Artikel aktualisiert am 07.05.2023
von Boris Stippe | ca: 10 Min. zu lesen

Wärmepumpe

Wie funktioniert Wärmeerzeugung aus Umgebungswärme?

Eine Wärmepumpe ist ein Gerät, das der Umgebungsluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser mit Hilfe von Strom oder Gas Wärmeenergie entzieht und diese für Heizung und Warmwasserbereitung nutzt. In Verbindung mit Solarenergie wird eine Wärmepumpe häufig eingesetzt, um selbst erzeugten Strom aus Solarzellen zur Wärmeerzeugung zu nutzen und so den Energieverbrauch zu senken.

Wärmepumpe
Wärmepumpe (Bildquelle: napa74- stock.adobe.com)

Eine Wärmepumpe ist ein Gerät zur Gewinnung von Wärmeenergie aus der Umgebungsluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser. Mit Hilfe von elektrischem Strom oder Gas wird die vorhandene Wärmeenergie auf ein höheres Temperaturniveau gebracht und für Heizung und Warmwasserbereitung genutzt.

Im Zusammenhang mit der Erzeugung von Solarenergie wird eine Wärmepumpe häufig eingesetzt, um den selbst erzeugten Strom aus Solarzellen zur Wärmeerzeugung zu nutzen. Auf diese Weise kann der Energieverbrauch gesenkt werden, da die Wärmepumpe den größten Teil ihrer Energie aus der Umgebungsluft oder anderen natürlichen Ressourcen bezieht und damit wesentlich effizienter arbeitet als herkömmliche Heizsysteme.

Insbesondere im Winter, wenn die solare Energiegewinnung aufgrund schlechter Witterungsbedingungen oder geringer Sonneneinstrahlung eingeschränkt ist, kann der Einsatz einer Wärmepumpe zur Wärmeerzeugung eine sinnvolle Alternative sein. Durch die Kombination von Solarenergie und Wärmepumpe kann somit ein effizientes und umweltfreundliches Heizsystem geschaffen werden, das zur Reduktion der CO2-Emissionen beiträgt.

Wie funktioniert eine Wärmepumpe im Zusammenhang mit der Gewinnung von Solarenergie?

Im Zusammenhang mit der solaren Energiegewinnung kann eine Wärmepumpe eingesetzt werden, um die selbst erzeugte elektrische Energie in Wärme umzuwandeln und für Heizung und Warmwasser zu nutzen. Eine Wärmepumpe arbeitet nach dem Prinzip des thermodynamischen Kreisprozesses und nutzt die in der Umgebungsluft, im Erdreich oder im Grundwasser vorhandene Wärmeenergie.

Die Funktion einer Wärmepumpe beruht auf dem Prinzip der Verdichtung von Gasen. Dabei wird das Kältemittel in einem geschlossenen Kreislauf mit Hilfe eines Verdichters von einem niedrigeren auf ein höheres Temperaturniveau gebracht. Dabei nimmt das Kältemittel Wärmeenergie aus der Umgebung auf, verdampft und wird anschließend unter hohem Druck verdichtet. Dadurch erhöht sich die Temperatur des Kältemittels und es gibt Wärmeenergie ab, die zur Beheizung des Gebäudes genutzt werden kann. Anschließend wird das Kältemittel wieder abgekühlt und kondensiert, um erneut Wärme aufzunehmen und den Kreislauf von vorne zu beginnen.

Im Zusammenhang mit der Gewinnung von Solarenergie wird eine Wärmepumpe häufig als Ergänzung zu einer thermischen Solaranlage eingesetzt, die die Sonnenenergie direkt in Wärme umwandelt. Dabei kann die Wärmepumpe den von den Solarzellen erzeugten Strom nutzen, um das Kältemittel zu verdichten und so die Wärmeenergie aus der Umgebungsluft oder dem Erdreich zu nutzen. Dies ermöglicht einen höheren Wirkungsgrad und eine bessere Ausnutzung der vorhandenen Energiequellen.

Eine weitere Möglichkeit ist die Nutzung einer Photovoltaikanlage zur Erzeugung von Strom, der dann direkt der Wärmepumpe zugeführt wird. Hier kann eine intelligente Steuerung den Eigenverbrauch maximieren, indem der erzeugte Strom zunächst für die Wärmepumpe und dann für andere Verbraucher im Haus genutzt wird.

Wie viel Strom benötigt eine Wärmepumpe für den Betrieb und wie hoch sind die Betriebskosten?

Die für den Betrieb einer Wärmepumpe benötigte Strommenge hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie z.B. der Größe und Leistung der Anlage, der Temperaturdifferenz zwischen Quelle und Senke sowie der Nutzungsdauer. In der Regel liegt der Strombedarf einer Wärmepumpe für ein Einfamilienhaus zwischen 3.000 und 6.000 Kilowattstunden pro Jahr.

Die Betriebskosten einer Wärmepumpe setzen sich aus dem Stromverbrauch und den Wartungskosten zusammen. Im Vergleich zu anderen Heizsystemen können die Betriebskosten einer Wärmepumpe durchaus höher sein, da sie elektrische Energie benötigt und somit von den Strompreisen abhängig ist. Die Kosten können jedoch durch eine optimale Auslegung der Anlage und eine hohe Energieeffizienz minimiert werden.

Die Betriebskosten können auch durch die Wahl der Wärmequelle beeinflusst werden. So ist die Nutzung der Umgebungsluft als Wärmequelle in der Regel günstiger als die Nutzung von Grundwasser oder Geothermie, da diese in der Regel mit höheren Investitionskosten verbunden sind. Auch die Nutzung von Solarstrom zur Stromversorgung der Wärmepumpe kann die Betriebskosten senken, da keine externen Stromkosten anfallen und der Strom direkt vor Ort erzeugt wird.

Die Wartungskosten einer Wärmepumpe sind in der Regel geringer als bei anderen Heizsystemen, da die Anlage weniger verschleißanfällig ist als beispielsweise eine Öl- oder Gasheizung. Es wird jedoch empfohlen, die Anlage regelmäßig von einem Fachmann warten und überprüfen zu lassen, um eine optimale Leistung und Effizienz zu gewährleisten.

Ist eine Wärmepumpe für mein Haus geeignet und was ist bei der Planung zu beachten?

Die Eignung einer Wärmepumpe für ein Haus hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie der Größe des Gebäudes, dem Dämmstandard, dem Wärmebedarf und der Art der Wärmequelle. Generell ist eine Wärmepumpe für viele Häuser geeignet, insbesondere für Neubauten oder energetisch sanierte Altbauten.

Bei der Planung einer Wärmepumpe sollte zunächst eine umfassende energetische Analyse des Gebäudes durchgeführt werden. Dabei werden die vorhandene Dämmung, die Größe der zu beheizenden Fläche und der Heizwärmebedarf ermittelt. Diese Daten dienen als Grundlage für die Dimensionierung der Wärmepumpe und die Auswahl der geeigneten Wärmequelle.

Die Wahl der Wärmequelle ist ein wichtiger Faktor bei der Planung einer Wärmepumpe. In der Regel stehen drei Wärmequellen zur Auswahl: Umgebungsluft, Erdwärme oder Grundwasser. Die Umgebungsluft ist in der Regel die kostengünstigste Variante, da keine Tiefenbohrungen oder andere aufwändige Maßnahmen erforderlich sind. Allerdings ist die Wärmeleistung geringer als bei Erdwärme oder Grundwasser. Für diese Quellen ist in der Regel eine Tiefenbohrung erforderlich, was zu höheren Investitionskosten führt. Dafür kann aber eine höhere Wärmeleistung erzielt werden.

Wichtig ist auch die Wahl des Wärmepumpentyps. Es gibt verschiedene Typen wie Luft-Luft-Wärmepumpen, Luft-Wasser-Wärmepumpen oder Sole-Wasser-Wärmepumpen. Jeder Typ hat seine spezifischen Vor- und Nachteile, weshalb eine individuelle Beratung durch einen Fachmann sinnvoll ist.

Bei der Planung sollte auch die Einbindung der Wärmepumpe in das bestehende Heizsystem berücksichtigt werden. Hier sind die Wahl des richtigen Pufferspeichers, die Auslegung der Heizkörper oder Fußbodenheizung sowie die Wahl des richtigen Wärmeverteilungssystems wichtig.

Wie groß muss die Wärmepumpe für mein Haus sein und welche Heizleistung wird benötigt?

Die Größe der Wärmepumpe und die erforderliche Heizleistung hängen von verschiedenen Faktoren ab, wie z.B. der Größe des Gebäudes, dem Dämmstandard, dem Wärmebedarf und der Art der Wärmequelle. Eine zu kleine Wärmepumpe führt zu einer zu geringen Heizleistung und eine zu große Wärmepumpe verursacht unnötige Kosten.

Zur Berechnung der erforderlichen Heizleistung wird der Heizwärmebedarf des Gebäudes ermittelt, der sich aus der Differenz zwischen Innen- und Außentemperatur ergibt. Dabei spielen Faktoren wie die Größe des Gebäudes, der Dämmstandard, die Fensterflächen und die Ausrichtung des Gebäudes eine Rolle. Aus dem Heizwärmebedarf und dem Jahresnutzungsgrad der Wärmepumpe wird dann die erforderliche Heizleistung berechnet.

Die Größe der Wärmepumpe hängt auch von der Art der Wärmequelle ab. Wird die Umgebungsluft als Wärmequelle genutzt, ist eine größere Wärmepumpe erforderlich, da die Temperaturdifferenz zwischen Umgebungsluft und Heizsystem geringer ist. Bei der Nutzung von Erdwärme oder Grundwasser als Wärmequelle kann eine kleinere Wärmepumpe eingesetzt werden, da hier höhere Temperaturdifferenzen vorliegen.

Bei der Dimensionierung der Wärmepumpe empfiehlt es sich, einen Fachmann hinzuzuziehen, der die genauen Gegebenheiten vor Ort berücksichtigt und eine individuelle Berechnung durchführt. Eine zuverlässige Methode zur Bestimmung der optimalen Größe der Wärmepumpe ist eine Wärmebedarfsberechnung nach DIN 12831 oder VDI 2067.

Wie hoch ist die CO2-Einsparung durch den Einsatz einer Wärmepumpe im Vergleich zu herkömmlichen Heizsystemen und wie hoch ist das Einsparpotenzial?

Der Einsatz einer Wärmepumpe kann im Vergleich zu herkömmlichen Heizsystemen zu erheblichen CO2-Einsparungen führen. Die genaue Höhe der Einsparung hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie z.B. der Art der Wärmequelle, dem Strommix für die Stromerzeugung und dem Alter der bestehenden Heizungsanlage. In der Regel sind CO2-Einsparungen von bis zu 70 Prozent gegenüber einer Öl- oder Gasheizung möglich.

Das Einsparpotenzial lässt sich durch verschiedene Maßnahmen weiter steigern. So können zum Beispiel erneuerbare Energien wie Solarstrom oder Biomasse zur Strom- oder Wärmeerzeugung genutzt werden, um den Strombedarf der Wärmepumpe zu senken. Auch eine optimale Auslegung der Anlage sowie eine hohe Energieeffizienz durch regelmäßige Wartung und Instandhaltung tragen zu einer höheren Einsparung bei.

Die tatsächliche Höhe der CO2-Einsparung hängt auch vom Strommix bei der Stromerzeugung ab. In Ländern mit einem hohen Anteil an erneuerbaren Energien im Strommix, wie z.B. Norwegen oder Schweden, ist die CO2-Einsparung durch den Einsatz einer Wärmepumpe höher als in Ländern mit einem hohen Anteil an fossilen Brennstoffen im Strommix.

Das Einsparpotenzial durch den Einsatz einer Wärmepumpe hängt auch von der Größe und Art des Gebäudes sowie von der Wahl der Wärmequelle ab. In älteren und schlecht gedämmten Gebäuden kann das Einsparpotenzial höher sein als in modernen und gut gedämmten Gebäuden. Auch die Wahl der Wärmequelle spielt eine Rolle, denn die Nutzung von Erdwärme oder Grundwasser hat ein höheres Einsparpotenzial als die Nutzung der Umgebungsluft.

Welche Arten von Wärmepumpen gibt es und was sind ihre Vor- und Nachteile?

Es gibt verschiedene Arten von Wärmepumpen, die sich in ihrer Funktionsweise und den verwendeten Wärmequellen unterscheiden. Im Folgenden werden die wichtigsten Wärmepumpentypen mit ihren Vor- und Nachteilen beschrieben:

  • Luft-Wasser-Wärmepumpe: Diese Wärmepumpe nutzt die Umgebungsluft als Wärmequelle und gibt die Wärme über ein Wasser-Glykol-Gemisch an das Heizsystem ab. Vorteile dieser Wärmepumpe sind die einfache Installation, die geringen Investitionskosten und die Möglichkeit der Kombination mit einer Photovoltaikanlage. Nachteile sind ein geringerer Wirkungsgrad bei niedrigen Temperaturen und eine höhere Betriebslautstärke.
  • Sole-Wasser-Wärmepumpe: Diese Wärmepumpe entzieht dem Erdreich oder dem Grundwasser Wärme und gibt sie an das Heizsystem ab. Vorteile sind ein höherer Wirkungsgrad bei niedrigeren Temperaturen, ein niedriger Geräuschpegel und eine lange Lebensdauer. Nachteile sind die höheren Investitionskosten und der Platzbedarf für die Verlegung der Erdsonden.
  • Wasser-Wasser-Wärmepumpe: Diese Wärmepumpe nutzt das Grundwasser als Wärmequelle und gibt die Wärme über ein Wasser-Glykol-Gemisch an das Heizsystem ab. Vorteile sind ein hoher Wirkungsgrad und eine konstante Temperatur der Wärmequelle. Nachteile sind die höheren Investitionskosten, die Notwendigkeit eines ausreichend hohen Grundwasserspiegels und die Genehmigungspflicht.
  • Hybrid-Wärmepumpe: Diese Wärmepumpe kombiniert die Vorteile einer Luft-Wasser- und einer Gas-Wärmepumpe. Bei niedrigen Temperaturen wird der Luft Wärme entzogen, bei höheren Temperaturen wird die Gasheizung zugeschaltet. Vorteile sind hohe Effizienz und Flexibilität. Nachteile sind höhere Investitionskosten und die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern.
  • Gas-Wasser-Wärmepumpe: Diese Wärmepumpe nutzt Gas als Wärmequelle und gibt die Wärme über ein Wasser-Glykol-Gemisch an das Heizsystem ab. Vorteile sind ein hoher Wirkungsgrad und geringe CO2-Emissionen. Nachteile sind die höheren Investitionskosten und die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern.

Fazit

Eine Wärmepumpe kann der Umgebungsluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser Wärmeenergie entziehen und diese zum Heizen und zur Warmwasserbereitung nutzen. In Verbindung mit Solarenergie wird eine Wärmepumpe häufig eingesetzt, um selbst erzeugten Strom aus Solarzellen zur Wärmeerzeugung zu nutzen und so den Energieverbrauch zu senken. Die Betriebskosten einer Wärmepumpe hängen von verschiedenen Faktoren ab, wie z.B. der Größe und Leistung der Anlage und der Wahl der Wärmequelle. Bei der Planung einer Wärmepumpe sollten Größe und Heizleistung individuell berechnet werden, um eine optimale Leistung und Effizienz der Anlage zu gewährleisten. Der Einsatz einer Wärmepumpe kann zu erheblichen CO2-Einsparungen führen, abhängig von der Art der Wärmequelle, dem Strommix für die Stromerzeugung und dem Alter der bestehenden Heizungsanlage.

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