Wärmepumpe: So umweltfreundlich ist die Heiztechnologie

Umweltfreundlichkeit von Wärmepumpen: Eine Frage der Effizienz

Im Rahmen der Wärmewende soll die bisher fossil dominierte Wärmeversorgung bis zum Jahr 2045 klimaneutral werden. Im Zuge dieses ehrgeizigen Plans setzt die deutsche Bundesregierung große Hoffnung in Wärmepumpen. Denn die Systeme kommen ohne fossile Brennstoffe aus und speisen rund 75 Prozent der zur Verfügung gestellten Heizenergie aus Umgebungswärme. Angesichts dieser hohen Effizienz wurde schon im Jahr 2022 in jedem zweiten deutschen Neubau eine Wärmepumpe installiert. Auch in 90 Prozent aller Bestandsgebäude lässt sich die Technologie laut einer Studie von Techem theoretisch montieren und auf relativ effiziente Weise betreiben. Dabei bestimmt die genaue Effizienz im Einzelfall die Umweltfreundlichkeit, die Wärmepumpen beim Betrieb erreichen. Denn je größer die Effizienz, desto weniger Strom verbrauchen die Geräte. Grundsätzlich gilt dabei: Je mehr Arbeit Wärmepumpen zur richtigen Temperierung des genutzten Mediums verrichten müssen, desto mehr Strom benötigen sie. Neben dem Wärmebedarf ist also die Differenz zwischen der genutzten Umgebungswärme und der jeweiligen Heiztemperatur entscheidend.

Stromverbrauch von Wärmepumpen: Womit Verbraucher rechnen müssen

Im Vergleich zu Öl-Kesseln oder Gas-Heizungen haben Wärmepumpen aller Art einen deutlich höheren Nutzungsgrad. Konventionelle Heizungen mit fossilen Brennstoffen liegen bei etwa 90 Prozent, während Wärmepumpen einen Nutzungsgrad von 250 bis 500 Prozent erreichen. Mit zehn Kilowattstunden Strom erzeugen sie etwa 40 Kilowattstunden Wärme, was ihre hohe Wirksamkeit als Heiztechnologie noch deutlicher macht. Dabei unterscheidet sich die genaue Effizienz je nach Wärmepumpenmodell. Die bundesweit am häufigsten genutzten Arten sind Luftwärmepumpen. Dabei handelt es sich um Modelle, die Wärme aus der Umgebungsluft zum Heizen verwenden. Die wichtigsten Informationen zur Luftwärmepumpe bestätigen, dass diese Art im Vergleich zu anderen Wärmepumpen mit relativ geringen Anschaffungskosten und wenig Installationsaufwand verbunden ist. Daher gelten Luftwärmepumpen als wirtschaftlichste und massentauglichste Arten der Wärmepumpe.

Für Erdwärmepumpen sind im Vergleich dazu aufwändige und oft kostenintensive Bohrungen erforderlich, die genehmigungspflichtig sind. Ähnlich kostspielig und nicht immer eine Möglichkeit sind Wasser-Wärmepumpen, die das Grundwasser als Medium verwenden. Obwohl auch Luftwärmepumpen hohe Effizienz erreichen, sind die Temperaturen der Umgebungsluft im Vergleich zu denen des Erdreichs oder Grundwassers größeren Schwankungen unterworfen. Dementsprechend verbrauchen Luftwärmepumpen bei extrem kalten Temperaturen mehr Strom zur Temperierung ihres Mediums als Wasser- und Erdwärmepumpen. Wirklich relevant ist dies aber eher in Gegenden, wo die Temperaturen in der kalten Jahreszeit extrem fallen. Bei den durchschnittlichen Außentemperaturen innerhalb der Bundesrepublik bleibt auch der Stromverbrauch von Luftwärmepumpen moderat. Pro Jahr ist zum Beheizen eines Einfamilienhauses etwa mit einem Verbrauch von 5.700 Kilowattstunden zu rechnen. Im Vergleich dazu verbrauchen konventionelle Elektroheizungen mehr als doppelt so viel.

Gut zu wissen: Der Strombedarf von Wärmepumpen lässt sich zu hohen Anteilen aus Solarstrom decken

Wer Wärmepumpen mit einer passend dimensionierten Photovoltaikanlage und einem bedarfsgerechten Stromspeicher kombiniert, kann etwa 70 Prozent des Strombedarfs mit Solarstrom decken. Dadurch steigt der Eigenverbrauchsanteil der Solarenergie, was ein finanzieller Vorteil ist. Zugleich verbessert die Kombination die Umweltfreundlichkeit der Wärmepumpe. Denn der Heizbetrieb ist dank des grünen Stroms fast völlig CO2-neutral.

Technische Eigenschaften: Was die Jahresarbeitszahl und Leistungszahl über die Effizienz einer Wärmepumpe verraten

Aus technischer Sicht beschreiben zwei Werte die Energieeffizienz und Umweltfreundlichkeit von Wärmepumpen, nämlich 

• die Leistungszahl (Coefficient of Performance, COP) im Sinne des Verhältnisses zwischen abgegebener Nutzwärmeleistung und verbrauchter elektrische Leistung bezogen auf einen einzelnen Betriebszustand.
• die Jahresarbeitszahl⁠ im Sinne des jährlichen Verhältnisses an abgegebener Wärmemenge und verbrauchtem Strom, wobei die zur Berechnung verwendeten Leistungszahlen in der Regel höher sind als real gemessene Werte.

Die Jahresarbeitszahl ist für die Effizienz und Umweltfreundlichkeit aussagekräftiger als die Leistungszahl. Hohe Jahresarbeitszahlen erreichen Wärmepumpenanlagen im tatsächlichen Betrieb allerdings nur, wenn sich die Wärmeleistung gleitend an die Wärmenachfrage anpasst. Eine weitere Bedingung ist eine möglichst ergiebige und gleichbleibende Wärmequelle. Geothermische Umgebungswärme eignet sich in diesem Zusammenhang beispielsweise besser als Umgebungsluft. Auch das kombinierte Heizungssystem ist im Hinblick auf die tatsächlich erreichte Jahresarbeitszahl eine entscheidende Größe. Wenn jenes über eine niedrige Vorlauftemperatur verfügt, erhöht sich in der Praxis der Wert. Davon abgesehen sollten alle Bauteile der Wärmepumpenanlage bedarfsgerecht ausgelegt und aufeinander abgestimmt sein. Grundsätzlich gelten Wärmepumpen mit einem COP zwischen 3 und 5 als wirtschaftlich, effizient und umweltfreundlich. Damit sie unter realen Bedingungen eine ähnlich hohe Jahresarbeitszahl erreichen, müssen Eigentümer die richtigen Bedingungen schaffen.

Umweltfreundlichkeit verbessern: So erreichen Wärmepumpen bei geringem Strombedarf eine hohe Jahresarbeitszahl

Der erste Schritt zu einer möglichst umweltfreundlichen Wärmepumpe mit geringem Stromverbrauch ist die richtige Dimensionierung. Denn zu groß dimensionierte Wärmepumpen verbrauchen unnötig viel Strom, wobei zu klein ausgelegte Modelle den Wärmebedarf nicht decken. In Einfamilienhäusern werden meist Wärmepumpen mit einer Leistung zwischen drei und sechs Kilowatt verbaut. Wie hoch genau die Leistung sein sollte, hängt von Faktoren wie der zu beheizenden Fläche, dem Klima in der Region und den Heizgewohnheiten ab. Auf dieser Basis erfolgt die Heizlastberechnung, wobei Experten hierzu Richtwerte nach DIN EN 12831 verwenden. Geht es beispielsweise um ein neu gebautes Einfamilienhaus mit Standarddämmung, dann geht man von einem spezifischen Wärmebedarf von 0,06 Kilowatt pro Quadratmeter aus. Dieser spezifische Wärmebedarf wird mit der jeweiligen Wohnfläche multipliziert, um den Gesamtwärmebedarf zu ermitteln. Jener entspricht der jeweiligen Heizleistung, die die Wärmepumpe im Einzelfall bieten muss.

Damit eine richtig dimensionierte Wärmepumpe ihr hohes Potential hinsichtlich Effizienz und Umweltfreundlichkeit ausspielen kann, müssen Eigentümer durch die richtigen Bedingungen ihren Stromverbrauch senken. Dies gelingt beispielsweise durch

• eine fachgerechte Dach-, Keller- und Fassadendämmung, wobei auch Fenster, Türen und Heizungsrohre möglichst gut gegen Wärmeverluste abgesichert sein sollten.
• die Entscheidung für Flächenheizkörper wie Fußbodenheizungen und einen Bodenbelag mit niedrigem Wärmedurchlasswiderstand.
• die Wahl möglichst niedriger Vorlauftemperaturen, weil die Wärmepumpe ihr Medium so zum Heizen nur um wenige Grad erwärmen muss.
• die Zuhilfenahme eines Pufferspeichers, der die Taktung von Wärmeerzeugung und Wärmeverteilung verbessert.
• die Verwendung smarter Thermostate, die abhängig von Faktoren wie dem Wetter bedarfsgerechtes Heizen ermöglichen.
• eine Temperaturabsenkung in kaum genutzten Räumen.
• eine regelmäßige Wartung der Wärmepumpe und Heizungsanlage durch einen Fachbetrieb.

Unter den genannten Bedingungen ist die Wärmepumpe eine der umweltfreundlichsten Heiztechnologien der Gegenwart und gilt zurecht als Säule der Wärmewende.