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Energie aus der Umwelt

Mithilfe einer Wärmepumpe lässt sich die Energie, die im Erdreich, im Wasser oder in der Luft gespeichert ist, in Heizwärme umwandeln. Zusätzlich ist es damit möglich, die Warmwasserversorgung sicherzustellen. Energie in der Umwelt ist permanent verfügbar. Es kommt nur darauf an, sie richtig zu nutzen.

Wärmepumpe
So unscheinbar kann eine Luft-Wärmepumpe aussehen.

Wie eine Wärmepumpe funktioniert

Eine Wärmepumpe kann die Energie, die in der Umwelt überall vorhanden ist, in Wärme umwandeln und so für uns Menschen nutzbar machen. Die Wärmepumpe enthält ein Kältemittel, dem mit einem Wärmeüberträger – dem sogenannten Verdampfer – die Energie aus Wasser, Erdreich, Außenluft und Abluft zugeführt wird. Mithilfe eines Verdichters erhöht die Wärmepumpe das Temperaturniveau.

Smartphone-App für Wärmpumpensteuerung
Moderne Wärmepumpen lassen sich mit dem Smartphone steuern.
Anschließend ist die so erzeugte Wärme über einen anderen Wärmeüberträger – dem sogenannten Verflüssiger – nutzbar, um im Heizsystem oder bei der Warmwasserbereitung die gewünschten Temperaturen zu liefern. Das Grundprinzip ist ganz einfach: Die Wärmepumpe entzieht der Umwelt die dort im Erdreich, in der Luft oder im Grundwasser gespeicherte Energie, um sie dann als Wärme in das Heizsystem am Haus einzuspeisen. Der Bundesverband Wärmepumpe e.V. erklärt die Funktionsweise als „umgekehrtes Prinzip eines Kühlschranks“.

Betriebsarten von Wärmepumpen

Bei Wärmepumpen lassen sich mehrere Betriebsarten unterscheiden.

Monovalent

Bei der monovalenten Betriebsart ist die Wärmepumpe der einzige Wärmeerzeuger im Gebäude. Sie ist geeignet für Niedertemperaturheizungen, deren Vorlauftemperaturen höchstens 55 Grad Celsius betragen.

Monoenergetisch

Bei dieser Betriebsart unterstützt eine elektrische Zusatzheizung die Elektrowärmepumpe. Sie kommt vor allem bei Luft-Wasser-Wärmepumpen zum Einsatz. So ist gewährleistet, dass auch bei tieferen Außentemperaturen ausreichend Heizleistung vorhanden ist. Im Temperaturbereich bis minus sieben Grad Celsius kann die Wärmepumpe als alleiniger Wärmeerzeuger arbeiten. Das bedeutet, dass die Wärmepumpe die meiste Zeit den Wärmebedarf abdecken kann. Für die wenigen Stunden unterhalb dieses Temperaturbereichs ist es aus Investitions- und aus Effizienzsicht sinnvoll, eine Zusatzheizung unterstützend einzusetzen.

Bivalent-alternativ

Ein bivalent-alternatives System arbeitet bis zu einer bestimmten, vorher festgelegten Außentemperatur und liefert die gesamte Wärme für das Haus. Diese Temperatur kann beispielsweise bei minus einem Grad Celsius liegen. Wenn die Außentemperatur weiter sinkt, schaltet sich die Wärmepumpe aus. Die bereitgestellte Anlage übernimmt dann die Heizung.

Bivalent-parallel

Bei einem bivalent-parallelen System gibt es zwei Grenztemperaturen. Dabei arbeitet die Wärmepumpe bis zu einer bestimmten Temperatur alleine. Sinkt die Temperatur unter die erste Temperaturgrenze, schaltet sich ein alternativer Wärmeerzeuger hinzu. Wenn die Temperatur weiter sinkt und auch den zweiten Grenzwert unterschreitet, übernimmt der alternative Wärmeerzeuger die Wärmeversorgung vollständig, weil die Wärmepumpe sich vollständig abschaltet. Im Gegensatz zur bivalent-alternativen Betriebsart ist die Jahresleistung der Wärmepumpe deutlich höher.

Weitere Informationen dazu hat der Hersteller Stiebel Eltron auf seiner Seite zusammengefasst. Dort gibt es auch Beispiele für entsprechende Wärmepumpen für die unterschiedlichen Betriebsarten.

Die verschiedenen Wärmequellen

Luft als Wärmequelle

Die Sonne erwärmt die Luft überall, sogar im Winter. In der Zeit, in der am meisten Heizwärme notwendig ist, ist die Wärmequelle Luft sehr kalt. Dennoch können Wärmepumpen bei einer Außentemperatur von minus 20 Grad Celsius noch Energie für die Heizung liefern. Der Vorteil einer Luft-Wasser-Wärmepumpe liegt darin, dass weder Brunnenbohrungen noch andere umfangreiche Erdarbeiten notwendig sind, wie sie beispielsweise für Sole-Wasserpumpen, die die Energie aus dem Erdreich beziehen, notwendig sind.

Grundwasser als Wärmequelle

Das Grundwasser kann sehr gut die Sonnenwärme speichern. Sie beträgt zwischen plus sieben und plus 12 Grad Celsius, und zwar auch an kalten Wintertagen. Das konstante Temperaturniveau macht es möglich, dass die Wärmepumpe das ganze Jahr über nahezu die gleiche Leistungszahl hat. Allerdings steht Grundwasser nicht überall in ausreichender Menge und/oder Qualität zur Verfügung. Wo es möglich ist, stellt die Wärmequelle Grundwasser eine lohnende Energiequelle dar. Damit diese Wärme nutzbar wird, sind Saug- und Schluckbrunnen notwendig. Wer in Deutschland das Grundwasser nutzen möchte, braucht eine Genehmigung der zuständigen Wasserbehörde. Dort gibt es auch weitere Informationen zu den lokalen Bestimmungen.

Farbige Thermalquelle
Nicht nur in Bereichen mit Thermalquellen ist Erdwärme vorhanden.
Der Boden als Wärmequelle

Auch das Erdreich bleibt in Mitteleuropa selbst an kalten Wintertagen so warm, dass es wirtschaftlich ist, eine Wärmepumpe zu betreiben. Dabei ist es nicht notwendig, dass es in der Nähe Thermalquellen gibt. Dazu sind Bohrungen zu einer Tiefe von 1,20 bis 1,50 Metern erforderlich. Sole-Wasser-Wärmepumpen unterliegen auch bei Minusgraden keinen Leistungsschwankungen. Mittels unterirdischer Rohrleitungen, in denen sich ein umweltfreundliches Solegemisch befindet, nehmen sie die Wärme auf und leiten sie an den Verdampfer der Wärmepumpe weiter. Bei den Sole-Wasser-Wärmepumpen gibt es zwei Arten der Installation. Das Rohrleitungssystem, das für diese Heizart notwendig ist, kann entweder mithilfe einer Tiefenbohrung vertikal im Boden installiert sein oder es wird horizontal verlegt. Die vertikal verlegten Rohre haben einen geringen Platzbedarf, müssen jedoch tiefe Bohrlöcher haben. Bei der vertikalen Verlegung sind keine Bohrungen notwendig. Allerdings brauchen die horizontal verlegten Erdkollektoren circa zwei- bis viermal so viel Erdreich wie die zu beheizende Wohnfläche groß ist. Wer ein ausreichend großes Grundstück hat, kann sich damit eine unerschöpfliche Energiereserve schaffen, die zudem nahezu wartungsfrei ist.

Neubau oder Altbausanierung – welche Wärmepumpe passt?

Wärmepumpen arbeiten sehr effizient und CO2-neutral. Diese Technologie wird weiterhin aktuell sein. Grundsätzlich lässt sich eine Wärmepumpe bei jedem Gebäude einsetzen: beim besonders energieeffizienten Neubau genauso wie bei einem energetisch sanierten Altbau oder einem unsanierten Einfamilienhaus. Lösungen gibt es für Gebäude in fast jeder Dimension. Das Umweltbundesamt sieht Wärmepumpen ebenfalls als energieeffiziente Alternative in der Heiztechnik. Dabei sind allerdings eine gründliche Planung und die richtige Auswahl der Wärmepumpe wichtig, denn die billigste Lösung ist am Ende nicht immer preiswert.

Innen oder außen aufgestellte Wärmepumpen – wo liegt der Unterschied?

Luftwärmepumpen lassen sich sowohl innen wie auch außen installieren. Die außen aufgestellten Lösungen sind insbesondere bei Neubauten die günstigere Variante. In eng bebauten Neubaugebieten kann eine innen aufgestellte Lösung allerdings besser sein. Sie gewährleistet eine geringe Geräuschemission nach außen. Außerdem braucht sie außerhalb des Gebäudes keinen Platz und beeinflusst die Optik des Gebäudes nicht. Das kann zum Beispiel bei denkmalgeschützten Häusern ein großer Vorteil sein. Sole-Wasser-Wärmepumpen sind immer innen aufgestellt. Sie sind besonders bei einem Neubau sehr effizient.

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