Was sind Wärmepumpen und wie funktionieren sie?

Wärmepumpen sind Anlagen, die aus der Natur Energie aufnehmen und diese auf den Wärmeträger der Heizung übertragen. Der zentrale Teil einer solchen Anlage ist der Wärmetauscher, der aus einem Verdampfer, einem Verdichter (oder Kompressor), einem Verflüssiger und einem Expansionsventil besteht. Zwischen diesen Elementen zirkuliert ein Kältemittel. Dabei handelt es sich um einen Stoff, der schon bei sehr tiefen Temperaturen (auch bei zweistelligen Minusgraden) gasförmig wird.

Die Wärmepumpenheizung funktioniert folgendermassen: Die aus der Luft, der Erde oder dem Wasser aufgenommene Wärmeenergie trifft im Verdampfer auf das flüssige Kältemittel, das die Wärme aufnimmt und dabei verdampft. Dieser Dampf wird im Verdichter zusammengedrückt und dadurch schlagartig warm. Dieses Phänomen kann man auch im Alltag beobachten: Beim Aufpumpen des Velopneus wird das Ventil ganz warm. Das heisst, gasförmige Kältemittel gelangt dann zum Verflüssiger und Expansionsventil, wo es die Wärme an das Heizungswasser abgibt, abkühlt, vom Druck befreit und wieder flüssig wird. Der Kreislauf beginnt von vorn. Auf diese Weise funktionieren übrigens auch Kühlschränke und Klimaanlagen, nur in umgekehrter Richtung: Sie transportieren die Wärme hinaus statt hinein.

Welche Arten von Wärmepumpenheizungen gibt es?

Es gibt vier Arten von Wärmepumpenheizungen. Sie funktionieren alle nach dem oben beschriebenen Prinzip, nutzen aber unterschiedliche Wärmequellen und -träger, mit denen die Wärme im Haus verteilt wird. Die Wärmequelle ist immer im ersten, der Wärmeträger im zweiten Wortteil genannt. Hier eine Übersicht:

• Luft-Wasser-Wärmepumpe: Dieser Typ bezieht die Wärme via Ventilator aus der Umgebungsluft und überträgt sie auf das Heizungswasser. Auch die heisse Abluft von Industriegebäuden oder Rechenzentren kann als Wärmequelle genutzt werden. Die Luft-Wasser-Wärmepumpe ist relativ einfach zu installieren und deshalb die am weitesten verbreitete und günstigste Lösung für Einfamilienhausbesitzer. Allerdings ist sie auch am wenigsten effizient.
• Luft-Luft-Wärmepumpe: Hier wird ebenfalls Umgebungsluft zur Wärmegewinnung genutzt, die Wärme wird aber direkt auf ein Lüftungssystem übertragen und so im Haus verteilt. Dieser Typ wird vor allem in energetisch und baulich sehr hochwertigen Gebäuden eingesetzt, zum Beispiel bei Häusern mit Minergie-P-Standard.
• Sole-Wasser-Wärmepumpe/ Erdwärme: Hier wird die Wärme aus dem Erdreich gewonnen (Geothermie), entweder mit Kollektoren unter der Erdoberfläche (bis ca. 1,5 Meter) oder mit Sonden, die bis zu 300 Meter in den Boden reichen. Je tiefer, desto mehr Wärme wird gewonnen. Dieser Typ ist besonders effizient und hat eine hohe Lebensdauer. Allerdings ist er wegen der aufwändigen Installationsarbeiten relativ teuer und bedarf einer besonderen Genehmigung.
• Wasser-Wasser-Wärmepumpe: Diese gewinnt Wärme aus dem Grundwasser, natürlichen Gewässern wie Flüssen oder Seen oder auch aus der Kanalisation. Sie ist die effizienteste Variante, benötigt jedoch einen Zugang zu einem Gewässer sowie Filteranlagen. Für ein Einfamilienhaus ist sie deshalb in der Regel zu aufwändig.

Lohnt sich die Investition?

Die Investitionskosten für eine Wärmepumpenheizung sind zumeist höher als für eine Öl- oder Gasheizung. Wegen der tieferen Betriebskosten und Heizkosteneinsparungen ist sie aber in der Regel schneller amortisiert und spart langfristig Geld. Sie ist also nicht nur ein ökologischer, sondern auch ein ökonomischer Gewinn.

Am günstigsten ist die Luft-Wasser-Wärmepumpe, am teuersten die Wasser-Wasser-Wärmepumpe. Hier eine Übersicht über die ungefähren Kosten für ein Haus mit 20’000 Kilowattstunden Wärmebedarf pro Jahr, was für ein durchschnittliches Schweizer Einfamilienhaus mit einer Wohnfläche von ungefähr 140 m² realistisch ist:

Wie effizient sind Wärmepumpen?

Wärmepumpenheizungen brauchen Strom für den Betrieb ihrer Elektromotoren (Ventilator, Kompressor, Pumpen usw.). Ihre Effizienz errechnet man demnach aus dem Verhältnis zwischen der gewonnenen Wärmeenergie in kWh zum eingesetzten Strom in kWh. Daraus ergibt sich die so genannte Leistungszahl oder der COP (Coefficient of Performance). Im Durchschnitt erzeugen die Anlagen ca. 3 bis 5 Kilowattstunden Wärme mit 1 Kilowattstunden Strom. Die durchschnittliche Leistungszahl liegt also bei 3 bis 5. Die Unterschiede sind im Einzelfall aber recht gross. Das sind die wichtigsten Effizienz-Faktoren:

• Typ: Der Luft-Wasser-Wärmepumpen schneiden generell etwas schlechter ab als die anderen Typen
• Vorlauftemperatur: Dabei handelt es sich um die Temperatur des Wassers, wenn es in den Heizkreislauf eintritt. Je höher die benötigte Vorlauftemperatur, desto höher der Strombedarf und desto schlechter die Effizienz. Wie hoch die Vorlauftemperatur sein soll oder muss, hängt wiederum ab von der:
• Dämmung: Bei schlecht isolierten Häusern ist in der Regel eine höhere Vorlauftemperatur erforderlich.
• Grösse / Art der Heizkörper: Grossflächige Heizkörper wie Fussbodenheizungen erfordern eine tiefere Vorlauftemperatur als zum Beispiel klassische kleine Radiatoren.

Lohnt sich eine Wärmepumpenheizung auch bei einem Altbau?

Wärmepumpenheizungen sind optimal für Häuser mit guter Dämmung und Bodenheizung. Dann sind nur geringe Vorlauftemperaturen von 30 °C oder weniger und entsprechend wenig Strom für deren Betrieb nötig. Aber auch schlecht gedämmte oder ungedämmte Altbauten können mit einer Wärmepumpe beheizt werden – die meisten Anlagen schaffen Vorlauftemperaturen von bis zu 70 °C. Der Stromverbrauch ist dann aber deutlich höher. Ob und in welcher Form sich bei Ihrem Altbau das Heizen per Wärmepumpe lohnt, besprechen Sie am besten mit einem Spezialisten.

Vor- und Nachteile einer Heizung mit Wärmepumpe

Vorteile

• Umwelt-/klimafreundlich: Sie nutzen für die Wärmegewinnung keine fossilen Brennstoffe und stossen so auch keine Treibhausgase beim Heizen aus.
• Kostensparend: Sie nutzen kostenfreie Energiequellen: Wärme aus Luft, Wasser oder Erde. Lediglich die Wartung und der Strom für den Betrieb generieren Kosten.
• Effizient: Sie erzeugen mehr Energie als sie für ihren Betrieb benötigen.
• Berechenbar: Abgesehen von den Stromkosten gibt es keine Preisschwankungen oder Abhängigkeiten wie bei einer Öl- oder Gasheizung.

Nachteile

• Eher hohe Investitionskosten, die sich aber durch die Heizkosteneinsparungen relativ schnell bezahlt machen
• Milderung der Anfangsbelastung, weil das umweltfreundliche Heizsystem staatlich gefördert wird

Tipp

Wer seine Wärmepumpe mit Strom aus der eigenen Photovoltaik-Anlage oder anderen erneuerbaren Energien betreibt, kann die Nachhaltigkeit und Klimafreundlichkeit seiner Heizung nochmals entscheidend erhöhen.

Alternative Biogas: Wie sinnvoll ist sie?

Eine weitere Möglichkeit des Heizens mit einer erneuerbaren Energie bietet Biogas. Dabei handelt es sich um ein Gasgemisch, das beim Zersetzen von organischen Abfällen wie Gülle, Pflanzen- oder Speiseresten durch Bakterien entsteht. Der Gärprozess findet in einer speziellen Anlage statt, der sogenannten Biogasanlage. Biogas besteht hauptsächlich aus Methan und CO₂.

Beim Verbrennen von Biogas entsteht wie beim Erdgas oder Erdöl CO₂. Biogas ist also kein emissionsfreier, aber CO₂-neutraler Heizstoff. Denn in den pflanzlichen Ausgangsstoffen ist gleich viel CO₂ gebunden, wie später bei der Verbrennung entsteht.

Laut Bundesamt für Energie kann Biogas einen wichtigen Beitrag zur Erreichung der Klimaziele leisten. Verglichen mit Erdgasheizungen liessen sich mit Biogasheizungen bis zu 40 Prozent Emissionen einsparen. Verglichen mit Erdölheizungen sogar 60 Prozent.

In Deutschland wird für die Produktion von Biogas extra Mais oder Raps angepflanzt. Das ist in der Schweiz nicht so, was durchaus sinnvoll ist, denn so bleiben Äcker für die Nahrungsmittelproduktion nutzbar. Die Biogas-Produktion in der Schweiz ist denn auch recht klein und hat ein sehr begrenztes Wachstumspotential. Den gesamten Gasbedarf dereinst mit einheimischem und importiertem Biogas zu decken, ist laut Experten unmöglich. Die Abhängigkeit von (vor allem russischen) Erdgas wird bleiben.

Der Anteil Biogas am gesamten Gasvolumen in der Schweiz beträgt etwas mehr als 6 Prozent. Es gibt zwar mittlerweile Anbieter, die eine Versorgung mit 100 Prozent Biogas anbieten, in aller Regel wird Biogas aber lediglich zu gewissen Anteilen dem Erdgas beigemischt. Die Klimafreundlichkeit dieser Misch-Lösung hält sich also in Grenzen. Ausserdem ist Biogas teurer – deutlich teurer als Erdgas. Laut einer Gasanbieter-Studie von Kassensturz im Jahr 2022 lag der geringste Preisunterschied bei 34 Prozent, der grösste bei 70 Prozent.

Fazit

Wer auf ein klimafreundliches, langfristig kostengünstiges Heizsystem mit 100 Prozent erneuerbaren Energien umsteigen will, ist mit einer Wärmepumpe besser bedient als mit einer (neuen) Biogasheizung.

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