Wie funktionieren Wärmepumpen? Wie Sie mit Batteriespeicher und Wärmepumpe Strom- & Heizkosten senken.

Durch den Betrieb mit Strom sind Wärmepumpen sehr klimafreundlich. Fossile Energieträger wie Öl und Gas spielen dank Wärmepumpen keine Rolle mehr. Es gilt jedoch darauf zu achten, dass die Wärmepumpe mit Strom aus Erneuerbaren Energien, z. B. aus einer hauseigenen Photovoltaikanlage mit einem Stromspeicher betrieben wird. Je größer der Anteil der Erneuerbaren Energien am allgemeinen Strommix ist, desto größer ist der klimaschonende Effekt von Wärmepumpen.

Wenn der für eine Wärmepumpe benötigte Strom von der eigenen Photovoltaikanlage erzeugt wird lässt sich ein Einfamilienhaus zu großen Teilen energieautark versorgen. Ein Besitzer einer sonnenBatterie kann seine Wärmepumpe sogar über eine digitale Schnittstelle mit seinem Photovoltaik Speicher verbinden. Neben der Steuerung mit sonnens Funksteckdosen, lässt sich über die sonnenApp oder dem Portal der sonnenBatterie auch der Betrieb und Verbrauch der Wärmepumpe genau nachvollziehen.

Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Eine Wärmepumpe funktioniert wie ein Kühlschrank, nur umgekehrt. Sie wandelt die in der Luft, Erde oder Wasser gespeicherte Energie in Wärme um. Lediglich ein Viertel der gesamten, mit der Wärmepumpe generierten Energie wird durch Strom erzeugt. Ihre Funktionsweise macht die Wärmepumpe zu einer besonders sparsamen und effizienten Heizform.

Der Kreislauf beginnt mit einem flüssigen Kältemittel, das in der Wärmepumpe einem Verdampfer zugeführt wird. Mit der Aufnahme der Wärme aus der Umgebung erwärmt sich das Kältemittel und verdampft. Dieser heiße Dampf strömt in den Verdichter und wird dort stark komprimiert. Dadurch steigt die Temperatur des gasförmigen Kältemittels noch weiter. Der jetzt heiße Dampf wird anschließend in den Verflüssiger geleitet. Hier wird die erzeugte Wärme nun auf das Heizsystem des Hauses übertragen. Das Kältemittel kühlt anschließend wieder ab, verflüssigt sich und der Kreislauf beginnt von vorne.

Ein Kältemittel in einer Wärmepumpe besitzt thermodynamische Eigenschaften. Es reagiert auf die abweichende Wärme, die in der Umgebung aus Luft, Erde oder Wasser zu finden ist und verdampft bereits bei einer sehr geringen Temperatur. Das erklärt auch, warum etwa kalte Winterluft auch als Energiequelle funktioniert. Dieser Prozess kann bis zu einer Temperatur von -25 Grad Celsius stattfinden. Im Vergleich dazu muss ein dieselbetriebenes Auto schon bei -22 Grad stehen bleiben.

Kältemittel in Wärmepumpen müssen nach heutigen Standards strenge Umweltschutz- und Sicherheitsbestimmungen erfüllen. Dazu zählen unter anderem, dass dieses nicht giftig und nicht brennbar sein und keine Treibhausgase verursachen dürfen.

Diese Arten von Wärmepumpen gibt es

Woher kommt die Wärme für Wärmepumpen? Das wird individuell entschieden und orientiert sich an den Gegebenheiten des Wohnorts und dem erwarteten Wärmebedarf. Auch wo die Wärmepumpe aufgestellt wird ist bei jedem Bauvorhaben einzeln abzustimmen. In diesem Artikel stellen wir mehrere Typen von Wärmepumpen vor. Die Sole/Wasser-Wärmepumpe (Erdwärmepumpe), die Wasser/Wasser-Wärmepumpe (Energie aus Grundwasser) sowie die Luft-Wasser-Wärmepumpe und die Luft-Luft-Wärmepumpe (Energie aus der Umgebungsluft).

Funktionsweise von Erdwärmepumpen

Wärmepumpen, die mit Erdwärme arbeiten, werden auch Solewärmepumpen, Sole-Wasser-Wärmepumpen oder eben Erdwärmepumpe genannt. Um dem Erdboden ganzjährig Wärme zu entziehen, wird entweder eine tiefe Bohrung (bis zu 100 Meter tief) vorgenommen oder man installiert mehrere Kollektoren nahe der Oberfläche (ca. zwei Meter tief). Durch u-förmige, dünne Rohre laufen Sonden mit Kältemittel, welche die Umgebungswärme aufnehmen. Nicht überall sind die erforderlichen Bohrungen für Erdwärmepumpen erlaubt. Ob die Gesteinsformationen stabil genug sind, lässt sich bei der örtlichen Wasserbehörde erfragen.

Lohnt sich eine Erdwärmepumpe? Erdwärmepumpen reichen zwar nicht an die Effizienz-Spitzenwerte von Grundwasserwärmepumpen heran, arbeiten aber dennoch äußerst sparsam. Je mehr Heizleistung erzielt werden soll, desto tiefer bzw. größer muss in der Fläche gearbeitet werden. Da nachträgliche Erweiterungen teuer und aufwendig sind, sollte die Solewärmepumpe schon zu Beginn richtig ausgelegt und groß genug geplant werden.

Funktionsweise von Grundwasserwärmepumpen

Wärmepumpen mit Grundwasser werden auch als Wasser-Wasser-Wärmepumpen oder Grundwasserwärmepumpen bezeichnet. Ihr Vorteil besteht darin, dass das Grundwasser auch im Winter selten Temperaturen unter 10 Grad Celsius hat. In diesem Zusammenhang wird von wärmetragendem Grundwasser gesprochen. Dadurch können diese Systeme ganzjährig effizient arbeiten. Für eine Installation einer Wasser-Wasser Wärmepumpe müssen zwei Bohrungen vorgenommen werden. Aus dem Förderbrunnen bzw. Saugbrunnen wird das Wasser zum Wärmetauscher der Heizung geführt. Durch den Schluckbrunnen (zweite Bohrung) fließt es wieder zurück ins Grundwasser.

Brunnenbohrungen sind genehmigungspflichtig und können je nach Wohnort vom Amt untersagt werden, z. B. in Wasserschutzgebieten. Zudem ist es notwendig, sich vor Baubeginn bei der örtlichen Wasserbehörde über die chemische Zusammensetzung des Grundwassers zu informieren. Es gilt, zu hohe Eisen- oder Manganwerte im Wasser zu vermeiden.

Funktionsweise von Wärmepumpen mit Außenluftzufuhr

Weit verbreitet sind Wärmepumpen, die mit Außenluftzufuhr arbeiten. Dabei wird zwischen 2 Typen Luftwärmepumpen unterschieden: Der Luft-Wasser-Wärmepumpe und der Luft-Luft-Wärmepumpe. Bei beiden dient die Luft als Wärmequelle. Diese Wärmepumpen unterscheiden sich darin, welches Wärmemedium zur Übertragung von Heizwärme verwendet wird. 

Bei einer Luft-Luft-Wärmepumpe dient Luft als Wärmequelle. Um aus der Umgebungsluft Energie zu gewinnen, müssen Luft-Luft-Wärmepumpen große Mengen Luft am Wärmetauscher vorbeiführen. Dazu wird eine Lüftungsanlage oder ein Luft-Heizungssystem benötigt, worüber die Wärme mit der frischen Luft wieder in die Räume geleitet wird. Das Vorbeiführen von Luft am Wärmetauscher führt allerdings auch zu konstanten Geräuschen, die in Hinblick auf den Aufstellort und die Wahl des entsprechenden Wärmepumpenmodells beachtet werden sollten. Viele Anlagen sind jedoch heute sehr leise und bieten einen speziellen, geräuscharmen Nachtmodus an.

Der zweite Typ von Wärmepumpen mit Außenluftzufuhr ist die Luft-Wasser-Wärmepumpe. Bei Luft-Wasser-Wärmepumpen wird ebenfalls Umgebungsluft angesaugt und über einen Verdampfer der Wärmepumpe zugeführt. Die Wärme aus der Luft wird auch hier an ein Kältemittel abgegeben und mit Druck verdichtet. Ein Temperaturanstieg ist die Folge. Die gewonnene Wärme wird hier allerdings über einen Wärmetauscher an den Heizwasserkreislauf (beispielsweise an eine Fußbodenheizung) weitergegeben.

Bei der Installation von Luft-Luft-Wärmepumpe sowie Luft-Wasser-Wärmepumpen entfallen Erschließungskosten für teure Grab- und Bohrarbeiten. Dadurch sind die Investitionskosten im Vergleich zu anderen Wärmepumpensystemen deutlich geringer. Auch der verhältnismäßig geringere Installationsaufwand sowie der geringe Platzbedarf zum Aufstellen macht sie zu einer attraktiven Option. Nachteilig wirken sich bei diesem Typ Wärmepumpe inkonstante Lufttemperaturen aus, im Verhältnis zu anderen Wärmepumpevarianten. In sehr kalten Wintern kann dies die Effektivität von Luft-Wasser-Wärmepumpe verringern.

Welche Voraussetzungen brauchen Wärmepumpen?

In Neubauten gelten Wärmepumpen heute als Standard und sind die am meisten verbaute Heizungsart. Das hängt vor allem damit zusammen, dass mittlerweile viele Fußbodenheizungen verbaut werden, mit denen Wärmepumpen besonders gut harmonieren. Doch auch Bestandsgebäude oder Altbauten können auf Wärmepumpen umgerüstet werden. Dafür sollten einige Voraussetzungen erfüllt werden, damit die Heizung effizient und kostenschonend arbeiten kann. Viele Gebäude müssen vor einem Einbau energetisch saniert werden.

Grundsätzlich sollten die folgenden drei Punkte gegeben sein:

1. Das Haus verfügt über einen guten Wärmeschutz, z.B. durch eine moderne Dämmung und gute Fenster. Dadurch bleibt die Wärme im Haus und geht nicht ungenutzt verloren.
2. Die Immobilie hat große Heizkörper, am besten eine Fußbodenheizung, Deckenheizung oder Wandheizung. Auf diese Weise reichen niedrige Wassertemperaturen, um das Haus zu erwärmen.
3. Falls beides noch nicht gegeben ist, kann durch eine nachträgliche Fassadendämmung oder das Austauschen einzelner Heizkörper der Sanierungszustand des Hauses verbessert werden.

Doch auch in Altbauten kann sich die Verwendung einer Wärmepumpe rentieren.
Mehr zum Thema Wärmepumpen im Altbau findet sich in unserem Artikel, in dem konkret der effiziente Einsatz einer Erdwärmepumpe im Altbau zusammen mit Photovoltaikanlage mit Stromspeicher am Fallbeispiel beschrieben wird.

Stromverbrauch und Effizienz einer Wärmepumpe

Die größte Effizienz erzielen Wärmepumpen in Häusern mit großen Heizflächen, z. B. einer Fußbodenheizung. Zudem sollte die Immobilie über einen guten Wärmeschutz verfügen. Auch eine hohe Jahresarbeitszahl ist wichtig für die Effizienz einer Wärmepumpe. Die Jahresarbeitszahl (JAZ) beschreibt, wie viele Einheiten Wärme die Heizung im Jahresdurchschnitt aus einer eingesetzten Einheit Energie gewinnt. Eine JAZ 4 bedeutet beispielsweise, dass eine Wärmepumpe je Kilowattstunde Strom durchschnittlich 4 Kilowattstunden Wärme an das Haus abgibt. Je höher die JAZ, desto effizienter ist die Heizung. Je nach Bauart (Luftwärmepumpe / Grundwasserwärmepumpe) beträgt die Jahresarbeitszahl zwischen 3 bis 4,5. Ab einem Wert von 3 gelten Wärmepumpen als effizient.¹

Wer jetzt noch seinen eigenen Strom mit einer PV-Anlage erzeugt und in einer Batterie speichert, kann diesen auch für den Betrieb seiner Wärmepumpe nutzen. Eine Wärmepumpe mit Batteriespeicher zu betreiben ist eine lohnenswerte Kombination. Dadurch wird ein Haushalt fast vollständig energieautark. Denn mit dem Verzicht auf fossile Brennstoffe zum Heizen des Eigenheims entledigt man sich auch dem letzten preisabhängigen Energieträger.

Umstellung auf das Heizen mit Wärmepumpen

Wer eine Bestandsimmobilie auf Wärmepumpen umrüsten will, sollte die oben genannten Voraussetzungen erfüllen. Je besser die Immobilie auf eine Wärmepumpe ausgelegt ist, desto effizienter und kostensparender kann sie im Anschluss arbeiten. Sind energetische Sanierungen nötig, sollte nach dem Prinzip „Geringer Aufwand, große Wirkung“ vorgegangen werden.

Eine nachträgliche Fassadendämmung oder das Austauschen einzelner, kleiner Heizkörper gegen größere sind ein guter Anfang. Bei der Planung der Wärmepumpe ist es von großer Bedeutung, den benötigten Heizbedarf (Raumwärme und Warmwasser) bestmöglich einzuschätzen. Nur so kann sichergestellt werden, dass die Wärmepumpe richtig dimensioniert wird und kosteneffizient arbeitet.

Zusammenspiel Solaranlage mit Speicher und Wärmepumpe

Eine Wärmepumpe wird mit Strom betrieben. Über das Jahr gerechnet kann sie zu einem großen Verbraucher in einem Haushalt werden. Doch hier lohnt es sich etwas genauer drauf zu schauen. Wird das Haus mit einer Wärmepumpe geheizt, entfallen Kosten für Öl oder Gas komplett. Das Heizen mit der Wärmepumpe ist zudem CO2 neutral. Jeder Besitzer hilft dadurch ein weiteres Stück unser Klima zu schonen.

Darüber hinaus ist eine Wärmepumpe auch sehr effizient. Für 100 Prozent erzeugter Wärmeenergie, werden gerade mal rund 25 Prozent durch Strom erzeugt. Das bedeutet, dass rund 75 Prozent aus der Umgebungstemperatur – aus der Luft, Erde, Wasser – generiert werden.

Auch wenn Wärmepumpen sehr effizient sind und wenig zugeführte Energie benötigen, verursachen sie Kosten. Eine Möglichkeit, die Energiekosten niedrig zu halten, ist die Installation einer Photovoltaikanlage mit zusätzlichem Stromspeicher.

Dadurch wird ein Haushalt deutlich energieautarker. Denn mit dem Verzicht auf fossile Brennstoffe zum Heizen des Eigenheims, entledigt man sich auch dem letzten preisabhängigen Energieträger.

Rohstoffe wie Öl und Gas unterliegen ständigen Preisschwankungen. Verpasst man den richtigen Zeitpunkt zum Kauf oder eine Krise in einem Produktionsland treibt die Preise nach oben, kann es schnell noch teurer werden. Noch dazu verursachen die fossilen Brennstoffe umweltschädliches CO2. Für den Klimawandel und die Gesundheit der Menschen ist das ein großes Problem. Eine PV Anlage mit Speicher und Wärmepumpe ist hier die klimafreundlichere Alternative.

Das bietet die sonnenFlat für Ihre Wärmepumpe

Eine sonnenBatterie speichert den über eine PV-Anlage generierten Strom zwischen. So kann zu verschiedensten Tages- und Jahreszeiten Solarstrom effizient genutzt werden. Über die Sommermonate schafft es ein sonnenBatterie-Besitzer sich nahezu autark mit dem eigenen Solarstrom zu versorgen. Nur ein geringer Teil muss aus dem Netz bezogen werden.

In den Wintermonaten ist der Ertrag des eigenen Solarstroms geringer. Ein berechtigter Einwand. Wie soll ein Haushalt im Winter eine Wärmepumpe als zusätzlichen Verbraucher mit der eigenen PV-Anlage betreiben können? Hier kommt die sonnenFlat ins Spiel. Teilnehmer an sonnens Batterie-Pool erhalten über eine Freistrommenge im Gegenzug kostenlosen Strom. Auf diese Weise wird die Wärmepumpe rund um die Uhr mit sauberer und kostenloser Energie versorgt.
So lässt sich eine Wärmepumpe das gesamte Jahr über energieeffizient mit Erneuerbaren Energie betreiben.

Übrigens: Wärmepumpen sind finanziell förderbar. In unserem verlinkten Artikel erfahren Sie außerdem, wie Sie die GEG Förderung für Wärmepumpen / Wärmepumpenförderung durch das Heizungsgesetz in Anspruch nehmen können.

Stabilere Stromnetze dank Wärmepumpen und Batteriespeichern

In der Schweiz werden Wärmepumpen bereits für Netzdienstleistungen genutzt. Wie bei sonnens Batterie-Pool aus tausenden, digital vernetzten sonnenBatterien, stellen rund 6.500 Heizungsbesitzer ihre Wärmepumpe für Regelenergie zur Verfügung.

Ist zu viel oder zu wenig Energie im Stromnetz vorhanden, wird der Wärmepumpen-Pool mittels intelligenter Steuerung aktiviert. Der einzelne Besitzer merkt in seinem Eigenheim davon nichts. Ist zum Beispiel zu viel Energie im Stromnetz vorhanden, wird ein Teil der vernetzten Wärmepumpen einfach etwas früher eingeschaltet als geplant.

Ist zu wenig Energie im Stromnetz, wird die Wärmepumpe für einen kurzen Moment deaktiviert. Der Haushalt spürt von diesem Eingriff nichts. Das erwärmte Wasser des Heizsystems ist gleichzeitig auch ein Wärmespeicher, der in diesem kurzen Moment keinen relevanten Wärmeverlust verzeichnen kann. Durch die eingesparte Energie dieser Vielzahl an Wärmepumpen wird die Frequenz wieder ausgeglichen und das Stromnetz stabilisiert.

Die Teilnehmer können dadurch - wie bei der sonnenFlat und dem sonnenVPP - zusätzliche Erträge erwirtschaften.

Quellen:
¹ https://www.verbraucherzentrale.de/wissen/energie/heizen-und-warmwasser/waermepumpe-alles-was-sie-wissen-muessen-im-ueberblick-5439