Wie funktioniert eine Wärmepumpe? – Plus Solarenergie, Kosten, Förderung, Vor- und Nachteile

• Bis Mitte 2028 müssen gemäß Heizungsgesetz alle neuen Heizungen zu 65 Prozent mit erneuerbarer Energie betrieben werden. Eine Wärmepumpe trägt dazu bei.
• Wie funktioniert eine Wärmepumpe? Ein in der Wärmepumpe zirkulierendes Kältemittel entzieht der Umgebung (Erdreich, Luft, Grundwasser) Wärme, verdampft und wird mittels Kompressor verdichtet. Die dabei entstehende Wärme wird über einen Wärmetauscher an das Heizsystem abgegeben.
• Man unterscheidet Luft-Wasser-, Wasser-Wasser- und Sole-Wasser-Wärmepumpen, die mit Solarenergie, Windkraft oder Netzstrom betrieben werden.
• Eine niedrige Vorlauftemperatur und gut gedämmte Gebäude sind ideale Voraussetzungen für den Wärmepumpeneinsatz.
• Die Wärmepumpe hat Vor- und Nachteile: gute Klimabilanz, Heizkostenersparnis, wartungsarm, aber auch Anschaffungskosten und Geräuschemissionen.
•  Die Wärmepumpe im solaren Betrieb ist günstig und nachhaltig, jedoch ist der Solarbetrieb nicht ganzjährig möglich.
• Die durchschnittlichen Kosten für den Kauf und den Einbau einer Wärmepumpe liegen zwischen 8.000 und 16.000 Euro. Dafür sind spezielle Wärmepumpen-Förderungen möglich.
• Umweltfreundliche Alternativen zur Wärmepumpe sind Pelletheizungen, Solarthermie und Fernwärme.

Seit der Novelle des Gebäudeenergiegesetzes, dem sogenannten Heizungsgesetz, fällt in den Medien immer wieder der Begriff Wärmepumpe. Du willst wissen: Was genau ist das und wie funktioniert eine Wärmepumpe? Die umweltfreundlichen Wärmepumpen funktionieren ähnlich wie Kühlschränke, nur dass sie Wärme produzieren:

• Ein flüssiges Kältemittel wie Propan nimmt im Verdampfer Wärmeenergie aus der Umwelt (Boden, Wasser, Luft) auf und ändert seinen Aggregatzustand zu gasförmig.
• Ein Verdichter komprimiert das Gas mittels elektrischer Energie. Dabei erhöhen sich Druck und Temperatur.
• Die erzeugte Wärme wird im Kondensator an den Heizkreislauf abgegeben. Sie gelangt entweder direkt zu den Heizkörpern oder wird in einem Speicher vorgehalten.
• Gleichzeitig kühlt sich das Kältemittel ab, kondensiert und fließt in ein Entspannungs- oder Expansionsventil. Durch eine Druckverringerung wird die Temperatur auf das anfängliche Niveau gesenkt, und der Kreislauf kann von Neuem beginnen.
   

Wie effizient arbeiten Wärmepumpen?

Eine Wärmepumpe benötigt neben dem Kältemittel Wärme und Strom, um zu arbeiten. Während Erstere aus der Umgebung stammen, muss der Strom von außen zugeführt werden. Entscheidend für die Effizienz ist die Frage: Wie viel Strom benötigt die Wärmepumpe für ihren Betrieb? Je mehr Wärmeenergie das Kältemittel im Verdampfer aufnimmt, desto weniger Energie muss beim Verdichten zugeführt werden. Da Luft Wärme weniger gut speichern kann, haben Sole-Wasser-Wärmepumpen und Wasser-Wasser-Wärmepumpen gegenüber Luft-Wasser-Wärmepumpen einen Effizienzvorteil. In tieferen Erdschichten und im Grundwasser herrschen auch im Winter und bei Frost Plusgrade.

Aufschluss über die Effizienz geben zwei Werte, die du bei Wärmepumpen immer wieder finden wirst:

• Der COP („Coefficient of Performance“), auch Leistungszahl oder Wirkungsgrad genannt, ist der Quotient aus erzeugter Wärme und zugeführtem Strom. Eine Wärmepumpe, die 1 Kilowatt (kW) Strom in 4 kW Wärme umwandelt, hat einen COP von 4. Das Problem: Der COP wird im Labor gemessen und basiert auf Normbedingungen.
• Wie effizient deine Wärmepumpe im Jahresverlauf arbeitet, sagt dir die Jahresarbeitszahl (JAZ). Sie ergibt sich aus dem Verhältnis von zugeführter zu abgeführter Energie (Formel: abgeführte thermische Energie / zugeführte elektrische Energie). Auch hier gilt: je größer der Wert, desto effizienter die Wärmepumpe.

Welche Arten von Wärmepumpen gibt es?

Jede Art von Wärmepumpe hat Vor- und Nachteile. Für Hausbesitzer:innen kommen vor allem drei Arten von Wärmepumpen infrage:

Welche Leistung bringen Wärmepumpen?

Dank verschiedener Leistungsstufen kannst du die Wärmepumpe ideal an dein Haus anpassen. Neben der zu beheizenden Quadratmeterzahl zählen der Energieeffizienzgrad des Hauses und dein Heizverhalten zu den entscheidenden Faktoren für die benötigte kW-Leistung der Wärmepumpe.

• Eine Wärmepumpe mit 5 bis 15 kW reicht für 100 Quadratmeter (m2) Wohnfläche.
• Eine Wärmepumpe mit 18 kW gilt als hocheffizient und kann Häuser mit mehr als 200 m2 mollig warm beheizen.
• Eine Wärmepumpe mit 15 bis 35 kW benötigst du für Wohnflächen von 300 m2 und mehr.

Als Faustregel gilt: Die Wärmepumpe sollte eine Leistung von etwa 0,015 bis 0,05 kW pro Quadratmeter mitbringen. Der untere Wert reicht für ein Passivhaus aus – ideal für eine Luft-Wasser-Wärmepumpe. Ein KfW-Effizienzhaus 55 benötigt bereits 0,04 kW pro Quadratmeter, während du für einen gedämmten Altbau 0,05 kW pro Quadratmeter kalkulieren musst. Zur Heizlastberechnung nach DIN EN 12831 kannst du den Heizlastrechner des Bundesverbands Wärmepumpe (BWP) e.V. nutzen.

Willst du zusätzlich die Warmwasserversorgung über die Wärmepumpe gewährleisten, muss diese noch mehr Leistung haben – verbraucht dann aber auch mehr Strom. Im folgenden Abschnitt werfen wir einen Blick auf diesen Faktor.

Woher stammt der Strom für die Wärmepumpe?

Besonders preiswert betreibst du deine Wärmepumpe mit Solar-Energie. Außerdem haben mit erneuerbaren Energien betriebene Wärmepumpen bei der CO2-Einsparung die beste Bilanz. Dient die Wärmepumpe mit Solarstrom auch für die Warmwasserbereitung (Solarthermie), kannst du dich über eine bessere Ausnutzung des selbst produzierten Stroms freuen und musst weniger Überschuss einspeisen.

Wer keine eigene Anlage besitzt, um die Wärmepumpe mit Solar- oder Windkraft zu betreiben, muss den Strom für die Wärmepumpe aus dem öffentlichen Netz beziehen. Dafür bieten die meisten Versorger spezielle Wärmepumpentarife mit etwa 20 Cent/kWh an – deutlich weniger, als du für deinen Haushaltsstrom bezahlen musst.

Doch Achtung: Manche Wärmepumpen besitzen einen Heizstab, der einspringt, wenn die Wärme der Umgebung nicht ausreicht. Dieser Heizstab fällt meist nicht in den Wärmepumpen-Tarif und muss mit teurem Strom betrieben werden. Je nach Gebäudedämmung und Heizlast fallen Stromkosten von 230 und 1.400 Euro im Jahr für den Betrieb der Wärmepumpe an.

Wärmepumpen liefern nicht nur günstige Wärme für den Haushalt. Sie sind auch nachgewiesen umweltfreundlich, da sie keine fossilen Brennstoffe benötigen und bis zu 75 Prozent ihrer Energie aus der Umgebung beziehen. Somit dienen Wärmepumpen der CO2-Einsparung. Darum sollten Wärmepumpen in möglichst vielen Gebäuden klimafreundliche Wärme liefern. Das ist jedoch nur dann sinnvoll, wenn folgende Kriterien erfüllt sind:

Niedrige Vorlauftemperatur

Je stärker die Wärmepumpe das Kältemittel erwärmen muss, desto höher fällt ihr Strombedarf aus. Darum empfehlen sich vor allem Heizungen mit niedriger Vorlauftemperatur. Eine Fußbodenheizung benötigt aufgrund ihrer Fläche maximal 60 Grad Celsius und ist daher ideal geeignet.

Moderne Dämmung

Niemand möchte „den Garten heizen“ – bei einer Wärmepumpe ist entweichende Wärme besonders problematisch, da die Pumpe im Dauerbetrieb arbeiten muss. Um hohe Stromkosten und Verschleiß zu vermeiden, spielt die Dämmung des Gebäudes eine große Rolle.

Lohnen sich Wärmepumpen im Altbau?

Wer ein neues Haus baut, kann Heizsystem und Dämmung perfekt auf die Wärmepumpe abstimmen. Doch was ist mit Altbauten? Sind Wärmepumpen dort völlig fehl am Platz, wie man immer wieder liest?

Die gute Nachricht: Ganz so dramatisch ist es nicht. Auch wenn die Wärmepumpe in einem älteren Gebäude weniger effizient arbeitet, kann sie sich lohnen, wenn:

• Die alten Rippenheizkörper durch größere Modelle oder spezielle Wärmepumpen-Heizkörper ersetzt werden. So lassen sich die benötigten Vorlauftemperaturen senken.
• Das Gebäude durch eine energetische Sanierung effektiv gedämmt wurde – beispielsweise durch eine Hohlraum- oder Schüttdämmung und eine Dachsanierung – sowie modern isolierte Fenster. Eine Energieberatung ist vor der Installation im Altbau unbedingt empfehlenswert.

Wie hoch ist die Wärmepumpen-CO2-Einsparung?

Ob mit oder ohne Strom aus erneuerbaren Energien tragen Wärmepumpen zur CO2-Einsparung bei. Damit kommt ihnen eine Schlüsselrolle zu, um die Klimaziele des „European Green Deal“ zu erreichen: 55 Prozent weniger Treibhausgasemissionen bis 2030. Damit Deutschland die Vorgaben erfüllen kann, müssen diese sogar um 65 Prozent sinken – und das wird nur mit der flächendeckenden energetischen Modernisierung des Gebäudebestands gelingen. Bei der Wärmepumpen-CO2-Einsparung ist der Wirkungsgrad relevant. Jahresarbeitszahlen von 4,0 oder mehr stehen für eine Kombination aus Energieeffizienz, Klimafreundlichkeit und geringen Kosten. Im Vergleich Wärmepumpe vs. Gasheizung oder Ölheizung zeigt sich, wie viel CO2 die Wärmepumpe einsparen kann:

Das sind schon heute 44 bis 60 Prozent  Wärmepumpen-CO2-Einsparung gegenüber Gasheizungen. Bis 2030 wird die Einsparung sogar bis zu 87 Prozent betragen.

Wärmepumpen haben Vor- und Nachteile, wobei Letztere meist auf mangelnde Planung zurückzuführen sind. Die folgenden Probleme können auftreten:

Wärmepumpe ist zu klein/leistungsschwach

Oft wird eine Wärmepumpe aus Kostengründen zu klein dimensioniert – oder Kund:innen schätzen ihren eigenen Bedarf nicht realistisch ein. Luftwärmepumpen versorgen nur kleine Einfamilienhäuser mit Wärme. Wer größere Gebäude beheizen möchte, ist mit Wasser- oder Grundwasser-Wärmepumpen besser beraten.

Wärmepumpe ist zu groß

Auch der umgekehrte Fall birgt seine Tücken: Wird eine Wärmepumpe zu groß dimensioniert, liefert sie zwar schnell die benötigte Temperatur, schaltet sich jedoch häufiger an. Dadurch arbeitet die Wärmepumpe im Frühling und Herbst im Dauerbetrieb. Durch die starke Beanspruchung des Kompressors verkürzt sich die Lebensdauer.

Abhilfe schaffen Wärmepumpen mit Inverter, welche die Drehzahl des Kompressors anpassen, sodass die Wärmepumpe stets im optimalen Leistungsbereich arbeitet. Der Betrieb wird effizienter, schonender und gleichzeitig leiser – gute Gründe, sich trotz höherer Kosten für eine Inverter-Wärmepumpe zu entscheiden.

Probleme mit der Hydraulik

Wird die erzeugte Wärme ungleichmäßig verteilt, können einzelne Räume überheizt werden, während andere kalt bleiben. Dies senkt den Wohnkomfort und die Effizienz der Wärmepumpe, und bei zu hohem Druck treten störende Fließgeräusche auf. Beim Einbau der Wärmepumpe solltest du daher einen hydraulischen Abgleich vornehmen lassen. Wenn du eine Förderung in Anspruch nehmen möchtest, ist dieser Schritt sogar vorgeschrieben.

Keine Berücksichtigung der Sperrzeiten

Stromversorger bieten günstige Wärmepumpentarife an. Was jedoch oft vergessen wird: Der Versorger darf die Stromversorgung bis zu dreimal am Tag für zwei Stunden unterbrechen, um das Netz zu entlasten. Im schlimmsten Fall muss deine Wärmepumpe also 6 Stunden ohne Strom auskommen. Sie sollte genug Wärme produzieren, um den (ausreichend dimensionierten) Pufferspeicher zu befüllen. Andernfalls müssten der Heizstab oder eine zweite Heizung anspringen, was den Stromverbrauch erhöht.

Geräuschentwicklung

Luftwärmepumpen saugen die Umgebungsluft mit großen Ventilatoren an, die Geräusche verursachen. Ein Schallpegel von 30 bis 50 Dezibel fällt tagsüber kaum ins Gewicht, kann jedoch die Nachtruhe stören. Darum sollten Wärmepumpen nie direkt neben dem Schlafzimmer verbaut werden. Auch die Installation zwischen zwei Mauern ist keine gute Idee, da sich die Geräusche dort verstärken. Besser geeignet ist ein Standort in der Nähe schallisolierender Hecken oder Rasenflächen.

Eine Photovoltaikanlage liefert günstigen, sauberen Strom direkt vom Dach. Was läge also näher, als die eigene Wärmepumpe mit Solar-Energie zu betreiben? Tatsächlich bringt diese Strategie mehrere Vorteile:

Wie funktioniert eine Wärmepumpe mit Solarstrom?

Um eine Wärmepumpe solar zu betreiben, kommen drei Möglichkeiten infrage:

1. Die Wärmepumpe ist direkt mit dem Wechselrichter der Solaranlage verbunden. Steht genug Solarstrom zur Verfügung, treibt dieser die Wärmepumpe an. Wenn keine Sonne scheint oder zu viele andere Verbraucher:innen in Betrieb sind, muss Strom aus dem Netz bezogen werden.
2. Eine Photovoltaikanlage mit Batteriespeicher kann überschüssigen Strom vorhalten. So lässt sich die Wärmepumpe auch in den Abendstunden mit Solarstrom betreiben.
3. Einen noch höheren Autarkiegrad erreichst du mit Energiemanagement-Systemen. Sie verteilen den erzeugten Strom optimal an alle Verbraucher:innen, den Speicher und die Wärmepumpe – immer mit dem Ziel, möglichst wenig externen Strom zu beziehen. Energiemanagement-Systeme sind lernfähig und analysieren den Tagesbedarf der Nutzer:innen. Die Investition zahlt sich aus, denn so lässt sich der meiste Strombedarf einer Wärmepumpe mit Solarstrom decken.

Schon gewusst? Die Kombination aus Wärmepumpe und Photovoltaik hilft beim Energiesparen und steigert den Wert einer Immobilie. So kannst du beim Verkauf oder der Vermietung einen deutlich höheren Preis erzielen.

Wärmepumpen und Solarstrom – welche Einschränkungen gibt es?

Wärmepumpen solar zu betreiben, ist aus finanzieller und ökologischer Sicht eine gute Idee. Dennoch solltest du folgende Einschränkungen beachten:

Leistung der Anlage als limitierender Faktor

Wärmepumpen verbrauchen etwa 3.000 bis 6.000 Kilowattstunden (kWh) Strom pro Jahr. Vergleicht man diese Zahlen mit dem durchschnittlichen Stromverbrauch eines Vier-Personen-Haushalts – also 3.000 bis 4.000 kWh – wird klar: Eine Wärmepumpe kann den Gesamtbedarf an Strom verdoppeln oder gar verdreifachen. Da muss die Solaranlage genug Leistung liefern. Bei großen Anlagen ist das kein Problem. Schwieriger wird es, wenn nur eine kleine Dachfläche zur Verfügung steht. Dann reichen die verbauten Solarmodule eventuell nicht aus, um Haushaltsgeräte und Wärmepumpe mit Strom zu versorgen.

Keine komplette Versorgung mit Solarstrom

Selbst die größte und leistungsstärkste Solaranlage kann eine Wärmepumpe nicht komplett mit Strom versorgen. Warum das so ist, verrät ein Blick auf den Jahresverlauf. Naturgemäß produziert eine Photovoltaikanlage den meisten Strom im Sommer, gefolgt von den Frühlings- und Herbstmonaten. Am geringsten fällt die Ausbeute im Winter aus, wenn die Sonneneinstrahlung ihr Minimum erreicht. Leider verläuft die Heizkurve genau andersherum. Der Bedarf ist zum Jahresanfang und am Ende am höchsten, während er im Sommer abflaut. Konkret heißt das: Genau dann, wenn die Wärmepumpe am meisten arbeiten muss, steht der wenigste Solarstrom zur Verfügung – und andersrum.

Das Problem lässt sich auch mit einer Steigerung der Anlagenleistung nicht lösen. Im Winter wären die Mehrerträge zu gering, als dass sie die zusätzlichen Kosten der Installation ausgleichen. Photovoltaik ist kein „Freibrief“, um ineffiziente Wärmepumpen zu verbauen.

Versorgung von Luft-Wasser-Wärmepumpen mit Solardachziegeln

Mit Solardachziegeln lässt sich Strom gewinnen, ohne das Aussehen des Daches zu verändern. Deswegen kommen sie auch im Denkmalschutz zum Einsatz. Die Funktionsweise gleicht jener herkömmlicher PV-Anlagen, sodass du deine Luft-Wasser-Wärmepumpe auch mit solaren Dachziegeln betreiben kannst.

Forscher der Technischen Hochschule (TH) Köln fanden heraus, dass Solarziegel nicht nur Strom produzieren, sondern sich auch im Betrieb aufheizen. Werden Luftkanäle in die Solarziegel geschnitten, kann die warme Luft für die Wärmepumpe genutzt werden. Tests zeigen: So lässt sich deren Effizienz um ganze 25 Prozent steigern.

Viele Hausbesitzer:innen scheuen die Investition in die Technik. Die im Heizungsgesetz verankerten Vorgaben und Fristen zwingen sie nun dazu, sich mit dem Thema auseinanderzusetzen. Was kostet eine Wärmepumpe? Zieht man den Vergleich Wärmepumpe vs. Gasheizung beziehungsweise Gas-Brennwertkessel, muss man für die Wärmepumpe einiges mehr hinblättern. Mit Kosten zwischen 8.000 und 16.000 Euro musst du für eine Wärmepumpe rechnen. Wie viel genau und was sonst noch anfällt, hängt von der Art der Wärmepumpe ab, das heißt von dem Modell, aber auch von den Kosten für die Erschließung der Wärmequelle.

Auch wenn die Luft-Wasser-Wärmepumpe aufgrund der fehlenden Erschließungskosten am preisgünstigsten ausfällt, lohnt sich die Investition in die teureren Varianten aufgrund des deutlich höheren Wirkungsgrads der Anlage und der geringeren Stromkosten.

Es gibt für den Erwerb und den Einbau einer Wärmepumpe Förderungen, zum Beispiel über die Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) in Kooperation mit der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW). Förderfähig sind energieeffizienzerhöhende Einzelmaßnahmen an Gebäuden.

• Für den Einbau einer Wärmepumpe ist eine Förderung mit dem einkommensunabhängigen Grundfördersatz von 30 Prozent möglich.
• Wer seine über 20 Jahre alte Gasheizung gegen eine Wärmepumpe tauscht, kann zusätzlich 20 Prozent Klimageschwindigkeitsbonus erhalten.
• Bezieht die mit einem natürlichen Kältemittel wie Propan betriebene Wärmepumpe ihre thermische Energie aus Wasser, Abwasser oder Erde, sind weitere 5 Prozent Bonus drin.
• Einkommensschwache Haushalte (unter 40.000 Euro Jahreseinkommen) können weitere 30 Prozent Einkommensbonus beantragen.

Die Wärmepumpe-Förderung durch die Bundesförderung für effiziente Gebäude lässt sich mit einem zinsvergünstigten Ergänzungskredit kombinieren. Für manche Maßnahmen des Förderprogramms ist die fachliche Beratung und Begleitung durch eine:n Energieeffizienzexpert:in vorgeschrieben – für die Wärmepumpe-Förderung gilt das nicht. Dennoch kann die ebenfalls geförderte Beratung für die optimale Planung und Umsetzung vorteilhaft sein.

Es muss nicht immer eine Wärmepumpe sein. Du kannst die Vorgaben aus dem Heizungsgesetz auch mit anderen umweltfreundlichen Heizungslösungen umsetzen.

Wärmepumpen sind alles andere als ein kurzlebiger Trend. Richtig eingesetzt, können sie Heizkosten erheblich senken und einen Beitrag zum Klimaschutz leisten. Ebenso richtig ist aber auch: Eine Wärmepumpe hat Vor- und Nachteile – egal, ob sie mit externem Strom oder einer Solaranlage betrieben wird. Die Wahl der richtigen Wärmepumpen-Art und -Leistung ist ebenso wichtig wie die Heizungstechnik und die Dämmung der Immobilie. Nur wenn diese Faktoren aufeinander abgestimmt sind, kannst du das Maximum aus deiner Wärmepumpe herausholen.

Zuletzt aktualisiert 13.03.2024