Eine Wärmepumpe kann ein Gebäude beheizen. Sie entnimmt einer Quelle (Umgebung) Energie und gibt diese an eine Senke (Gebäude) ab. Die Energie stammt aus der Umgebungsluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser und macht die gewonnene Wärme nutzbar. Die Wärmeenergie wird in die Wohnräume transportiert und für die Heizung oder für die Warmwasserbereitung genutzt. Das Funktionsschema jeder Wärmepumpenart läuft gleich ab, auch wenn sich die Energiequellen (Luft, Erde, Grundwasser) unterscheiden.

Als Antriebsenergie für die Wärmepumpe wird meistens Strom genutzt. Neben elektrischen Wärmepumpen gibt es auch gasbetriebene.

Je höher der Temperaturunterschied zwischen der Wärmequelle und der benötigten (Heiz-) Wärme, der sogenannte Temperaturhub, ist, desto höher fällt der Stromverbrauch einer Wärmepumpe aus. Wenn im Winter die Luft außen kalt ist, muss eine Luft-Wasser Wärmepumpe mehr Strom beziehen, um die benötigte Vorlauftemperatur des Heizungswassers bereitzustellen. Muss eine Heizungsvorlauftemperatur von über 55 °C Celsius erzeugt werden, nimmt der Stromverbrauch des Verdichters überproportional zu. Mehr dazu siehe unten.

Sollte die Pumpe aufgrund zu hoher Temperaturdifferenzen die Beheizung temporär nicht mehr leisten können, kann in der Regel zusätzlich ein Heizstab aktiviert werden, der dann ebenfalls zur Wärmeversorgung herangezogen wird. Solange das nur an einzelnen Tagen im Jahr geschieht, ist die ineffiziente Eins zu Eins Umwandlung von Strom zu Wärme tolerierbar. Eine weitere Möglichkeit ist, dass andere Wärmeerzeuger anstelle des Heizstabs einspringen. Auch dazu unten mehr.

Kurz gesagt: Die Wärmepumpen-Heizungsanlage setzt sich zusammen aus:

• der Wärmequelle bzw. der Umgebung (Luft, Erde, Grundwasser). Ihr wird Wärme entzogen.
• der Wärmepumpe, die die gewonnene Umweltwärme nutzbar macht. Das benötigt Energie, in der Regel Strom.
• dem Wärmeverteil- und Speichersystem. Dieses speichert die Wärme und verteilt sie in die Wohnräume.

Wärmepumpenheizungen werden auch je nach Wärmequelle und gebäudeseitigem Wärmeübertragungsmedium benannt.

• Luft-Luft Wärmepumpen entnehmen der Außenluft Energie und geben sie an ein Gebläse ab, das warme Luft in die Räume bringt (analog bzw. umgekehrt zu einer Klimaanlage).
• Luft-Wasser Wärmepumpen beziehen die Energie- oder Wärmequelle ebenfalls aus der Luft. und geben sie über den Außenluftwärmetauscher an das Heizungswasser ab.
• Erdwärmepumpen oder Sole-Wasser Wärmepumpen entnehmen die Wärme aus dem Erdreich. Hierbei wird die Erdwärme zunächst an eine frostsichere Soleflüssigkeit und dann auf ein Kältemittel übertragen. Für private Wohngebäude ist eine Bohrtiefe von 60 m bis zu 100 m üblich, dafür ist eine Genehmigung der unteren Wasserbehörden erforderlich. Je tiefer, desto wärmer. Ab einer Tiefe von 10 Metern liegt die Bodenwärme konstant über 10 °C und wird kaum noch durch die Jahreszeiten beeinflusst. Alternativ können sogenannte Erdwärmekollektoren in einer Tiefe von etwa 2 Metern verlegt werden. Die erforderliche Fläche muss etwa der doppelten beheizten Wohnfläche entsprechen.
• Wasser-Wasser Wärmepumpen erhalten vom Grundwasser die Wärmeenergie. Die Tiefe der beiden erforderlichen Bohrungen liegt, je nach Grundwasserstand, zwischen 5 und 20 Metern. Auch diese Anlagen sind in der Regel genehmigungspflichtig.

Im Inneren der Wärmepumpe läuft ein geschlossener Prozess aus vier Schritten mithilfe eines im Kreislauf gepumpten Kältemittels ab. Daher stammt der Ausdruck „pumpen”. Das Kältemittel hat die Eigenschaft, bei niedrigen Temperaturen zu sieden. Während Wasser bei 100 °C siedet (bei normalem Umgebungsdruck von etwa 1 bar auf Meeresspiegelhöhe), siedet das Kältemittel R134a (Tetrafluorethan) bei -26,5 °C.

AAm Siedepunkt geht das flüssige Kältemittel in die gasförmige Phase über. Das braucht Energie, wie aus dem Verdampfen von Wasser im Wasserkocher bekannt ist. Da wird elektrische Energie genutzt, um Wasser zu erhitzen, wobei das Wasser vollständig verdampft, wenn die Energiezufuhr nicht abgeschaltet wird. Das Kältemittel nimmt die Energie zum Verdampfen aus der Wärme der Umgebung. Wenn es zu kalt ist, kann auch das Kältemittel nicht sieden. Dann ist die Temperatur nicht hoch genug, um den gasförmigen Zustand zu erreichen und es bleibt flüssig. Die Umweltwärme erhitzt also das Kältemittel, welches dabei verdampft. Typische Siedetemperaturen von Kältemitteln bei Umgebungsdruck liegen zwischen -20 und -50 °C.

Dieses Kältemittel-Gas wird dann verdichtet, also zusammengedrückt, beispielsweise durch einen strombetriebenen Kompressor. Wenn Gas verdichtet wird, erwärmt es sich, so dass das gasförmige Kältemittel nun noch viel wärmer wird. Denn die Gasteilchen werden durch den Kompressionsvorgang zusammengedrückt, was ihnen zusätzliche Bewegungsenergie verleiht. Sie werden hierdurch schneller und die Temperatur steigt. Diese Wärme kann man auch beim Aufpumpen eines Fahrradreifens spüren. Die Luftpumpe wird durch die zusammengedrückte Luft warm. Nur durch die Kompression des Kältemittels erreicht die entzogene Umweltenergie ein zum Heizen geeignetes Temperaturniveau.

In dem Kreislauf wird nun das komprimierte und erhitzte, gasförmige Kältemittel zu einem Kondensator, einem Verflüssiger, gepumpt. Dort trifft das heiße Gas auf die vergleichsweise kühle Heizungsleitung bzw. auf einen Wärmetauscher mit einer großen Oberfläche. Es findet ein Wärmeübergang vom Kältemittel auf das Heizungssystem statt. Durch das entsprechende Abkühlen des Kältemittels und durch den hohen Druck aufgrund der Verdichtung verflüssigt sich das Kältemittel wieder. Ein Gas wird unter gewissem Druck wieder flüssig, wenn es Energie, also Wärme, verliert. Die Teilchen verlieren Bewegungsenergie und finden sich wieder in einem flüssigen Verband zusammen. Die dabei auf das Heizungssystem übergebene Wärme wird dann zur Beheizung des Gebäudes genutzt und besteht aus der beim Verdampfen aufgenommenen Umweltwärme und der durch den Kompressor zugeführten Energie.

Das flüssige Kältemittel steht noch unter hohem Druck. Damit es im Verdampfer wieder gasförmig werden kann, darf es nicht mehr unter Druck stehen. Denn für die Verdampfung wird die Möglichkeit benötigt, sich auszudehnen. Das klappt nur, wenn der Umgebungsdruck gering ist. Also wird die Flüssigkeit durch ein Expansions- beziehungsweise Entspannungsventil entspannt. Durch die Druckverringerung kühlt die Flüssigkeit weiter ab und kann im nächsten Schritt wieder Wärme aufnehmen und verdampfen.

Der Wärmepumpenprozess besteht aus vier Schritten:

1. Verdampfen: Der Verdampfer nimmt die Umweltwärme auf und überträgt diese auf ein flüssiges Kältemittel, das dadurch verdampft und gasförmig wird. Ein Kältemittel, das unter geringem Druck steht und sich dadurch ausdehnen kann, wird für die Aufnahme und den Transport der Wärmeenergie benötigt.
2. Verdichten: Ein Kompressor, oder Verdichter, drückt das gasförmige Kältemittel zusammen, wodurch sich die Temperatur stark erhöht. Der Kompressor wird in der Regel durch Strom angetrieben. Je höher der Temperaturunterschied zwischen der Energiequelle und der benötigten Nutzwärme ist, desto höher fällt der Stromverbrauch einer Wärmepumpe aus.
3. Verflüssigen: Im dritten Schritt überträgt das komprimierte, erhitzte Kältemittel seine Wärme auf den Heizungskreislauf, kühlt dadurch ab und verflüssigt sich wieder. Dies passiert am Kondensator, dem Verflüssiger, mithilfe eines Wärmetauschers. Anschließend gibt das System die Wärme an die Räume ab oder speichert sie in einem Warmwasser- oder Pufferspeicher.
4. Entspannen: Im letzten Schritt wird der Druck des flüssigen Kältemittels in einem Entspannungsventil wieder herabgesetzt, wodurch es weiter abkühlt bis es seine Ausgangstemperatur erreicht hat. Danach beginnt der Wärmepumpenkreislauf von Neuem.

Die Jahresarbeitszahl, kurz JAZ, beschreibt die Effizienz des gesamten Heizsystems über ein Jahr und ist die wichtigste Größe zur Angabe der Effizienz einer Wärmepumpe im Betrieb. Die Jahresarbeitszahl misst das Verhältnis von zugeführter Energie (Strom) zu erzeugter Energie (abgegebener Wärme). Die Jahresarbeitszahl wird also im Gegensatz zu anderen Wärmepumpen-Kennzahlen unter realen Bedingungen und über die Dauer eines gesamten Jahres berechnet. Die JAZ wird nicht nur durch die Wärmepumpe beeinflusst. Wichtig ist auch die Effizienz des gesamten Heizsystems (inkl. Rohrleitungen, Heizkörpern bzw. Fußbodenheizung), die des Gebäudes (insbesondere der Wärmedämmung) sowie des individuellen Nutzungsverhaltens (liegt das Temperaturniveau im Wohnzimmer eher bei 20 oder bei 23 °C?). Daher kann die Jahresarbeitszahl nicht im Vorhinein von den Herstellern angegeben werden, sondern wird erst ein Jahr nach der Installation ermittelt.

Zur Ermittlung der Jahresarbeitszahl werden ein Stromzähler sowie ein Wärmemengenzähler benötigt. Wärmemengenzähler erfassen die ans Heizungs- und gegebenenfalls Brauchwassersystem abgegebene Wärmemenge, während der Stromzähler den von der Wärmepumpe aufgenommenen Strom erfasst.

JAZ = kWh/a (Heizwärme) geteilt durch kWh/a (Strom)

Beispiel: Bei einem Gebäude mit 20.000 kWh Heizenergieverbrauch pro Jahr werden 5.500 kWh Strom eingesetzt, um eine Wärmepumpe zu betreiben. Daraus lässt sich zunächst schließen, dass die Differenz zwischen Heizenergieverbrauch und Stromverbrauch aus der Umwelt gewonnen wird. Um nun die JAZ zu berechnen, wird der Heizenergieverbrauch durch den Stromverbrauch dividiert. Also 20.000 kWh/5.500 kWh = 3,6. Das ist die Jahresarbeitszahl.

Grundsätzlich gilt: Je höher die Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpe, desto effizienter arbeitet diese. Eine Anlage gilt als effizient, wenn sie eine JAZ von etwa 3,5 bis 5 erreicht. Erdwärmepumpen haben im Schnitt eine um 0,8 bis 1,0 höhere JAZ als Luftwärmepumpen, was an den Temperaturverhältnissen der Quelle liegt. Grundwasserwärmepumpen sind noch effizienter.

Der COP-Wert, der Coefficient of Performance bzw. die Leistungszahl, und auch der SCOP-Wert, der Seasonal Coefficient of Performance, geben auch das Verhältnis der durch die Wärmepumpe erzeugten Wärme zu der dazu nötigen Antriebsenergie (Strom) an, allerdings unter normierten Umständen und nicht über das Jahr gemessen.

COP = kWh (Heizwärme) geteilt durch kWh (Strom)

Das bedeutet, der COP ist ein Laborwert und die Werte werden in der Realität selten erreicht. Hierbei wird nur die Wärmepumpe alleine betrachtet (unabhängig vom Gebäude, von Heizungsrohren und Heizkörpern oder vom Nutzerverhalten). Es wird angegeben, wie effizient sie unter einer normierten Quellentemperatur (aus Luft, Wasser, Erdreich) und einer vorgegebenen Vorlauftemperatur arbeitet. Hierbei werden teilweise mehrere COP-Werte für eine Wärmepumpe im Datenblatt angegeben, da sich der Wert je nach Temperatur der Wärmequelle und benötigter Vorlauftemperatur der Heizung ändert. Neben der Quellentemperatur und der Vorlauftemperatur hängt diese Kennzahl wesentlich von der Art des Verdichters und vom Kältemittel ab.

Grundsätzlich gilt auch hier: Je höher der COP, desto effizienter ist die Wärmepumpe.

Der COP ist also grundsätzlich abhängig von der Temperatur der Wärmequelle und den benötigten Heiztemperaturen. Dadurch bildet jede Kombination dieser beiden Parameter einen anderen COP. Die Angabe des COP besteht aus Buchstaben und Gradzahlen. Der Buchstabe vor der Gradangabe gibt an, um welche Wärmequelle es sich handelt.
A= Luft/Air,
B= Erde/Brine,
W=Wasser/Water (Grundwasser).
Die Zahl gibt eine Temperatur an.

Beispiel COP Wärmepumpe: A2 / W35 = 4
Das Beispiel zeigt eine Luft-Wasser Wärmepumpe. Bei einer Außenlufttemperatur von 2 °C und einer Heizungswasservorlauftemperatur von 35 °C erreicht die Wärmepumpe einen COP von 4. Diese Wärmepumpe wäre auf den ersten Blick zum Beispiel für ein Gebäude mit Fußbodenheizung geeignet, da diese mit einer niedrigen Vorlauftemperatur von 35 °C betrieben werden kann.

Die einheitlichen Parameter definieren Betriebspunkte und wurden festgelegt, damit die Wärmepumpen unterschiedlicher Hersteller verglichen werden können. Diese liegen für eine Luft-Luft Wärmepumpe außen bei 7 °C und innen bei 20 °C, bei 100 % Leistung des Verdichters. Weitere Beispiele:

A2 / W35 für Luft-Wasser Wärmepumpen (Luft 2 °C, Vorlauftemperatur 35 °C)
B0 / W35 für Sole-Wasser Wärmepumpen (Sole bei 0 °C, Vorlauftemperatur 35 °C)
W10 / W35 für Wasser-Wasser Wärmepumpen (Grundwassertemperatur 10 °C, Vorlauftemperatur 35 °C)

Der Unterschied zur JAZ ist also: Der COP zeigt die momentane Effizienz einer Wärmepumpe, zu fest definierten Parametern, während die Jahresarbeitszahl die langfristige Effizienz im Betrieb über das Jahr darstellt.

Der SCOP (Seasonal Coefficient of Performance) erweitert den COP um mehrere Betriebspunkte, die unterschiedliche klimatische Bedingungen berücksichtigen. Im Gegensatz zum COP, der nur eine Momentaufnahme liefert, bezieht der SCOP die saisonalen Außentemperaturen in verschiedenen Klimazonen (kalt, mittel, warm) mit ein und bietet somit eine realistischere Einschätzung der saisonalen Effizienz über eine gesamte Heizperiode. Eine Anlage gilt als effizient, wenn sie einen SCOP von etwa 3,5 bis 5 erreicht.

Die Effizienz einer Wärmepumpe hängt von der Temperatur der Quelle und vor allem von der erforderlichen Heizungstemperatur ab. Die verwendete Wärmequelle hat dementsprechend einen Einfluss auf die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe, da der Temperaturhub von der Quelle zur Heizungswassertemperatur (Vorlauftemperatur) möglichst gering sein sollte. Je höher und konstanter die Temperatur der Quelle gerade im Winter ist, desto geringer ist diese Differenz. Daher eignet sich die Außenluft als Quelle nur bedingt, da sie insbesondere im Winter kalt ist. Die besten Jahresarbeitszahlen erreichen Wasser-Wasser Wärmepumpen, da diese ganzjährig die relativ hohen Quellentemperaturen des fließenden Grundwassers nutzen. Erdwärmepumpen kühlen im Betrieb zwar das Erdreich ab, wodurch die Quellentemperatur sinkt und das System ineffizienter wird. Diese Wärmepumpen arbeiten aber immer noch sehr effizient, solange die Abkühlung nicht zu groß wird. Luft-Wasser Wärmepumpen hingegen haben üblicherweise eine geringere Jahresarbeitszahl, da die als Wärmequelle genutzte Außenluft im Winter deutlich abkühlt und somit der Temperaturunterschied zur Vorlauftemperatur steigt. Auch das Vereisen der Außeneinheit einer Luft-Wasser Wärmepumpe muss durch Beheizung verhindert werden. Daraus resultiert ein höherer Stromverbrauch. Wenn die Temperatur der Wärmequelle zu niedrig ist, heizt eine Wärmepumpe in der Regel zusätzlich mit einem elektrischen Heizstab. Das ist eine sehr ineffiziente Notbeheizung, die aber hilft, wenn keine weiteren Wärmeerzeuger zur Beheizung vorhanden sind. Ein Heizstab wandelt eine kWh Strom in eine kWh Wärme um. Diese Art Beheizung, durch reine Umwandlung von Strom in Wärme, wie auch bei elektrischen Heizlüftern, würde einen COP von 1 bedeuten.

Als zweites beeinflusst insbesondere die Höhe der Vorlauftemperatur die Temperaturdifferenz zwischen „außen und innen“. Wärmepumpen arbeiten am effizientesten mit einer niedrigen Vorlauftemperatur. Ideal sind etwa 35 °C, weshalb sich Flächenheizungen (Fußboden-, Wand- oder Deckenheizung) am besten eignen. Durch ihre große Fläche können sie mit den geringen Vorlauftemperaturen die Beheizung bewerkstelligen. Die Flächenheizkörper erwärmen den Raum übrigens hauptsächlich durch Wärmestrahlung. Werden höhere Vorlauftemperaturen benötigt, wie bei üblichen Heizkörpern, erhöht sich der Stromverbrauch der Wärmepumpe. Die kleinen konventionellen Flach- oder Röhrenheizkörper erwärmen in erster Linie die Raumluft, die sich dann durch Luftbewegung im Raum verteilt. Ja nach Heizwärmebedarf benötigen diese Heizkörper wesentlich höhere Temperaturen, die eine Wärmepumpe unter Umständen nur ineffizient bereitstellen kann. Die Vorlauftemperaturen eines Heizungssystems sind also vor allem vom Heizwärmebedarf des Raums bzw. des Gebäudes und von der Fläche der Heizkörper abhängig. Dabei spielt die Wärmedämmung eine große Rolle, aber auch das Nutzerverhalten. Ab 55 °C Vorlauftemperatur werden viele Wärmepumpen ineffizient.

Die Dämmung eines Gebäudes beeinflusst die Jahresarbeitszahl erheblich, da gut gedämmte Gebäude weniger Wärmebedarf haben. Dieser geringere Wärmebedarf kann in der Regel mit relativ niedrigen Vorlauftemperaturen gedeckt werden. Eine Flächenheizung, wie die Fußbodenheizung, braucht generell nur geringe Vorlauftemperaturen. Aber auch kleinere, konventionelle Heizkörper können den Betrieb einer Wärmepumpe erlauben, wenn diese Heizkörper auch bei sehr geringen (normierten) Außentemperaturen mit maximal 55 °C Vorlauftemperatur versorgt werden müssen, um das Gebäude noch ausreichend zu beheizen. Wenn die Konstellation aus sehr niedrigen Außentemperaturen und dennoch ausreichender Beheizung mit maximal 55 °C Vorlauftemperatur nur an wenigen Tagen im Jahr vorkommt, ist die Ineffizienz der Wärmepumpe in diesen kurzen Zeiten zu rechtfertigen. Die maßgebende Norm-Außentemperatur wird bei der Berechnung und Auslegung der Heizung, also vor dem Einbau, berücksichtigt. Sie liegt in Deutschland, je nach Standort des Gebäudes, etwa zwischen minus 7 °C im Norden und minus 17 °C im Süden. Wenn die sogenannte Auslegungstemperatur, also die Vorlauftemperatur bei Norm-Außentemperatur, nicht über 55 °C liegen muss damit es innen behaglich bleibt, kann eine Wärmepumpe insgesamt gesehen effizient betrieben werden.

Hier wird auch ersichtlich, warum eine für die Heizung genutzte Wärmepumpe in der Regel zur Erwärmung von gespeichertem Warmwasser nicht geeignet ist. Der Temperaturhub ist über weite Teile des Jahres zu groß, da Warmwasser aus hygienischen Gründen auf eine Speichertemperatur von 60 °C erwärmt werden muss. Für die Warmwasserbereitung empfiehlt sich eine separate Warm- oder Brauchwasserwärmepumpe. Mehr zu dem Thema finden Sie weiter unten.

Im Neubau ist der Einsatz einer Wärmepumpe ohne weiteres möglich, da diese Gebäude ausreichend gedämmt sind. Sie verlieren wenig Wärme aus dem Inneren an die Außenluft. Die Auslegungstemperatur ist dann wesentlich geringer als 55 °C. Gebäude ab Baujahr 1995, die entsprechend der Wärmeschutzverordnung von 1995 erbaut wurden, erlauben häufig auch eine Auslegungstemperatur von 55 °C oder darunter. Flächenheizungen sind immer vorteilhaft, weil deren Vorlauftemperatur immer geringer ausfällt. Ältere Gebäude müssen in der Regel zunächst durch eine Sanierung für den Einsatz einer Wärmepumpe vorbereitet werden. Darunter können die nachträgliche Dämmung des Gebäudes, ein Fenstertausch und/oder ein Heizkörpertausch fallen. Ausnahmen können ältere Gebäude mit Fußbodenheizung sein, an denen gegebenenfalls zunächst keine Gebäudearbeiten für den Betrieb einer Wärmepumpe erforderlich sind.

Beispiele für Gebäude mit unterschiedlichem Temperaturhub:
Der Temperaturhub eines Neubaus mit geringem Heizwärmebedarf mit Fußbodenheizung und optimaler Vorlauftemperatur von 35 °C beträgt bei minus 10 °C Außentemperatur 45 °C. Für eine Wärmepumpe kein Problem.

Bei Gebäuden mit Baujahr ab 1995 können auch Vorlauftemperaturen bis 55 °C ausreichen, um bei Norm-Außentemperatur die Beheizung durch Heizkörper sicherzustellen (mit Fußbodenheizung und entsprechend geringer Vorlauftemperatur erst recht). Bei minus 10 °C außen beträgt der Temperaturhub 65 °C. Wenn auch diese kalten Bedingungen ungünstig sind, so arbeitet die Wärmepumpe den weit überwiegenden Teil der Heizperiode doch mit geringerem Temperaturhub (vielleicht zwischen 40 und 50 °C) und damit effizient.

Demgegenüber betrachten wir ein Haus mit hohem Heizenergiebedarf und kleinen Heizkörpern, zum Beispiel einen unsanierten Altbau von vor 1978. Dessen Vorlauftemperatur muss nicht selten über 70 °C liegen. Bei einer Außentemperatur von minus 10 °C beträgt der Temperaturhub dann oft mehr als 80 °C. Selbst wenn diese sehr kalten Bedingungen nur wenige Tage im Jahr herrschen, arbeitet die Wärmepumpe dennoch in vielen Zeiträumen unter sehr ungünstigen Bedingungen. Dies kann sie nicht effizient bewerkstelligen. Solche Gebäude müssen in der Regel für den Wärmepumpenbetrieb energetisch saniert werden.

Ein Großteil der Gebäude in Deutschland wurde zwischen 1978 und 1995 errichtet. Bei ihnen wurden bereits gewisse Dämmmaßnahmen umgesetzt. Dazu kommen (teilweise) sanierte Altbauten mit Heizkörpern oder Fußbodenheizung. Hier lässt es sich kaum im Voraus abschätzen, ob eine Wärmepumpe zu Beheizung sinnvoll ist oder nicht. Allerdings ist eine Fußbodenheizung immer sehr vorteilhaft und die Nutzung einer Wärmepumpe entsprechend vielversprechend. Als Anhaltspunkt für die Gebäude, die mit Heizkörpern beheizt werden, können auch hier immer Vorlauftemperaturen bis 55 °C bei Norm-Außentemperatur dienen. Die Auslegungstemperatur sollte aus Berechnungen bekannt sein. Ist dies nicht der Fall, kann eine neue raumweise Heizlastberechnung Klarheit schaffen. Daraus wird ersichtlich, mit welcher Heizungswassertemperatur die vorhandenen Heizkörper beschickt werden müssen bzw. welche Heizkörper (anstelle der vorhandenen) die erforderliche Leistung zur Beheizung mit 55 °C Vorlauftemperatur erbringen können. Dann werden, falls nötig und möglich, Heizkörper mit höherer Heizleistung eingebaut. Das heißt, größere oder Niedertemperaturheizkörper mit mehr Wärmeabgabefläche. Auch Aluminiumheizkörper anstelle von Stahlflächen oder Heizkörper mit Ventilatoren erlauben eine höhere Heizleistung. Der Austausch der Heizkörper reicht unter Umständen bereits aus, um Gebäude mit Baujahr 1978 bis 1995 für eine Wärmepumpe vorzubereiten.

Das Nutzerverhalten spielt auch eine wichtige Rolle beim Betrieb einer Wärmepumpe. Falsches Lüften, überhitze Räume (möglicherweise durch zu hohe Vorlauftemperaturen) oder auch ggf. das Auskühlen einzelner Räume erhöhen den gesamten Wärmebedarf und beeinflussen somit die Jahresarbeitszahl. Viele Hinweise zum Nutzerverhalten in Bezug auf Heizen und Lüften sowie Anleitungen zu Optimierung der Heizungsanlagen für Laien oder Informationen über den wichtigen hydraulischen Abgleich finden Sie auf den anderen Seiten unserer Homepage.

Die meisten modernen Wärmepumpenheizungen arbeiten mit einem sogenannten Inverter. Er moduliert die Heizleistung, daher heißen sie auch modulierende Wärmepumpen. Systeme ohne Inverter werden auch An-/Aus-Wärmepumpen genannt. Sie schalten den Kompressor jedes Mal ein- und aus (siehe Bild unten), was unter anderem den Stromverbrauch etwas erhöht sowie einen stärkeren Verschleiß und eine höhere Geräuschentwicklung mit sich bringt.

Invertergesteuerte Wärmepumpenheizungen sorgen für konstante Systemtemperaturen und eine gleichmäßigere Raumtemperatur. Sie regeln die Drehzahlen des Verdichters variabel und stufenlos, gemäß dem tatsächlichen Wärmebedarf des Gebäudes. Die Flexibilität des Betriebs bei der Leistungsregelung wird durch elektronische Schaltungen über den Inverter möglich. Dies erfordert aber auch Energieverluste durch Umwandlungen des Betriebsstroms. Dennoch sind diese Wärmepumpen in der Regel etwas effizienter, wenn sie weitestgehend im Teillastbereich operieren können. Sollten sie über längere Zeit unter Volllast laufen müssen, weil der Temperaturhub zu hoch für die entsprechend dimensionierte Wärmepumpe ist, sind sie der klassischen Wärmepumpe gegenüber im Nachteil. Das kann zum Beispiel in nur mäßig gedämmten Altbauten der Fall sein.

Bei herkömmlichen An-/Aus-Wärmepumpen schwanken die Vorlauftemperaturen und dadurch bedingt auch die entsprechenden Raumtemperaturen häufiger. Durch das ständige Takten werden neben dem Energieverbrauch auch der Verschleiß und die Betriebsgeräusche erhöht. Die gewünschte Raumtemperatur wird weniger präzise gesteuert. So kann es vorkommen, dass das die Räume temporär zu warm oder zu kühl sind, weil das System schubweise zu wenig oder zu viel Wärme bereitstellt. Pufferspeicher können das Problem lösen, indem sie überschüssige Energie zurückhalten und bei Bedarf bereitstellen.

Pufferspeicher können die Effizienz besonders bei An-/Aus-Wärmepumpen erhöhen. Sie speichern überschüssige Wärme und geben diese dann bei Bedarf an das Heizungssystem ab. Wärmeerzeugung und Wärmeverbrauch werden zeitlich getrennt. Der Pufferspeicher ist ein Wasserbehälter mit guter Wärmedämmung, der zwischen Wärmepumpe und Heizungsverteilsystem installiert wird. Im Detail gibt es verschiedene Arten von Speichern und Varianten, um sie in das System zu integrieren. Allerdings entstehen hier auch Speicherverluste.

Das Heizungswasser im Speicher wird auf eine gewisse Temperatur gebracht. So wird vom Wärmeerzeuger, beispielsweise einer An-/Aus-Wärmepumpe, zu viel bereitgestellte und nicht benötigte Wärmeenergie zwischengelagert. Besteht dann Heizbedarf, wird das warme Wasser des Pufferspeichers verwendet und an die Heizkörper weitergeleitet (Vorlauf). Anschließend fließt das abgekühlte Wasser über den Rücklauf wieder in den Speicher und kann bei Wärmeüberschuss wieder erwärmt werden. Zudem werden Ein- und Ausschalt-Intervalle der Pumpe optimiert, wodurch die Belastungen und der Verschließ verringert werden.

Über einen Pufferspeicher als Schnittstelle können noch weitere Wärmeerzeuger in das System integriert werden, deren Zusammenspiel dann energieeffizienter gestaltet werden kann. Während monovalente Heizungsanlagen nur aus einem Wärmeerzeuger bestehen, sind bei bivalenten Anlagen zwei integriert. Diese auch Hybrid-Heizungen genannten Anlagen können beispielsweise aus einer Wärmepumpe und einem Öl-/Gaskessel bestehen. Der Kessel kann in sehr kalten Zeiten die Beheizung ganz oder teilweise übernehmen und so die bei diesen Temperaturen ineffizient arbeitende Wärmepumpe ersetzen. Ein Speicher für überschüssige Wärme kann auch für eine höhere Nutzung regenerativer Energiequellen sorgen. Eine Kombination aus Wärmepumpe und Pufferspeicher ist also auch sinnvoll, wenn Sie noch Solarthermie, Photovoltaik oder einen Holzofen in das System einbinden möchten. Alle diese Anlagen können dann den Pufferspeicher mit Wärmeenergie für die spätere Nutzung befüllen, wenn der momentane Heizenergiebedarf des Gebäudes gering ist. Auch Sperrzeiten, die Energieversorgungsunternehmen beim Bezug von Wärmepumpenstrom aufgrund von Stromengpässen bei hoher Nachfrage verhängen, können mit einem Pufferspeicher überbrückt werden. Mit dem Einverständnis zu diesem Vorgehen der Versorger ergeben sich in der Regel auch günstige Wärmestromtarife. Dadurch wird zu Zeiten günstigen Stroms das Speicherwasser dann von der Wärmepumpe erhitzt und kann zu einem späteren Zeitpunkt zur Beheizung genutzt werden. Daher sind Pufferspeicher weit verbreitet.

Im Haushalt wird Warmwasser etwa zum Spülen, Duschen oder Putzen benötigt. Dafür reichen in der Regel 45 °C aus. Aus hygienischen Gründen muss die Speichertemperatur von Warmwasser jedoch ganzjährig 60 °C betragen, denn bei dieser Temperatur ist besonders die Legionellengefahr gebannt. Wie aber gesehen, kann ein Temperaturhub bis hoch zu 60 °C Warmwassertemperatur für eine Wärmepumpe sehr ungünstig sein. Auch hier gilt die Obergrenze von 55 °C, und auch die nur für kurze Zeiträume. Einige Wärmepumpen schaffen konstruktionsbedingt auch gar keine 60 °C und es wird per Heizstab, entsprechend ineffizient, nachgeheizt. Daher sollte die Wärmepumpe, die zur Raumbeheizung genutzt wird, nicht auch das Brauchwasser über eine Vorratshaltung mit Warmwasserspeicher bereitstellen müssen. Eine Alternative zur Warmwasserbereitung mit Heizungswärmepumpe und Warmwasserspeicher ist der Einbau einer Frischwasserstation, auch Trinkwasserstation genannt. Dabei nutzt die Frischwasserstation die Wärme des Heizungswassers, ohne das warme Trinkwasser vorzuhalten. Die Heizungswärmepumpe kann so eine Temperatur von beispielsweise 45 °C für das Trinkwasser effizient ermöglichen, in dem das frische Trinkwasser durch einen Pufferspeicher geführt und dabei temperiert wird. Warmwasser wird dann nach Bedarf und ohne problematische Speicherung bereitgestellt, analog zur Funktion eines Durchlauferhitzers. Eine Entnahme von Wasser mit hohen Temperaturen ist bei diesem System kurzfristig nur möglich, wenn wiederum ein Heizstab eingebunden wird. Technisch ist vieles machbar, aber unter Umständen wird das System aufwändig, komplex und fehleranfällig.

Zum Einbau einer Frischwasserstation gibt es weitere effiziente Alternativen, zum Beispiel spezielle Warmwasserwärmepumpen mit Speicher oder die weit verbreiteten elektrischen Durchlauferhitzer. Für die Versorgung mit Durchlauferhitzern ist kein Speicher erforderlich und die extrem geringen Energieverluste entstehen nur auf den sehr kurzen Wegen vom Erhitzer zur Zapfstelle.

Während Durchlauferhitzer also in der Nähe der Zapfstelle angebracht werden, ist für Warmwasserwärmepumpen ein geeigneter, unbeheizter Aufstellort notwendig. Es eignen sich Keller, Vorratsräume oder Hauswirtschaftsräume, in denen eine relativ hohe Lufttemperatur herrscht. Also besonders der Heizungsraum, in dem eine konventionelle Heizung steht. Da die Warmwasserwärmepumpe der Umgebungsluft die Wärme entzieht, kann die Raumtemperatur zwar um etwa zwei bis vier Grad absinken, aber die verhältnismäßig warme Umgebung sorgt für eine bessere Jahresarbeitszahl. Die entzogene Wärme wird auch in Räumen ohne Abwärmeeintrag wieder problemlos über die Kellerwände, -decke oder -fußboden ersetzt, wenn der Raum nicht zu klein ist. Zehn Quadratmeter groß sollte der Raum mindestens sein. Eine offene Tür oder Zu-/Abluftrohre zu einem geeigneten Nachbarraum können hier helfen. Ein weiterer positiver Nebeneffekt ist, dass der Raum entfeuchtet wird. Die feuchtwarme Luft wird zur Wärmegewinnung angesaugt und als trockenere Luft wieder an den Raum abgegeben. Das anfallende kondensierte Wasser wird über einen Ablauf ins Abwassersystem eingebracht. So können auch Keller zu einem gewissen Grad entfeuchtet werden. Es gibt noch viele Details über Umluft-, Außenluft- oder Abluftwarmwasserwärmepumpen oder über deren Kombination, über die ein Fachbetrieb sicher Auskunft geben wird.

Ein Durchlauferhitzer benötigt eine hohe elektrische Leistung, um das Wasser beim Durchfließen zu erhitzen. Eine Warmwasserwärmepumpe mit Speicher kann das Warmwasser über einen längeren Zeitraum mit viel weniger Leistung auf Temperatur bringen, wobei auch im Winter der Strom einer PV-Anlage auf dem Dach ausreichen kann.

Ein weiterer Vorteil von Warmwasserwärmepumpen ist, dass sie ohne Rahmenbedingungen, wie die Gebäudedämmung oder die Erneuerung der Heizungsanlage, jederzeit eingebaut werden können. Empfehlenswert ist, eine Warmwasserwärmepumpe sowohl im Neu- als auch im Altbau. Sie lassen sich problemlos mit allen zentralen Heizungssystemen kombinieren. Damit sind Heizungs- und Warmwassersystem getrennt, was für Einfachheit sorgt, da keine Verschaltungen zwischen den Systemen die Regelung verkompliziert.