Robert Habeck, Bundesminister für Wirtschaft und Klimaschutz kündigte im Januar 2022 an, dass bis 2030 zwischen vier und sechs Millionen Wärmepumpen in Deutschland vorhanden sein sollen. Dies sei erforderlich, um die bis 2045 beabsichtigte Klimaneutralität zu erreichen.[46]

Österreich

Insgesamt wurden in Österreich von 1975 bis 2005 190.200 Wärmepumpenanlagen errichtet. Die meisten Wärmepumpen jährlich wurden in den Jahren 1986 und 1987 (mit über 13.000 Wärmepumpen pro Jahr) installiert.

Schweiz

In der Schweiz beträgt der Marktanteil bei Neubauten rund 75 %. Die spez. Kosten für die Heizwärme betragen mit einer Erdwärme nutzenden Wärmepumpe 3,9 Rp/kWh. (etwa 3,2 Cent/kWh), während eine konventionelle Ölheizung mit spez. Kosten von 7,9 Rp./kWh (etwa 6,6 Cent/kWh) zu veranschlagen ist. Eine staatliche Förderung ist somit überflüssig.[47] Im Jahr 2017 waren Wärmepumpen in 18,4 % der Haushalte installiert. 17,9 % der Haushalte nutzten die Wärmepumpe als Hauptwärmequelle, 0,5 % als Ergänzung.[48]

Kosten

Direkte Investitionen

Die anfänglichen Investitionen in Wärmepumpenanlagen sind höher als in herkömmliche Kessel, in denen Gas oder Öl verfeuert wird. Dafür entfallen im Neubau Zusatzkosten wie ein Schornsteineinbau. Auch ein Lagerraum für den Brennstoff bei Öl, Pellets oder Holz entfällt.

Wärmepumpenheizungen auf Erdkollektor- bzw. Erdsonden-Basis sind aufgrund ihrer Installation (mehrere Bohrungen bis mind. 50 Meter bzw. großflächiger Bodenaushub) recht kostenintensiv und können wirtschaftlich nur bei einem Neubau Verwendung finden. Speziell Erdkollektoren benötigen relativ große Grundstücke, was in Ballungsgebieten kaum zu verwirklichen ist. Bei kleinen Grundstücksflächen und für den Bestandsbau sind Spiralkollektoren/Erdwärmekörbe eine Alternative, dort zum Beispiel im Zuge einer energetischen Sanierung des alten Gebäudes.

Auch bei Wärmepumpen, die Grundwasser als Energiequelle benutzen, ist der Investitionsaufwand und die Anforderungen an die Grundstücksfläche hoch. In der Regel muss man einen Förderbrunnen und einen Schluckbrunnen (in einem Abstand von mindestens etwa 15 m annähernd in Grundwasserfließrichtung, Tiefe bis ausreichend unter Grundwasserspiegel) sowie die erdverlegte Verbindungsleitung zur Anlage errichten. Die Brunnen werden mit einem Durchmesser von 15 bis 30 cm gebohrt oder bei hohem Grundwasser bis etwa 4 m als Brunnenschacht ausgeführt. Statt des Schluckbrunnens wird auch teilweise nur ein preiswerterer Sickerschacht gebaut, der allerdings die Grundstückswasserhaltung verändert und somit meist nicht zulässig ist. Weiterhin ist eine etwas höhere Pumpleistung der Förderpumpe notwendig, da die Höhenenergie des heraufgepumpten Wassers verloren geht. In einigen Gebieten ist aber die gleichzeitige Nutzung des Grundwassers zur sommerlichen Gartenbewässerung genehmigungsfähig. Die Kosten variieren sehr stark in Abhängigkeit von den baulichen Gegebenheiten. Zusätzlich fallen weitere Kosten für ein Bodengutachten und das Genehmigungsverfahren an.

Geringere Investitionskosten fallen bei Systemen an, die auf Luft-Wasser oder Luft-Luft basieren, denn die Kosten für Anschaffung sowie Installation sind deutlich geringer. Allerdings ist bei Luft-Wasser- oder Luft-Luft-Systemen mit einer erheblich schlechteren Leistungszahl im Winter zu rechnen, wodurch die Betriebskosten höher ausfallen als mit Erdsystemen. Daher eignet sich eine Luft-Wasser-Wärmepumpe gut zum bivalenten Betrieb mit einem bestehenden fossilen Heizsystem, das Spitzenlast und sehr niedrige Außentemperaturen abdeckt.

Als weitere Investition ist bei der Verwendung des günstigeren Heizstroms die Installation eines zweiten Stromzählers zu berücksichtigen, was bei Bestandsgebäuden eine Erweiterung des Stromkastens zur Folge haben kann.

Betriebskosten

Heizöl

Ein Liter Heizöl kostet derzeit um 85 Cent (Stand Oktober 2021)[49], davon 6,5 ct BEHG-CO₂-Preis[50] und beinhaltet etwa 9 bis 10 kWh thermisch nutzbare Energie. Somit ergibt sich ein Preis von etwa 8 bis 9 Cent/kWh für Öl. Öl-Brennwertthermen weisen im Betrieb gemittelte Wirkungsgrade von etwa 90 % auf. Damit ergibt sich für die Erzeugung der Nutzwärme ein Preis von 8,9 bis 10,0 Cent/kWh Wärme. Nicht inbegriffen ist der Energiebedarf der zum Ölbrenner gehörigen Verdichtungspumpe sowie des Gebläses, das das zerstäubte Öl mit Luft mischt.

Erdgas

Der Brennstoffpreis für Erdgas betrug im Juni 2021 bei 20.000 kWh/a Jahresbedarf umgerechnet 6,22 ct je kWh – erstmals inkl. 0,46 ct CO₂-Preis nach BEHG.[51] Allerdings benötigen Gas-Brennwertheizungen mit auf den Heizwert bezogenen Wirkungsgraden von über 100 % laut einer Öko-Institut-Studie[52] dennoch 1,114 kWh Primärenergie pro kWh Nutzenergie. Inbegriffen ist dann ebenfalls der Strom, der zusätzlich für das Abgasgebläse benötigt wird. Sie verursachen daher Kosten in Höhe von etwa 7 Cent/kWh Nutzwärme.

Niedertarifstrom

Bei einem derzeitigen Brutto-Strompreis von 22,5 Cent/kWh (Wärmepumpenstromtarif, Durchschnittspreis 2019, inkl. aller Steuern und Abgaben)[53] und einer Jahresarbeitszahl JAZ der Wärmepumpenheizung von im besten Fall 4,0 kostet die Erzeugung der Nutzwärme mittels Luft-Wasser-Wärmepumpe günstigstenfalls 5,6 Eurocent/kWh (brutto). Weiterhin gibt es Variable Tarife, die u. a. in Abhängigkeit vom aktuellen Stromangebot variieren. Seit Ende 2010 muss jeder Stromanbieter in Deutschland einen solchen Tarif führen. Durch eigengenutzten Photovoltaik-Strom mit (Stromgestehungskosten zwischen 6 und 11 ct/kWh (6/2021))[54] können die Betriebskosten auf 1,5–2,75 Eurocent/kWh reduziert werden.

Die Kosten für den Schornsteinfeger entfallen, wenn kein zusätzlicher Kachelofen o. ä. vorhanden ist.

Der vom Stromversorger angebotene Wärmepumpentarif ist erheblich günstiger als der verwendete Haushaltstarif. Bei wirtschaftlicher Betrachtung müssen die höheren Investitionskosten der Wärmepumpe gegenüber einem Öl- oder Gasbrenner, der angebotene Strompreis für Wärmepumpe und dessen Laufzeiten und die Leistungszahl der Wärmepumpe wie bei jeder Wirtschaftlichkeitsrechnung berücksichtigt werden.

Risiken

Insbesondere die Gewinnung von Erdwärme über Geothermiebohrungen ist mit Risiken behaftet. In Staufen im Breisgau kam es nach Bohrungen für Erdwärmepumpen in den Jahren 2006 und 2007 zu starken Bodenhebungen im historischen Ortskern. Gebäude bekamen Hebungsrisse. Die geschätzte Schadenshöhe sind 50 Mio. Euro. Einige der Bohrungen hatten eine Verbindung zwischen der Grundwasserschicht und der Gipskeuperschicht hergestellt. Beim Eindringen des Wassers in den die Gipskeuperschicht eingelagerten Anhydrit erfolgte eine chemische Reaktion und es entstand Gips. Dies geht mit einer deutlichen Volumenzunahme einher. In der Stadtmitte hob sich der Boden. Ähnliche Fälle traten in Böblingen, Kamen, Rudersberg[55] und Schorndorf[56] auf. Nicht immer hob sich der Boden, teilweise lösten die Bohrungen auch eine Absenkung des Untergrunds aus.[57] Geothermiebohrungen in Basel wurden wegen unerwartet starker, durch die Bohrungen ausgelöster Erdbeben abgebrochen.

Volkswirtschaftliche Bedeutung

Gas- und Ölheizungen bringen aus volkswirtschaftlicher Sicht eine Abhängigkeit vom Ausland, da über 90 % des deutschen Erdgas- und Mineralölverbrauchs importiert werden muss. Zudem sind diese Ressourcen endlich und von zum Teil drastischen Preisschwankungen betroffen. Je nach Leistungszahl der Wärmepumpe sowie Wirkungsgrad und Brennstoff des Grenzkraftwerks verlagert sich der Verbrauch von Heizöl oder Erdgas von der Hausfeuerung hin zu Stein- oder Braunkohle in fossil befeuerten Wärmekraftwerken. Dies reduziert die Abhängigkeit vom Import teurer Energierohstoffe wie Erdöl und Erdgas. Mit zunehmendem Anteil erneuerbaren Energien (Anteil am Strommix 2017: 36 %[58]) sowie dem Bau effizienterer konventioneller Kraftwerke sinkt die Abhängigkeit von Energieimporten auch im Wärmesektor weiter ab.

Darüber hinaus kam eine Studie im Auftrag des Bundeswirtschaftsministeriums zu dem Ergebnis, dass Wärmepumpenheizungen zur besseren Netzintegration der Erneuerbaren Energien, insbesondere von Windenergie, sowie zum dezentralen Lastmanagement im Strommarkt beitragen können.[59] Mit netzdienlichem Betrieb von Wärmepumpen könnte die Netzintegration von fluktuierenden Einspeisern volkswirtschaftlich günstiger gestaltet werden.

In Verbindung mit Photovoltaikanlagen

Im Zusammenspiel mit Photovoltaik am Gebäude kann eine eigene regenerative Energieversorgung bis hin zu einer negativen Jahresenergiebilanz – also einem Stromüberschuss – erreicht werden.[60] Im praktischen Betrieb muss der saisonale Unterschied bei der Stromerzeugung aus Photovoltaik berücksichtigt werden. Insbesondere an kalten und dunklen Wintertagen erzeugen übliche Photovoltaikanlagen von Wohngebäuden nicht genug Energie, um den Tagesbedarf von Haushalt und Wärmepumpe zu decken. In dieser Zeit muss Strom für den Betrieb der Wärmepumpe aus dem öffentlichen Netz bezogen werden. Ein Tag-Nacht-Ausgleich kann in gewissem Maße mittels Speicherung erreicht werden.[61]

Eine Alternative zur Speicherung von Solarstrom in Solarbatterien besteht in der Speicherung der Energie in Wärmespeichern. Dazu wird Solarstrom z. B. mit einer Wärmepumpe verwertet, um Wasser zu erhitzen, welches in einem Wärmespeicher (ähnlich einer Isolierkanne) zwischengepuffert wird. Die so gespeicherte thermische Energie wird anschließend nicht in elektrische Energie zurückverwandelt, sondern je nach Gestaltung des Heizsystems zur Heizung oder zur Warmwasserbereitung genutzt. Mit dem Verfall der PV-Modulpreise ist solch ein System oft kostengünstiger als eine Solarthermieanlage und bietet die Flexibilität, sowohl elektrische als auch thermische Energie nutzen zu können.

Siehe auch

Kältemaschine

Literatur

Valentin Crastan: Elektrische Energieversorgung 2. Springer Verlag, Berlin/ Heidelberg 2012, ISBN 978-3-642-19855-7.
Ernst-Rudolf Schramek (Hrsg.), Hermann Recknagel, Eberhard Sprenger: Taschenbuch für Heizung + Klimatechnik 09/10. Oldenbourg Industrieverlag, München 2008, ISBN 3-8356-3149-7.
Volker Quaschning: Erneuerbare Energien und Klimaschutz. 4. Auflage. Hanser, München 2018, ISBN 978-3-446-45703-4.

Weblinks

Bundesverband WärmePumpe (BWP) e. V.
Wärmepumpen-Marktplatz NRW (Energieagentur NRW)
Stiftung Warentest: Test von Wärmepumpenheizungen
Der BUND zu Wärmepumpenheizungen (PDF, April 2008; 248 kB)
E-Book Ihr Wärmepumpen-Buch (82 Seiten; PDF; 10. Februar 2016; 7,3 MB)

Einzelnachweise

Vgl. Valentin Crastan: Elektrische Energieversorgung 2. 3. Auflage. Berlin/Heidelberg 2012, S. 58.
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Volker Quaschning: Renaissance der Wärmepumpe, erschienen in Sonne Wind & Wärme 09/2006 S. 28–31
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CO2-Wärmepumpe für Passivhäuser. Website der Technischen Universität Braunschweig. Abgerufen am 13. März 2016.
David Fischer, Hatef Madani: On heat pumps in smart grids: A review. In: Renewable and Sustainable Energy Reviews. Band 70, 2017, S. 342–357, doi:10.1016/j.rser.2016.11.182.
Valentin Crastan, Elektrische Energieversorgung 2, Berlin - Heidelberg 2012, S. 303.
Andreas Bloess et al.: Power-to-heat for renewable energy integration: A review of technologies, modeling approaches, and flexibility potentials. In: Applied Energy. Band 212, 2018, S. 1611–1626, doi:10.1016/j.apenergy.2017.12.073.
Iain Staffell, Dan Brett, Nigel Brandon, Adam Hawkes: A review of domestic heat pumps. In: Energy and Environmental Science 5, (2012), 9291–9306, doi:10.1039/c2ee22653g.
Nancy Haegel et al: Terawatt-scale photovoltaics: Transform global energy. In: Science. Band 364, Nr. 6443, 2019, S. 836–838, doi:10.1126/science.aaw1845.
Carvalho et al., Ground source heat pump carbon emissions and primary energy reduction potential for heating in buildings in Europe – Results of a case study in Portugal. In: Renewable and Sustainable Energy Reviews 45, (2015), 755–768, doi:10.1016/j.rser.2015.02.034.
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In der Zukunft zu Hause: Hocheffizient bauen und sanieren, Bayerisches Landesamt für Umwelt, Augsburg, November 2019

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[1] Vgl. Valentin Crastan: Elektrische Energieversorgung 2. 3. Auflage. Berlin/Heidelberg 2012, S. 58.

[2] Volker Quaschning: Regenerative Energiesysteme. Technologie – Berechnung – Simulation. 8., aktualisierte Auflage. München 2013, S. 339.

[3] Volker Quaschning: Renaissance der Wärmepumpe, erschienen in Sonne Wind & Wärme 09/2006 S. 28–31

[dbu-abschluss-4] Wärmeversorgungssystem mit CO₂-Wärmepumpe (PDF; 4,1 MB). Internetseite des Instituts für Thermodynamik, Technische Universität Braunschweig. Abgerufen am 8. März 2012.

[5] CO2-Wärmepumpe für Passivhäuser. Website der Technischen Universität Braunschweig. Abgerufen am 13. März 2016.

[6] David Fischer, Hatef Madani: On heat pumps in smart grids: A review. In: Renewable and Sustainable Energy Reviews. Band 70, 2017, S. 342–357, doi:10.1016/j.rser.2016.11.182.

[7] Valentin Crastan, Elektrische Energieversorgung 2, Berlin - Heidelberg 2012, S. 303.

[8] Andreas Bloess et al.: Power-to-heat for renewable energy integration: A review of technologies, modeling approaches, and flexibility potentials. In: Applied Energy. Band 212, 2018, S. 1611–1626, doi:10.1016/j.apenergy.2017.12.073.

[9] Iain Staffell, Dan Brett, Nigel Brandon, Adam Hawkes: A review of domestic heat pumps. In: Energy and Environmental Science 5, (2012), 9291–9306, doi:10.1039/c2ee22653g.

[Haegel_2019-10] Nancy Haegel et al: Terawatt-scale photovoltaics: Transform global energy. In: Science. Band 364, Nr. 6443, 2019, S. 836–838, doi:10.1126/science.aaw1845.

[11] Carvalho et al., Ground source heat pump carbon emissions and primary energy reduction potential for heating in buildings in Europe – Results of a case study in Portugal. In: Renewable and Sustainable Energy Reviews 45, (2015), 755–768, doi:10.1016/j.rser.2015.02.034.

[12] Florian Knobloch et al.: Net emission reductions from electric cars and heat pumps in 59 world regions over time. In: Nature Sustainability. Band 3, 2020, S. 437–447, doi:10.1038/s41893-020-0488-7.

[13] Energiewirtschaftliche Bewertung der Wärmepumpe in der Gebäudeheizung. Studie im Auftrag des Bundesverbandes Wärmepumpe e. V. Abgerufen am 3. Februar 2022.

[14] Viktor Wesselak, Thomas Schabbach, Thomas Link, Joachim Fischer: Handbuch Regenerative Energietechnik. Berlin/Heidelberg 2017, S. 73.

[15] Matthias Günther: Energieeffizienz durch Erneuerbare Energien. Möglichkeiten, Potenziale, Systeme. Wiesbaden 2015, S. 111.

[16] Die klassische Dreiteilung spiegelt sich u. a. im Logo der European Heat Pump Association wider (Hellblau, Dunkelblau, Braun für Luft, Wasser und Erde): Website der European Heat Pump Association, abgerufen am 23. Oktober 2012.

[17] Energie aus Kanalabwasser – Leitfaden für Ingenieure (Memento vom 8. August 2014 im Internet Archive), abgerufen am 23. Oktober 2012.

[18] Website des Forschungsprojektes „Task 44 – Solar and Heat Pump Systems“, abgerufen am 23. Oktober 2012.

[19] Rasmus Lund, Urban Persson: Mapping of potential heat sources for heat pumps for district heating in Denmark. In: Energy. 2016, doi:10.1016/j.energy.2015.12.127.

[20] Zusammenhang der Berechnung der Jahresarbeitszahl (JAZ) von Wärmepumpenanlagen (WPAnlagen). (Memento vom 12. April 2010 im Internet Archive)

[21] Wartungsarbeiten einer Erdwärmepumpe Abgerufen am 27. Juli 2021

[22] Eine lokale Energiequelle, die es zu fassen gilt (Memento vom 12. Oktober 2013 im Internet Archive), bei geothermie.ch

[23] Warmwasser Furkatunnel. Ein Projekt der Gemeinde Obergoms (Oberwald): Wärme aus dem Furkatunnel

[24] Erdwärme aus Tunnel „heizt“ Schule in Penzing

[25] GeoTU6, Universität Stuttgart (Memento vom 12. Oktober 2013 im Internet Archive)

[26] Leonie Seng: Wärme und Kälte aus dem Tunnel, Stuttgarter Zeitung, Wissenschaft.

[27] Schweizerische Vereinigung für Geothermie (Memento vom 12. Oktober 2013 im Internet Archive)

[28] Die Batterie im Bodensee. In: Stuttgarter Nachrichten, 5. August 2014. Abgerufen am 23. August 2014.

[Independent-29] Exclusive: Renewable energy from rivers and lakes could replace gas in homes . In: The Independent, 23. März 2014. Abgerufen am 23. August 2014.

[30] Wärme aus dem Bodensee (Memento vom 23. August 2016 im Internet Archive). In: Zeitschrift für kommunale Wirtschaft, 24. Mai 2016. Abgerufen am 28. Mai 2016.

[31] Wärme aus Abwasser. Heizen aus dem Gully. In: Frankfurter Allgemeine Zeitung, 17. Juli 2013. Abgerufen am 18. Juli 2013.

[Buffa-32] Simone Buffa et al.: 5th generation district heating and cooling systems: A review of existing cases in Europe. In: Renewable and Sustainable Energy Reviews. Band 104, 2019, S. 504–522, doi:10.1016/j.rser.2018.12.059.

[34] BOOSTHEAT 2.0 Die Boostheat-Technologie Webseite des Herstellers boostheat. Abgerufen am 29. September 2019

[35] ttp://www.solarserver.de/solar-magazin/aus-den-unternehmen/solar-innovationen/solare-waermepumpen-heizung-mit-eisspeicher-fuer-die-energiewende-im-eigenheim.html

[36] Innovationsförderung – Wärmepumpen mit verbesserter Systemeffizienz, bafa.de

[37] trix Energiesysteme GmbH: Langzeitenergiespeicher eTank (Memento vom 28. Januar 2016 im Internet Archive)

[Stiebel-Eltron-38] Betriebsarten von Wärmepumpen. Abgerufen am 29. März 2018.

[39] Absatz von Heizungswärmepumpen in Deutschland in den Jahren 2010 bis 2020. Statista. Abgerufen am 22. Februar 2021.

[40] wp: Bundesverband Wärmepumpe e.V.

[41] Stiebel-Eltron (Deutschland)

[42] vit: Innovative Energietechnologien in Österreich – Marktentwicklung 2016; Dr. Peter Biermayr, zuvor Dr. Gerhard Faninger (Österreich)

[43] A. Arteconi, N.J. Hewitt, F. Polonara: Domestic demand-side management (DSM): Role of heat pumps and thermal energy storage (TES) systems. Applied Thermal Engineering 51, (2013), 155–165, S. 156, doi:10.1016/j.applthermaleng.2012.09.023.

[44] Energieverbrauch in Deutschland. Daten für das 1. bis 4. Quartal 2020. AG Energiebilanzen. Abgerufen am 23. Februar 2021.

[stn-2021-10-07-45] Jürgen Bock: Sechs Jahre Streit über die Heizung. In: Stuttgarter Nachrichten. Band 76, 7. Oktober 2021, S. 3.

[46] Habeck kündigt "Wärmepumpen-Rollout" an. In: waermepumpe.de. Bundesverband Wärmepumpe, 11. Januar 2022, abgerufen am 15. Januar 2022.

[47] Daniel Hug: Hochdruck bei den Wärmepumpen. In: NZZ am Sonntag. 15. Juli 2007, S. 29.

[48] Energiebereich: Heizsystem und Energieträger. In: admin.ch. Bundesamt für Statistik, abgerufen am 29. November 2020.

[49] ttps://de.statista.com/statistik/daten/studie/1692/umfrage/preis-fuer-einen-liter-leichtes-heizoel-monatsdurchschnittswerte/

[50] ttps://www.ihk-ostbrandenburg.de/zielgruppeneinstieg-unternehmer/energie/auswirkungen-der-co2-bepreisung-4759348

[51] ttps://www.bdew.de/service/daten-und-grafiken/bdew-gaspreisanalyse/

[52] Dietlinde Quack: Gas-Brennwertheizkessel als EcoTopTen-Produkt. (Memento vom 30. Juni 2006 im Internet Archive) (PDF; 364 kB) Freiburg, Dezember 2004.

[53] ttps://www.waermepumpe.de/politik/energiepreise/

[54] ttps://www.pv-magazine.de/2021/06/22/fraunhofer-ise-stromgestehungskosten-fuer-grosse-photovoltaik-anlagen-auf-bis-zu-312-cent-pro-kilowattstunde-gesunken/

[55] Bericht über Erdwärme-Schäden in Rudersberg. (Nicht mehr online verfügbar.) Archiviert vom Original am 16. September 2016; abgerufen am 15. September 2016.

[56] Schäden an einer Schule und mehr als zehn Häusern in Schorndorf nach Erdwärmebohrungen. Abgerufen am 15. September 2016.

[57] Wärmepumpen: Sind die Risiken durch Geothermiebohrungen heute beherrschbar? Abgerufen am 15. September 2016.

[58] Umweltbundesamt: Zeitreihen zur Entwicklung der erneuerbaren Energienin Deutschland. (PDF) Umweltbundesamt Fachgebiet I 2.5 Energieversorgung und -daten, Geschäftsstelle der Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat), Dezember 2018, abgerufen am 16. Februar 2019.

[59] Potenziale der Wärmepumpe zum Lastmanagement im Strommarkt und zur Netzintegration erneuerbarer Energien (Memento vom 24. Dezember 2012 im Internet Archive) (PDF; 1,7 MB). Studie von Ecofys Germany GmbH und Prognos AG im Auftrag des BMWi. Abgerufen am 7. Dezember 2011.

[60] Wege zum Effizienzhaus Plus. Grundlagen und Beispiele für energieerzeugende Gebäude, Bundesministerium des Innern, für Bau und Heimat, Berlin, November 2018

[61] In der Zukunft zu Hause: Hocheffizient bauen und sanieren, Bayerisches Landesamt für Umwelt, Augsburg, November 2019