Wärmepumpenarten - Der Wärmepumpen-Vergleich

Splitanlage einer Luftwärmepumpe im Garten
4.9
Aktualisiert am 14.02.2018
Die Wärmepumpe bringt Wärme ins Haus – und das aus Energiequellen, die im Alltag gar nicht unbedingt als solche wahrgenommen werden. Doch welche Quellen genau sind das? Welche Wärmepumpenarten lassen sich darüber definieren? Und welche Vor- und Nachteile ergeben sich für diese Arten in einem Wärmepumpen-Vergleich? Schwierige Fragen, die eine Antwort verdienen! Wir sehen uns die einzelnen Wärmepumpenarten etwas genauer an und erklären zudem die unterschiedlichen Wege der Klassifizierung.

1. Klassifizierung nach Wärmeträger

  • Splitgerät einer Luftwärmepumpe im Winterschnee
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    © Bundesverband Wärmepumpe | Bei eisigen Außentemperaturen unter -5 bis -8 Grad wird es langsam ungemütlich für Luftwärmepumpen. Nicht nur,…
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Im ersten Teil dieser Serie, dem Artikel Die Wärmepumpe: Funktion und Nutzen, wurde gezeigt, wie eine Wärmepumpe grundlegend arbeitet und auf welche Weise dabei der Wärmekreislauf abläuft, in den sie integriert ist. Dabei wurde auch festgestellt, dass die Wärmepumpe nur Teil eines Systems ist, das in der Regel aus drei Kreisläufen besteht: dem Wärmequellenkreislauf, dem Wärmepumpenkreislauf und dem Wärmenutzungskreislauf.

Als komplettes System, das alle drei Kreisläufe umfasst, lassen sich die Wärmepumpenarten hierbei durch die Art der Wärmeträger klassifizieren, zwischen denen sie vermitteln. So wie die Wärmepumpe auf ein Kältemittel wie FKW (Fluorkohlenwasserstoff) angewiesen ist, um ihren Kreislauf zu betreiben, benötigen auch Wärmequellen- und Wärmenutzungskreislauf ein entsprechendes, wärmespeicherndes Trägermedium. Im gewöhnlichen Fall einer Luftwärmepumpe wird z.B. die eingesogene Außenluft um den Verdampfer geleitet und wieder abgeführt. Die aufbereitete Wärme wird danach von der Wärmepumpe an einen Heizwasserkreislauf abgegeben. Man spricht in diesem Fall von einer Luft-Wasser-Wärmepumpe. Bei Erdwärmepumpen dagegen wird die Energie dem Erdboden durch ein Rohrsystem entzogen, das mit einem durch Frostschutzmittel versetzten Wassergemisch, auch Sole genannt, befüllt ist. So gelangt sie dann zur Wärmepumpe. Wird die Wärme wiederum an einen Heizwasserkreislauf weitergereicht, lässt sich hier von einer Sole-Wasser-Wärmepumpe sprechen. Liegt eine Grundwasserwärmepumpe vor, so wird Wärmeenergie vom Grundwasser direkt an die Wärmepumpe übertragen. Hier handelt es sich um eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe.

Hinweis: In Passivhäusern wird das Konzept der Wärmepumpe gerne mit dem Belüftungssystem verknüpft. Hierbei wird die zugeführte Frischluft vor der Verteilung im Haus über einen Plattenwärmetauscher mit Wärme aus der Abluft aufgeheizt. Man spricht von einer Luft-Luft-Wärmepumpe. Die vergleichsweise geringe Heizleistung dieser Art von Wärmepumpe ist aber nur bei einer optimalen Dämmung effektiv.

2. Klassifizierung nach Wärmequelle

Die eigentlichen Wärmequellen der Wärmepumpe wurden bislang noch recht stiefmütterlich behandelt – zu Unrecht! Denn ihre ungewöhnlichen Wärmequellen verleihen der Wärmepumpe nicht nur ihre Daseinsberechtigung, sondern stehen auch Pate für die am weitesten verbreitete Klassifizierung, die auch hier schon regelmäßig verwendet wurde. So wird im Allgemeinen zu Unterscheidungszwecken immer zuerst von einer Luftwärmepumpe, einer Erdwärmepumpe oder einer (Grund-)Wasserwärmepumpe gesprochen. In einem Wärmepumpen-Vergleich bringt jede dieser Arten ihre ganz spezifischen Vorzüge und Nachteile mit sich. Deshalb lohnt es sich, die Wärmequellen noch einmal genauer zu betrachten.

Luftwärmepumpen

  • Aufbau einer Luftwärmepumpe
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    © Bundesverband Wärmepumpe | Das sogenannte Splitgerät einer Luftwärmepumpe zieht Außenluft ein und führt sie am Verdampfer der Wärmepumpe…
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Die sogenannten Luftwärmepumpen sind die am weitesten verbreitete Art von Wärmepumpe, denn sie stellen auch die mit Abstand günstigsten Modelle dar. Das liegt vornehmlich daran, dass zu ihrer Konstruktion keine Erdarbeiten erforderlich sind. Als Wärmequelle nutzen sie die Außenluft, aus der sie selbst bei 0 Grad Außentemperatur noch einige Grad an Wärme gewinnen können. Dazu wird im Garten eine Ansaugvorrichtung aufgestellt, die einem Klimagerät ähnelt. Dieser Außenaufbau ist zugleich das Markenzeichen der Luftwärmepumpe. Über einen Ventilator wird die Außenluft angesaugt und am Verdampfer der Pumpe vorbei geleitet. Dabei gibt die Luft Wärmeenergie an das Kältemittel der Wärmepumpe ab. Anschließend wird die abgekühlte Luft wieder herausgeblasen. Die gewonnene Wärme dagegen wird von der Wärmepumpe aufbereitet und an den Heizkreislauf weitergeleitet.

Die Luftwärmepumpe ist unschlagbar, wenn es um den Preis geht, und dank ihrer wenig aufwändigen Bauweise auch für eine kurzentschlossene Nachrüstung geeignet. Allerdings kann der Ventilator im Garten eine durchaus wahrnehmbare Geräuschkulisse erzeugen, die empfindlichen Naturen weniger gefallen dürfte. Außerdem stellen einige Wärmepumpen bereits bei -8 Grad Celsius den Betrieb ein; auch wenn andere Hersteller sich mit Betriebstemperaturen bis -20 Grad rühmen. In der Regel bedarf es aber mit Rücksicht auf strengere Winter eines sekundären Heizsystems, um den durchgängigen Heizbetrieb sicherzustellen. Zudem sollten die Lamellenwärmeüberträger über Enteisungsmaßnahmen verfügen, damit sie optimal arbeiten können. Hier lauern weitere Verbraucher mit zusätzlicher Leistung!

Erdwärmepumpen

  • Aufbau einer Erdwärmepumpe mit Erdsonde
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    © Bundesverband Wärmepumpe | Erdwärmepumpen setzen zur Wärmegewinnung entweder auf ein oberflächennahes, horizontales Rohrsystem oder, wie…
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Erdwärmepumpen beziehen ihre Wärmeenergie aus dem Erdboden, entweder aus Schichten ca. 1 Meter unterhalb der Erdoberfläche oder aus Tiefen zwischen 100-300 m. Die Erdtemperatur beträgt in Bodenlagen zwischen 10 und 100 Meter gerade einmal rund 10 Grad, an der Oberfläche gleicht sie sich dagegen stärker der Außenluft an. Während also die Temperatur tiefer im Boden relativ kühl ist, aber konstant bleibt, warten oberflächennah die größeren Erträge. Diese können im tiefsten Winter aber auch einmal abfallen.

Oberflächennahe Erdschichten werden durch Flächenkollektoren angezapft; ein planes Rohrsystem, das über mehrere Quadratmeter Gartenfläche knapp unterhalb der Frostgrenze eingegraben wird. Ein großes Grundstück ist hier Pflicht, um wirtschaftliche Erträge erzielen zu können. Denn für einen rentablen Einsatz werden durchschnittlich 40 qm² Nutzfläche pro kW Heizleistung veranschlagt. Im Regelfall sollte die Gesamtnutzfläche dabei dem Ein- bis Zweifachen der Wohnfläche entsprechen. Auch dürfen diese Flächen nicht überbaut oder betoniert sein, da sonst keine Wärmeregeneration stattfindet. Alternativ werden sogenannte Erdwärmesonden vertikal im Boden versenkt, um die Wärmegewinnung in tieferen Erdschichten zu betreiben. Über einen Solekreislauf wird hier Erdwärme aufgenommen und an den Verdampfer der Wärmepumpe weitergeleitet. Beide Möglichkeiten der Erdwärmegewinnung erfordern massive Erd- bzw. Ausschachtarbeiten und sind daher mitsamt der verbauten Technik nicht mehr sehr preiswert. Dafür laufen sie zuverlässig und bieten auch bei tiefen Außentemperaturen ausreichend Wärmegewinn für das Heizsystem. Die Grabungen für Erdwärmepumpen sind anzeigepflichtig bzw. im Falle von Erdsonden sogar genehmigungspflichtig. In Wasserschutzgebieten ist das Platzieren von Erdsonden in der Regel verboten.

Grundwasserwärmepumpen

  • Aufbau einer Grundwasserwärmepumpe
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    © Bundesverband Wärmepumpe | Eine Grundwasserwärmepumpe benötigt in der Regel zwei Brunnenanlagen, damit sie das Grundwasser als…
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Wasserwärmepumpen arbeiten als Wärmequelle mit dem Grundwasser, das sie zur Anlage heranpumpen und dem sie einige Grad an Wärme entziehen. Da das Grundwasser eine konstante Temperatur zwischen ca. 8-12 Grad – je nach geographischer Lage – aufweist, funktioniert der Energiegewinn bei Wasserwärmepumpen ebenso störungsfrei wie bei Erdwärmepumpen. Pro kW Heizleistung ist allerdings ein Durchstrom von 200 l/h Voraussetzung. Schwache Grundwasservorkommen eignen sich hierfür also nicht. Zudem darf das Wasser nicht zu eisenhaltig sein, da sonst stets eine Verschlammung des Pumpensystems droht. In Sachen Effizienz stehen Grundwasserwärmepumpen bei einem Wärmepumpen-Vergleich allerdings noch besser da als Erdwärmepumpen. Mit Brunnenanlagen und zusätzlichen Antriebsmodulen gehören sie jedoch auch zu den teuersten Einrichtungen im Segment der Wärmepumpen.

Denn auch in diesem Fall sind zunächst massive und genehmigungspflichtige Konstruktionsarbeiten im Erdboden zu verrichten, die eigentlich nur bei sofortiger Berücksichtigung im Falle eines Hausneubaus realisiert werden können. Die Anlage erfordert zwei Brunnenschächte, die bis 2 m unter den tiefsten saisonalen Wasserpegel reichen müssen. Über einen Förderbrunnen wird das Grundwasser zunächst abgeschöpft und per separatem Kreislauf am Verdampfer der Wärmepumpe entlang geführt. Danach fällt es über einen Sickerschacht oder auch einen Schluckbrunnen wieder auf Grundwasserniveau herab. Durch die Leistungsaufnahme der Wasserpumpe im Förderbrunnen ist bei einer solchen Anlage ein höherer Gesamtverbrauch des Systems zu veranschlagen, was sich negativ auf die Energiebilanz auswirkt. Liegt das Grundwasser tiefer als 15 m, zahlt sich das für die Energiebilanz nur noch selten aus. Dafür handelt es sich bei der Grundwasserwärmepumpe ein zuverlässiges System, das ausreichend Wärmeertrag bringt, um monovalent arbeiten zu können. Doch Moment! Was bedeutet das?

3. Klassifizierung nach Betriebsart

  • Erdbohrungen für eine Tiefensonde
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    © Bundesverband Wärmepumpe | Für die Einrichtung einer Erdwärmepumpe sind massive Erdarbeiten und Bohrungen zu verrichten. Das wirkt sich…
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Als dritte Klassifizierung der Wärmepumpensysteme hat sich der Blick auf die im Einsatz verwendeten Betriebsmittel etabliert. Hier wird zwischen monovalent, bivalent und monoenergetisch unterschieden. Die Frage, ob die Wärmepumpe monovalent oder bivalent arbeitet, hängt dabei einzig von dem Umstand ab, ob das Heizsystem allein von der Wärmepumpe versorgt werden kann oder nicht. Eine Wasserwärmepumpe z.B. kann aufgrund des ganzjährig möglichen, konstanten Wärmegewinns aus dem Grundwasser den Wärmebedarf einer Flächenheizung ohne Unterbrechung versorgen. Das Heizsystem arbeitet daher monovalent. Systeme, die mit Luftwärmepumpen laufen, benötigen dagegen oftmals eine zweite Wärmequelle, wie z.B. einen Heizstab, um den Betrieb auch bei Tiefsttemperaturen zu garantieren. Heizsysteme, in denen die Wärmepumpe einen Partner braucht, sind daher bivalent.

Dass Wärmepumpen auch Verbraucher sind, wurde bereits festgestellt. Doch auch dieser Umstand trägt zur Klassifizierung bei. Denn nur, wenn das Wärmepumpensystem dabei auf einen einzigen bestimmten Energieträger zurückgreift, ist das System als monoenergetisch zu bezeichnen. Da die meisten Kompressoren mit elektrischem Strom gespeist werden, ist diese Voraussetzung in der Regel erfüllt. Allerdings kommen bei größeren Anlagen durchaus auch Verbrennungsmotoren als Kompressor-Antrieb zum Einsatz. Hier werden Öl oder Gas als Energiequelle eingesetzt. Das System ist damit nicht mehr monoenergetisch und die Umweltbilanz wird negativ beeinflusst.

Wärmepumpen-Vergleich

Der Wärmepumpen-Vergleich listet noch einmal die Eigenschaften, aber auch Vor- und Nachteile der drei maßgeblichen Wärmepumpenarten im Überblick auf. Im nächsten Teil dieser Serie werfen wir dann einen Blick darauf, was das für die Energiebilanz bedeutet.

 

Außenluft

Erdwärme (Fläche)

Erdwärme (Tiefe)

Grundwasser

Wärmeträger

Luft/ Luft

Luft/ Wasser

Direktverdampfer/ Wasser

Sole/ Wasser

Sole/ Wasser

Wasser/ Wasser

Betriebsmittel

Luftanlage

Flachkollektor

Tiefensonde

Grundwasserpumpe

Betriebsart

bivalent

monoenergetisch

monovalent

monovalent

monovalent

Nutzbedarf pro kW Heizleistung

350 m³/h

40 m²

25 m

200 l/h

Investitionskosten

niedrig

mittel

hoch

sehr hoch

Betriebskosten

hoch

mittel

mittel

niedrig

ganzjähriger Einsatz

bedingt

ja

ja

ja

amtl. Bedingungen

Anzeige

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Genehmigung

Genehmigung

Quelle: Heinrich Huber, u.a., Wärmepumpen zur energieeffizienten Wärmeversorgung, Wien 2014.

Die Wärmepumpe bringt Wärme ins Haus – und das aus Energiequellen, die im Alltag gar nicht unbedingt als solche wahrgenommen werden. Doch welche Quellen genau sind das? Welche Wärmepumpenarten lassen sich darüber definieren? Und welche Vor- und Nachteile ergeben sich für diese Arten in einem Wärmepumpen-Vergleich? Schwierige Fragen, die eine Antwort verdienen! Wir sehen uns die einzelnen Wärmepumpenarten etwas genauer an und erklären zudem die unterschiedlichen Wege der Klassifizierung.
  • Splitgerät einer Luftwärmepumpe im Winterschnee
    © Bundesverband Wärmepumpe | Bei eisigen Außentemperaturen unter -5 bis -8 Grad wird es langsam ungemütlich für Luftwärmepumpen. Nicht nur, weil die Lamellenwärmeüberträger durch Vereisen weniger effizient arbeiten. Auch fällt es der Wärmepumpe immer schwerer, die erforderliche Wärme aus der kalten Luft zu gewinnen. Für solche Situationen ist ein sekundäres Heizsystem oftmals Pflicht.
  • Aufbau einer Luftwärmepumpe
    © Bundesverband Wärmepumpe | Das sogenannte Splitgerät einer Luftwärmepumpe zieht Außenluft ein und führt sie am Verdampfer der Wärmepumpe entlang. Anschließend wird die kühlere Luft wieder herausgeblasen. Bei dieser mechanischen Arbeit kann eine störende Geräuschkulisse entstehen. Im Vergleich ist das System aber unschlagbar günstig in der Anschaffung und auch für Nachrüstungen geeignet.
  • Aufbau einer Erdwärmepumpe mit Erdsonde
    © Bundesverband Wärmepumpe | Erdwärmepumpen setzen zur Wärmegewinnung entweder auf ein oberflächennahes, horizontales Rohrsystem oder, wie in diesem Fall, auf senkrecht versenkte Tiefensonden. Bei letzteren gilt, dass höhere Effizienz durch wenige längere Sonden, nicht aber durch viele kurze Sonden erreicht wird. Bis 100 m unter der Oberfläche beträgt die Erdtemperatur konstant um die 10 Grad. Darunter steigt sie sogar tendenziell wieder an.
  • Aufbau einer Grundwasserwärmepumpe
    © Bundesverband Wärmepumpe | Eine Grundwasserwärmepumpe benötigt in der Regel zwei Brunnenanlagen, damit sie das Grundwasser als Wärmequelle nutzen kann. Ein Förderbrunnen bringt das Wasser zur Wärmepumpe, ein Sickerbrunnen führt es auf Grundwasserniveau zurück. Zwischen beiden Anlagen müssen mindestens 10 m Abstand in Fließrichtung des Grundwassers eingehalten werden. Da die Leistung der Förderpumpe zudem große Auswirkungen auf die Energiebilanz hat, ist eine Förderung unterhalb von 15 m in der Regel nicht mehr lohnenswert.
  • Erdbohrungen für eine Tiefensonde
    © Bundesverband Wärmepumpe | Für die Einrichtung einer Erdwärmepumpe sind massive Erdarbeiten und Bohrungen zu verrichten. Das wirkt sich natürlich auf die Investitionskosten aus. Erdsonden, die den Grundwasserspiegel kreuzen, sind zudem genehmigungspflichtig. Im Gegenzug können Erdwärmepumpen eine wesentlich höhere Effizienz als Luftwärmepumpen vorweisen. Außerdem funktionieren sie das ganze Jahr ohne Einschränkung.
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