So funktioniert eine Wärmepumpe

Ein Kältemittel nimmt durch einen Wärmeübertrager, den Verdampfer, Umweltenergie auf. Anschließend wird das Kältemittel durch einen elektrisch betriebenen Kompressor verdichtet, wodurch es sich erwärmt – ähnlich dem Effekt, wenn man Luft in einen Reifen pumpt. Das verdichtete, warm gewordene Kältemittel gibt seine Wärme über einen weiteren Wärmeübertrager (Verflüssiger) an den Heizkreis oder Warmwasserspeicher ab und versorgt damit das Gebäude, während es selbst wieder abkühlt. Danach strömt es über ein Expansionsventil zum Verdampfer zurück und der Wärme-Kälte-Kreislauf beginnt von vorne.

Eine Wärmepumpenheizung besteht in der Regel aus folgenden Komponenten:

• Anlage zur Nutzung der Wärmequelle: das kann ein außen aufgestellter Verdampfer zur Nutzung der Außenluft, eine Erdsonde, ein Erdkollektor oder z. B. ein spezieller Solarkollektor sein (siehe Kapitel „Wärmequellen“)
• Wärmepumpe: bei Außenluft-Wärmepumpen ist der Verdampfer oft bereits integriert
• Pufferspeicher zur Speicherung der Wärme und Sicherstellung eines gleichmäßigen Anlagenbetriebs
• Trinkwarmwasserspeicher (TWW) bei zentraler Warmwasserbereitung
• Heizflächen im Gebäude: dies können Heizkörper sein, eine Fußbodenheizung oder Wand- bzw. Deckenheizflächen
• Regelung der Anlage: diese sollte dafür sorgen, dass die Wärmepumpe immer im optimalen Bereich betrieben wird, und eine eigene Photovoltaik-Stromerzeugung oder ggf. einen zweiten Wärmeerzeuger mit einbinden

Optionale Bestandteile:

• Photovoltaikanlage (PV-Anlage) zur Erzeugung von Solarstrom direkt am Gebäude
• Zweiter Wärmeerzeuger: z.B. der alte Heizkessel für die Wärmeerzeugung an besonders kalten Tagen

Je nach Gebäude und vorhandener Technik können noch andere Komponenten hinzukommen.

Wärmepumpen benötigen eine Wärmequelle, um Umweltwärme nutzen zu können. Die wichtigsten Wärmequellen sind die Erde, das Grundwasser und die Außenluft. 

Sie steht überall zur Verfügung und ist kostengünstig zu nutzen. Ein Nachteil von Außenluft ist, dass die Temperaturen dann niedrig sind, wenn der Wärmebedarf des Gebäudes am höchsten ist. Und je niedriger die Temperatur der Außenluft, desto geringer ist die Effizienz der Wärmepumpe. Außenluft-Wärmepumpen werden entweder komplett außerhalb des Hauses aufgestellt (Monoblock). In diesem Fall sollten die Leitungen ins Haus möglichst kurz sein. Oder nur der Teil, der der Außenluft die Wärme entzieht, wird außen installiert (Split-Ausführung). Auch eine komplette Innenaufstellung von Monoblock-Geräten ist möglich. Die Kanäle für die Ein- und Ausleitung der Luft sollten auch in diesem Fall möglichst kurz sein. Außenluft-Wärmepumpen können im Winter vereisen, deshalb muss bei der Auslegung und Planung das Abtauen und Versickern des Tauwassers berücksichtigt werden.

Wichtig ist zudem die Minimierung der Schallemissionen. Insbesondere bei dichter Bebauung sollten Anlagen mit einem geringen Lärmpegel gewählt und Schallreflexionen an Wänden des eigenen Hauses und Nachbargebäuden vermieden werden.

Sie ist eine gleichmäßigere Wärmequelle als Außenluft und damit für einen effizienten Betrieb der Wärmepumpe besser geeignet.

Für die Installation von Erdwärmesonden wird in der Regel bis zu 100 m tief gebohrt. Bis zu dieser Tiefe ist lediglich eine wasserrechtliche Erlaubnis der unteren Wasserbehörde erforderlich. Sind die Bohrungen noch tiefer, kann ein bergrechtlicher Betriebsplan erforderlich werden. Grundsätzlich sind Abstände zu Nachbarsonden einzuhalten und ausreichende Flächen und Wege für das Bohrgerät erforderlich. Bohrungen für Erdwärmesonden sind nicht überall möglich (z.B. nicht in Wasserschutzgebieten).

Erdwärmesonden ermöglichen durch die gleichbleibende Erdtemperatur dauerhaft höhere Wirkungsgrade („Jahresarbeitszahl“ oder JAZ, vgl. dazu den Abschnitt „Kennzahlen“) und damit geringere Betriebskosten als Außenluft-Wärmepumpen, allerdings fallen Kosten für die Bohrungen an. Die benötigte Bohrtiefe bzw. die Anzahl der Sonden ist von den lokalen Gegebenheiten (z.B. Wärmebedarf, Geologie) abhängig und sollte durch einen Fachplaner oder ein Fachunternehmen ermittelt werden.

Waagrechte Erdkollektoren werden nur 1–2 m tief (Flach-/Grabenkollektoren) oder bis 4 m tief (Erdwärmekörbe) auf dem Grundstück eingegraben und nutzen vor allem die im Sommer eingefangene Sonnenenergie als Wärmequelle. Sie haben einen deutlich höheren Flächenbedarf als Erdwärmesonden und dürfen nicht überbaut werden, da das Erdreich vereisen kann und damit eine Regeneration durch Sonne und Niederschlag möglich ist. Auch Bepflanzung mit Bäumen ist im Bereich der Erdkollektoren ungünstig; bei bereits angelegten Gärten ist der Eingriff durch den Einbau von Erdkollektoren deshalb beträchtlich.

Die Temperatur der Wärmequelle schwankt hier etwas stärker als bei Erdwärmesonden, wobei die Effizienz annähernd gleich ist. Eine Genehmigung oder Anmeldung ist nicht erforderlich, wenn die Einbautiefe mindestens 1 m über dem höchsten Grundwasserspiegel liegt.

Grundwasser liefert ganzjährig eine gleichbleibende Temperatur und somit hohe Jahresarbeitszahlen, darf aber nicht überall genutzt werden. Das Grundwasser wird über einen Saugbrunnen der Erde entnommen, gibt seine Wärme an die Wärmepumpe ab und wird dann über einen Schluckbrunnen der Erde wieder zugeführt. Auch hier ist eine wasserrechtliche Genehmigung erforderlich und auf dem Grundstück müssen die Abstände für Saug- und Schluckbrunnen berücksichtigt werden. Wichtig sind außerdem eine ausreichende Wassermenge und -qualität sowie Wassertemperaturen nicht unter plus sieben Grad.

Bei den sonstigen Wärmequellen kann neben Abwärme, die bei Wohngebäuden selten vorhanden ist, Sonnenenergie eine Rolle spielen. Dafür wurden in den letzten Jahren Kombinationen aus Photovoltaikmodul und thermischem Kollektor entwickelt, die auf der gleichen Dachfläche elektrischen Strom erzeugen und als Wärmequelle für die Wärmepumpe genutzt werden. Diese PVT-Module nutzen überwiegend die Außenlufttemperatur, zusätzlich aber auch die Abwärme der Photovoltaikmodule. Sie sind im Gegensatz zu Außenluft-Wärmepumpen nahezu geräuschlos und können etwas höhere Jahresarbeitszahlen erreichen.