Wie funktioniert eine Luft-Wasser-Wärmepumpe? Ein Leitfaden für Einsteiger
Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe ist ein modernes Heizsystem zur Nutzung der Wärmeenergie der Umgebungsluft für die Warmwasserbereitung und die Beheizung von Gebäuden. Sie funktioniert nach dem Prinzip eines Kühlschranks, nur umgekehrt. Statt der Wärmeabgabe aus dem Innenraum entzieht sie der Aussenluft Energie und gibt diese an das Heizsystem ab. Auch bei Minusgraden arbeitet die Wärmepumpe wirtschaftlich. Da sie überwiegend erneuerbare Energiequellen nutzt und im Vergleich zu fossilen Heizsystemen weniger Ressourcen verbraucht, zählt sie zu den umweltfreundlichsten Technologien. Damit trägt sie in vielen Gebäuden der Schweiz zu einer nachhaltigen Erzeugung von Wärme bei.
Aufbau einer Luft-Wasser-Wärmepumpe
Um die Funktionsweise der Wärmepumpe zu verstehen, betrachten wir zunächst die wesentlichen Bestandteile. Dazu gehören die Wärmequelle, die Wärmepumpe und die Wärmeverteilung und -speicherung.
Wärmequelle
Als Energiequelle der Luft-Wasser-Wärmepumpe dient die Umgebungsluft. Mithilfe eines Ventilators wird die Luft aus der Umgebung angesaugt und der Wärmepumpe zugeführt. Diese Funktionsweise ermöglicht eine einfache Aufstellung. Im Gegensatz zu anderen Wärmepumpen sind keine Erdarbeiten erforderlich.
Wärmepumpe
In der Ausseneinheit befindet sich der Verdampfer, in dem die Luft mit einem Kältemittel in Kontakt kommt. Dieses Kältemittel wird mit dem Verdampfer in einen gasförmigen Zustand transformiert. In der Inneneinheit befinden sich der Kompressor, der Kondensator und die Steuerung. Diese ist für die Übertragung der aus der Luft gewonnenen Wärme an das Heizsystem verantwortlich.
Wärmeverteilung und -speicherung
Die von der Wärmepumpe erzeugte Heizwärme wird über ein Wärmeverteil- und Speichersystem an die Innenräume abgegeben. Dabei kann die Wärmepumpe sowohl zur Versorgung von Fussbodenheizungen als auch zur Versorgung von konventionellen Heizkörpern eingesetzt werden. Auch die Kombination mit einem Warmwasserspeicher ist möglich, sodass neben der Beheizung des Gebäudes auch die Bereitstellung von Warmwasser möglich ist.
Luft-Wasser-Wärmepumpe-Funktion in 5 Schritten
Luft-Wasser-Wärmepumpen-Funktion in fünf Schritten einfach erklärt: Ansaugung → Verdampfung → Verdichtung → Übertragung → Druckabbau.
1. Ansaugung
Die Luft-Wasser-Wärmepumpe beginnt ihren Betrieb mit dem Ansaugen der Umgebungsluft durch einen Ventilator und dem Durchströmen eines Wärmetauschers im Aussengerät. Je nach Ausführung können Luft-Wasser-Wärmepumpen sogar bei Temperaturen bis –15 °C effizient arbeiten. Entscheidend ist dabei nicht die absolute Lufttemperatur, sondern die durch das Kältemittel nutzbare Temperaturdifferenz. Durch den Luftstrom von aussen wird eine konstante Wärmeaufnahme gewährleistet. Die Luftansaugung variiert je nach Leistungsstufe der Pumpe. Hochwertige Modelle passen die Drehzahl des Ventilators dynamisch an die Aussentemperatur an, um den Betrieb möglichst effizient zu gestalten.
2. Verdampfung
Im Verdampfer wird die angesaugte Luft in einem geschlossenen Kreislauf mit einem speziellen Kältemittel in Berührung gebracht. Dieses hat einen sehr niedrigen Siedepunkt, was zur Folge hat, dass es bereits bei tiefen Temperaturen verdampft. Das Kältemittel geht also in einen gasförmigen Zustand über, wenn es auf die Umgebungsluft trifft. Hier wird die aufgenommene Wärmeenergie an das Kältemittel in der Wärmepumpe abgegeben. Um den ökologischen Fussabdruck der Anlage zu minimieren, verwenden moderne Wärmepumpen zudem umweltfreundliche Kältemittel.
3. Verdichtung
Das gasförmige Kältemittel gelangt nun in den Verdichter. Da hier die entscheidende Temperaturerhöhung stattfindet, ist dieses das zentrale Element der Wärmepumpe. Durch Verdichtung wird das Kältemittel stark komprimiert, was eine Erhöhung des Drucks zur Folge hat. Das Prinzip lässt sich mit einer Luftpumpe vergleichen. Wird die Luft hineingepresst, erwärmt sie sich im Inneren. In der Wärmepumpe sorgt der Verdichter dafür, dass das Kältemittel eine ausreichend hohe Temperatur erreicht, um die Heizenergie effizient abzugeben.
4. Übertragung
Der Kältemitteldampf überträgt die aufgenommene Energie an einen zweiten Wärmetauscher, der sie an das Heizwasser abgibt. Dabei wird das Kältemittel kondensiert, indem es die gespeicherte Wärme an das Heizmedium (Wasser) abgibt. Der Aggregatzustand ändert sich wieder von gasförmig zu flüssig. Die freigesetzte Wärme kann indessen für die Beheizung von Räumen oder für die Erzeugung von Warmwasser genutzt werden.
5. Druckabbau
Nach Abgabe der Wärme wird das Kältemittel in das Expansionsventil geleitet. Hier wird der Druck, der zuvor aufgebaut wurde, wieder gesenkt, was zu einer weiteren Abkühlung führt. Durch diese Druckabsenkung hat das Mittel seinen ursprünglichen Zustand wieder erreicht und ist erneut zur Aufnahme von Wärmeenergie aus der Umgebungsluft in der Lage. Von dort fliesst es zurück zum Verdampfer, wo der Prozess erneut beginnt. Durch diesen geschlossenen Kreislauf ist ein Betrieb der Wärmepumpe ohne Nachfüllen möglich.
Vor- und Nachteile der Luft-Wasser-Wärmepumpe
Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe hat sowohl Vor- als auch Nachteile. Wir gehen in diesem Abschnitt auf beides genauer ein.
Vorteile
Günstiger als andere Wärmepumpenarten:
Im Gegensatz einer Erdwärmepumpe mit Kollektoren und Sonden entfallen bei einer Luft-Wasser-Wärmepumpe kostspielige Bauarbeiten im Erdreich.
Hohe Flexibilität:
Sie können eine Luft-Wasser-Wärmepumpe vielseitig einsetzen, unter anderem für die Heizung, Kühlung und zur Warmwasserbereitung in einem Haushalt.
Geringe Betriebskosten:
Da diese Pumpen die Umgebungsluft als Energiequelle nutzen, sind sie im Gegensatz zu anderen Möglichkeiten der Wärmeerzeugung recht sparsam.
Hohe Energieeffizienz:
Im Vergleich zu einem regulären Heizsystem ist eine Wärmepumpenheizung sehr energieeffizient.
Nachteile
Platz für Aussengeräte:
Für die Installation der Wärmepumpe muss in der unmittelbaren Umgebung des Gebäudes genug Platz vorhanden sein, um die Aussengeräte zu installieren.
Anschaffungskosten:
Auch wenn sich die Anschaffungskosten im Laufe der Zeit amortisieren, so ist dennoch mit höheren Ausgaben zu rechnen als bei herkömmlichen Arten der Wärmeerzeugung. Das trifft insbesondere dann zu, wenn Sie sich für eine Kombination mit einer Photovoltaikanlage entscheiden.
Abhängigkeit von der Temperatur:
Durch die Luft als Wärmequelle ist die Wärmepumpe stark von der Temperatur abhängig. Je weniger Grad Celsius in der Umgebung herrscht, desto mehr Strom wird benötigt. Das liegt daran, dass mehr Druck in der Wärmepumpe aufgebaut werden muss.
Geräuschpegel:
Ältere Luft-Wasser-Wärmepumpen haben einen hohen Geräuschpegel. In Wohngebieten kann dies als störend empfunden werden. Es gibt jedoch schalt-optimierte Wärmepumpenarten, um das zu umgehen.
Kosten einer Luft-Wasser-Wärmepumpe
Es werden vier Arten von Kosten unterschieden, diese sind:
- Anschaffungskosten: Bei einer Luft-Wasser-Wärmepumpe müssen Sie je nach Gerät mit etwa CHF 20.000 rechnen. Der Vorteil bei diesem Funktionsprinzip ist, dass keine Erschliessung der Wärmequelle erforderlich ist. Bei einer Sole-Wasser-Wasserpumpe bzw. einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe kommen zusätzlich CHF 15.000 bis CHF 30.000 für die Erschliessung hinzu.
- Installationskosten: Die Installationskosten kommen auf die individuellen Gegebenheiten vor Ort an. Grob kann man hier in etwa mit Kosten in Höhe der Anschaffungskosten rechnen.
- Wartungskosten: Pro Jahr fallen für die Wartung circa CHF 500 an.
- Heizkosten: Diese richten sich nach den Stromkosten für die Wärmepumpe und hängen massgeblich von der Effizienz ab. Diese wird in der Jahresarbeitszahl (JAZ) gemessen. Eine JAZ ab 3 gilt als effizient. Die Heizkosten der Luft-Wasser-Wärmepumpe betragen für ein Einfamilienhaus in der Schweiz etwa CHF 1.500 pro Jahr.
Bauarten: Split vs. Monoblock
Bei Luft-Wasser-Wärmepumpen gibt es zwei grundsätzliche Bauarten. Sie unterscheiden sich im Wesentlichen durch die Anordnung der technischen Bauteile. Während bei der Monoblockbauweise alle relevanten Komponenten in einem Gehäuse untergebracht sind, ist die Wärmepumpe bei der Splitbauweise in Innen- und Aussengerät aufgeteilt.
Split-Wärmepumpe: höchste Flexibilität
Ein entscheidender Vorteil der Split-Wärmepumpe ist die hohe Flexibilität, die sie in Bezug auf die Aufstellung bietet. Das System kann optimal an die Gegebenheiten des Gebäudes angepasst werden, da es aus einer Ausseneinheit mit Verdampfer und Ventilator sowie einer Inneneinheit mit Verdichter, Kondensator und Steuerung besteht. Die Splitbauweise ermöglicht eine skalierbare Lösung, insbesondere bei beengten Platzverhältnissen oder hohen Leistungsanforderungen.
Da nur schmale Kältemittelleitungen verlegt werden müssen, ist die geringere Beeinträchtigung der Gebäudehülle ein weiterer Vorteil. Da die Leitungen jedoch sorgfältig verlegt und abgedichtet werden müssen, erfordert diese Bauweise eine fachgerechte Planung und Installation. Gerade bei grösseren Entfernungen zwischen Innen- und Aussengerät ist eine regelmässige Wartung erforderlich.
Monoblock-Wärmepumpe: kompakte Bauweise und einfache Installation
Bei der Monoblock-Wärmepumpe sind alle Komponenten in einem Gerät zusammengefasst. Das macht die Konstruktion besonders übersichtlich und erleichtert die Installation. Die Montage geht schneller vonstatten und ist mit weniger Eingriffen in das bestehende Heizsystem verbunden.
In sehr kalten Regionen und bei langen Rohrleitungen besteht daher eine gewisse Frostgefahr. Dies gilt vorwiegend bei Stillstand der Wärmepumpe. Hier können zusätzliche Massnahmen erforderlich sein. Jede Bauart hat ihre spezifischen Vor- und Nachteile, die berücksichtigt werden sollten, bevor die Wahl getroffen wird.
Jahresarbeitszahl (JAZ) und Coefficient of Performance (COP)
Die Jahresarbeitszahl (JAZ) und der Coefficient of Performance (COP) werden fälschlicherweise oft als Synonyme betrachtet, es sind jedoch unterschiedliche Kennzahlen. Nachfolgend gehen wir auf beide Begriffe genauer ein.
Jahresarbeitszahl (JAZ)
Mithilfe eines Strom- und eines Wärmemengenzählers wird die Jahresarbeitszahl (JAZ) ermittelt. Mit dem Wärmemengenzähler wird die von der Wärmepumpe an das Heizsystem und die Warmwasserbereitung abgegebene Energie gemessen. Der Stromzähler erfasst den tatsächlichen Stromverbrauch der Wärmepumpe. Ein herkömmlicher Stromzähler für den Haushalt reicht hierfür nicht aus, da er zwar den gesamten Stromverbrauch des Haushalts erfasst, nicht aber den spezifischen Verbrauch der Wärmepumpe.
Sind der Stromverbrauch und die abgegebene Wärmeenergie ermittelt, wird die Jahresarbeitszahl berechnet. Die Jahresarbeitszahl wird für den Zeitraum eines Jahres betrachtet. Die Kilowattstunden (kWh) werden daher auf Jahresbasis (per anno) angegeben.
Betrachten wir es an einem Beispiel. Der Heizenergiebedarf eines Hauses beträgt 21.000 kWh pro Jahr. Zur Erzeugung dieser Energie verbraucht die Wärmepumpe Strom in Höhe von 7.000 kWh.
- Formel: JAZ = Heizwärme (kWh p. a.) ÷ Stromverbrauch (kWh p. a.)
- Berechnung: JAZ = 21.000 kWh ÷ 7.000 kWh = 3
Das Ergebnis ist eine JAZ von 3. Das bedeutet, dass die Wärmepumpe für jede eingesetzte Kilowattstunde Strom die dreifache Menge an Heizenergie zur Verfügung stellt.
Coefficient of Performance (COP)
Auch der COP ist eine Leistungskennzahl von Wärmepumpen und bringt aufgewendete Energie mit genutzter Wärme in Verbindung. Der grosse Unterschied zur JAZ ist jedoch, dass der COP nur unter genormten Bedingungen im Labor untersucht wird. Es ist also nicht aussagekräftig, was die Wärmegewinnung im tatsächlichen Betrieb angeht.
Einflussfaktoren auf die Effizienz von Luft-Wasser-Wärmepumpen
Es gibt diverse Einflussfaktoren, wie effizient eine Wärmepumpe arbeitet. Nachfolgend stellen wir die wesentlichsten vor:
Gebäudedämmung
Die Dämmung ist ein wichtiger Faktor für die Effizienz einer Luft-Wasser-Wärmepumpe. Bei gut gedämmten Häusern mit hochwertigen Fenstern, gedämmten Aussenwänden, Dächern und Kellern wird der Wärmeverlust auf ein Minimum reduziert, sodass die Wärmepumpe mit geringerer Leistung arbeiten kann. Im Gegensatz dazu muss die Wärmepumpe in schlecht gedämmten Häusern zur Aufrechterhaltung der gewünschten Raumtemperatur häufiger in Betrieb sein, was den Stromverbrauch erhöht. Vor allem bei älteren Häusern kann eine unzureichende Wärmedämmung dazu führen, dass die Wärmepumpe nur ineffizient genutzt wird. Eine Sanierung ist daher in vielen Fällen zur Senkung des Heizenergiebedarfs und der Betriebskosten sinnvoll.
Vorlauftemperatur
Die Vorlauftemperatur beschreibt die Temperatur des von der Wärmepumpe ins Heizungssystem gepumpten Heizwassers. Je niedriger diese Temperatur ist, desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe. Fussbodenheizungen oder grosse Niedertemperaturheizkörper benötigen nur etwa 35 bis 40 Grad Celsius. Eine ältere Heizung erfordert hingegen oft 55 bis 75 Grad Celsius und teilweise mehr. Da die Wärmepumpe das Heizwasser stärker erwärmen muss, bedeutet eine hohe Vorlauftemperatur einen höheren Stromverbrauch. Angesichts dessen sind Luft-Wasser-Wärmepumpen besonders effizient in modernen Bauten, die mit Flächenheizsystemen ausgestattet sind, welche mit niedrigen Temperaturen auskommen.
Aussentemperatur
Die Aussentemperatur hat einen grossen Einfluss auf die Effizienz einer Luft-Wasser-Wärmepumpe, da diese ihre Energie aus der Umgebung bezieht. Bei milden Temperaturen über 0 Grad Celsius ist ausreichend Energie in der Luft vorhanden und sie arbeitet sehr effizient. Sinkt die Temperatur in den Minusbereich, muss der Kompressor stärker arbeiten, um die erforderliche Heizleistung zu erzeugen. Bei extrem kalten Bedingungen kann der Einsatz eines elektrischen Heizstabs erforderlich werden, was eine Erhöhung des Stromverbrauchs zur Folge hat. Moderne Wärmepumpen erreichen aber auch bei Minustemperaturen noch gute Wirkungsgrade.
Nutzungsverhalten
Auch das individuelle Nutzerverhalten hat grossen Einfluss auf die Effizienz einer Luft-Wasser-Wärmepumpe. Für einen energieeffizienten Betrieb sorgt eine konstante, gleichmässige Temperaturregelung. Ein häufiges Hoch- und Runterregeln der Heizung kann zu einem Anstieg des Energieverbrauchs führen. Falsches Lüften kann ebenfalls kontraproduktiv sein. Die Wärmepumpe wird in diesem Fall häufiger mit voller Leistung betrieben. Auch der Einsatz von Nachtabsenkungen sollte durchdacht werden. Denn eine zu starke Absenkung der Temperatur erfordert oft mehr Energie zum Wiederaufheizen. Zur Senkung des Stromverbrauchs und zur Maximierung der Effizienz tragen intelligente Steuerungen bei.
Häufige Fragen zur Funktionsweise einer Wärmepumpe mit Luft
Hier sind unsere Antworten zu den häufigsten Fragen rund um das Thema Luft-Wasser-Wärmepumpen.
Ist es möglich, mit einer Luft-Wasser-Wärmepumpe auch zu kühlen?
Ja, eine Luft-Wasser-Wärmepumpe kann auch kühlen. Dazu wird die Richtung des Kältemittelkreislaufs umgekehrt. Ermöglicht wird dies durch ein integriertes 4-Wege-Ventil, mit dem der Betrieb der Wärmepumpe umgeschaltet werden kann. In Häusern mit Fussboden- oder Wandflächenheizungen, die grossflächig arbeiten und eine sanfte Temperaturabsenkung ermöglichen, ist dies besonders effizient. Auf diese Weise kann die Wärmepumpe im Sommer auch als umweltfreundliche Klimaanlage eingesetzt werden.
Ist es möglich, eine Förderung für die Wärmepumpe zu erhalten?
Durch das Gebäudeprogramm der Kantone ist eine Förderung einer Wärmepumpe in der Schweiz möglich. Kontaktieren Sie uns gerne für detaillierte Infos zu diesem Thema.
Welche Lebensdauer haben Luft-Wasser-Wärmepumpen?
Je nach Nutzung und Qualität des Gerätes beträgt die Lebensdauer einer Luft-Wasser-Wärmepumpe etwa 15 bis 20 Jahre. Qualitativ hochwertige Modelle können aber auch mehr als 30 Jahre lang ohne Probleme in Betrieb bleiben. Eine weitere Verlängerung der Lebensdauer kann durch regelmässige Wartung erreicht werden. Entscheidend für die lange Lebensdauer sind auch ein fachgerechter Einbau und optimale Betriebsbedingungen.
Für wen sind Wärmepumpen geeignet?
Wärmepumpen sind für alle Haushalte geeignet, da die Funktionsweise einer Wärmepumpe besonders umweltschonend ist. Verbraucher leisten damit nicht nur einen Beitrag für die Umwelt, sondern profitieren zusätzlich von der effizienten Leistung und sparen beim Heizen.
Wie hoch ist der Lärmpegel einer Wärmepumpenheizung?
Die Geräuschentwicklung einer Luft-Wasser-Wärmepumpe liegt im Durchschnitt bei ca. 50 Dezibel. Dies ist vergleichbar mit einem normalen Kühlschrank. Um die Betriebsgeräusche weiter zu reduzieren, verfügen diverse Modelle über eine Schallschutzhaube oder eine spezielle Schalldämmung. Auch der Standort des Aussengerätes spielt eine Rolle. Je grösser der Abstand zu Fenstern oder Nachbarn, desto geringer ist die wahrgenommene Lautstärke.
Wie viel Platz ist für die Installation erforderlich?
Der Platzbedarf einer Luft-Wasser-Wärmepumpe ist je nach Bauart unterschiedlich. Bei der Split-Variante sind eine Innen- und eine Ausseneinheit erforderlich. Etwas grösser sind die Geräte bei reiner Innen- oder Aussenaufstellung. Bei der Innenaufstellung ist in der Regel ein separater Technikraum erforderlich. Das Aussengerät sollte so weit wie möglich frei von Hindernissen aufgestellt werden, um die Zirkulation der Luft nicht zu behindern.
Was ist eine monovalente und bivalente Funktionsweise der Wärmepumpe?
Monovalenter Betrieb ist der Betrieb der Wärmepumpe als alleiniges Heizsystem zur Deckung des gesamten Wärmebedarfs eines Hauses. Dabei wird die Wärmepumpe so ausgelegt, dass auch bei niedrigen Aussentemperaturen genügend Wärme zur Verfügung steht. Dies ist insbesondere bei effizient gedämmten Neubauten sinnvoll. Beim bivalenten Betrieb wird die Wärmepumpe in Kombination mit einer zweiten Wärmequelle zum Einsatz gebracht. Dies kann eine Gasheizung oder ein Pelletkessel sein. Diese Variante kommt häufig bei Altbauten oder in Regionen mit kalten Wintern zum Einsatz, in denen die Wärmepumpe nicht effizient genug arbeiten kann. In diesem Fall übernimmt die Zusatzheizung ab einer bestimmten Temperaturschwelle das Heizen.
Was ist der Unterschied zu einer Sole-Wasser-Wärmepumpe?
Bei einer Sole-Wasser-Wärmepumpe oder Wasser-Wasser-Wärmepumpe wird das Erdreich als Wärmequelle genutzt, während bei einer Luft-Wasser-Wärmepumpe die Umgebungsluft als Wärmequelle dient. Der entscheidende Unterschied liegt in der Temperaturstabilität. Das Grundwasser weist das ganze Jahr über eine recht konstante Temperatur von etwa 10 °C auf, während die Temperatur der Luft stark schwankt. Deshalb arbeitet eine Sole-Wasser-Wärmepumpe vorrangig im Winter effizienter. Sie benötigt jedoch Erdsonden oder Flächenkollektoren, was die Installation der Wärmepumpe teurer und aufwendiger macht. Luft-Wasser-Wärmepumpen sind dagegen einfacher zu installieren und günstiger in der Anschaffung.
