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Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Die Nutzung von Umgebungswärme durch Wärmepumpen liegt im Trend. Bei Einfamilienhäusern ist das Heizsystem seit einigen Jahren erste Wahl. Wie funktioniert eine Wärmepumpe und welche Anlagetypen gibt es?

Grundwasser ist dank seiner nahezu konstanten Temperatur als Wärmequelle geeignet.
Grundwasser ist dank seiner nahezu konstanten Temperatur als Wärmequelle geeignet.

(ves) Die Wärmepumpe hat sich als Heizsystem etabliert: In der Schweiz werden rund zwei Drittel der neu erstellten Einfamilienhäuser mit Wärmepumpen ausgerüstet. Zudem wird fast jedes zweite sanierte Objekt damit bestückt. Auch bei neuen und grossen Wohnbauten ist der Marktanteil der Wärmepumpe auf über 50 Prozent gestiegen.

Funktionsweise einer Wärmepumpe

Ein Kühlschrank entzieht Wärme aus dem Inneren und gibt sie an die Umgebung ab. Die Wärmepumpe funktioniert genau umgekehrt: Sie nimmt Wärme aus der Umgebung auf und gibt sie bei höherer Temperatur an das Heizsystem ab. Die Umgebungswärme erwärmt zuerst im Verdampfer das flüssige Arbeitsmedium (Ammoniak, Propan, Ethan, CO2), welches dann verdampft. Durch Kompression wird dieser Dampf zusätzlich erwärmt. Im Kondensator wird die Wärme an das Wasser im Heizkreislauf abgegeben. Damit verflüssigt sich das Arbeitsmedium und der Kreislauf beginnt wieder von vorne. Vorlauftemperaturen im Heizungskreislauf zwischen 30 und 55 °C lassen sich mit einer Wärmepumpe abdecken. Mit einer Einheit Strom kann eine Wärmepumpe je nach Wärmequelle zwei bis fünf Einheiten Wärme erzeugen. Wird die Heizwassertemperatur um 5°C abgesenkt, erhöht sich die Effizienz (Jahresarbeitszahl) einer Wärmepumpe um rund 10%.

Mögliche Wärmequellen

  • Erde: Das Erdreich kann mit einer Erdwärmesonde oder einem Erdregister genutzt werden. Die Jahresarbeitszahl (JAZ) einer Erdwärmepumpe liegt im Schnitt zwischen 3,5 und 5.

  • Luft: Umgebungsluft ist die häufigste Wärmequelle von Wärmepumpen. Im Winter sinkt die Leistung wegen der kalten Aussentemperaturen. Die JAZ einer Luftwärmepumpe liegt typischerweise zwischen 2,7 und 3,5.

  • Wasser: Grundwasser ist dank seiner nahezu konstanten Temperatur als Wärmequelle geeignet. Auch Oberflächenwasser aus Seen, Bächen und Flüssen sowie Abwasser können genutzt werden. Die JAZ einer Grundwasserwärmepumpe liegt in der Regel zwischen 4 und 5,5.

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Einsatz als Kühlsystem

Optional können Wärmepumpen im Sommer dank einer Umkehrfunktion und einem Bypass (ohne Inbetriebnahme des Kompressors) auch für die Kühlung eines Gebäudes eingesetzt werden. Dies dient auch der Regeneration des Erdreichs, das im Sommerhalbjahr mit Solarenergie aufgeladen wird.

Unter der Erdoberfläche herrscht ab einer Tiefe von 15 Meter eine Temperatur, die hauptsächlich von geologischen und geothermischen Bedingungen bestimmt wird und somit saisonunabhängig nahezu konstant bleibt. In einer Tiefe von 200 Metern herrscht eine Temperatur von 15 bis 17 °C.

Diese Erdwärme ist bei nachhaltiger Nutzung eine erneuerbare und die Umwelt wenig belastende Energiequelle. 

Wärmepumpen bei Umbauten

Wärmepumpen sind im Neubaubereich das mit Abstand beliebteste Heizsystem. Ihr Marktanteil beträgt bei neu erstellten (kleinen und grossen) Wohnbauten knapp 60 Prozent. Und zwei von drei neuen Einfamilienhäusern werden mit einer Wärmepumpe bestückt. Im Sanierungsfall kommt das emissionsarme Heizsystem weniger häufig zum Zug, zeigt die Branchenstatistik von Wüest + Partner: Im Jahr 2017 haben Wärmepumpen, die nach einem Umbau installiert worden sind, einen Anteil zwischen 30 (bei MFH) und 60 Prozent (bei EFH) erreicht. 

Der Grund für dieses Gefälle zwischen Neu- und Umbau ist: Bestehende Heizsysteme lassen sich nicht ohne weiteres durch eine Wärmepumpe ersetzen. Zum einen sollte das Gebäude gut gedämmt sein; zum anderen ist eine grossflächige Wärmeabgabe in den beheizten Räumen zu organisieren. Unabhängig der Energiequelle eignen sich Wärmepumpen am besten für Heizwassertemperaturen zwischen 30 °C und maximal 55 °C. Den niedrigen Vorlauftemperaturen im Heizungskreislauf ideal angepasst sind Fussbodenheizungen und wandhohe Heizkörper. Um die Wärmepumpe möglichst effizient zu betrieben, ist weiter zu beachten: Ein Absenken der Heiztemperatur um 5 °C erhöht die Jahresarbeitszahl (JAZ) um rund 10 Prozent. 

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