Wärmepumpen im Vergleich: Systeme und Planung

Wärmepumpen als Heizsystem für Einfamilienhäuser

Die Wärmepumpe etabliert sich als CO₂-freies Heizsystem: In der Schweiz werden neu erstellte Einfamilienhäuser fast nur noch mit Wärmepumpen bestückt, um die Raumwärme und die Wassererwärmung sicherzustellen. Und bei jedem zweiten Heizungsersatz kommt sie danach zum Einsatz.  

Jede Wärmepumpe erzeugt Wärme aus einer natürlichen, erneuerbaren Energiequelle. Das Wärmepumpen-Gerät besteht aus einem Kompressor und einem Kondensator und wird in der Regel im Heizungskeller installiert. Technisch sinnvoll ist eine möglichst kurze Distanz zwischen der Wärmepumpe und der äusseren Wärmequelle. Im Vergleich zu anderen Heizsystemen können sich höhere Anschaffungskosten ergeben, wobei die Investitions- und Unterhaltskosten im voraus planbar sind. 

Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Wärmepumpen nutzen unterschiedliche Wärmequellen aus der direkten Umgebung wie folgt:

• Luft-Wasser-Wärmepumpe: Die Umgebungsluft ist die häufigste Wärmequelle für Wärmepumpen. Im Winter sinkt die Leistung allerdings analog den kalten Aussentemperaturen, weshalb die Betriebseffizienz von Luft-Wasser-Wärmepumpen niedriger ist als bei den anderen Wärmebezugsvarianten. 
• Sole-Wasser-Wärmepumpen: Die Erdwärme im oberflächennahen Erdreich wird mit einer Erdwärmesonde angezapft. Die Ausgangstemperatur in 150 bis 200 m Tiefe liegt bei etwa 10 bis 15 °C. Der Wärmetransport zwischen Erdreich und Wärmepumpe erfolgt durch eine wässrige Salzlösung (Sole) innerhalb der Erdwärmesonden.  
• Wasser-Wasser-Wärmepumpe: Die Temperatur des Grundwassers ist im Jahresverlauf nahezu konstant und meistens höher als im Erdreich. Die Effizienz von Wasser-Wasser-Wärmpumpen ist deshalb vergleichsweise am höchsten. 

So arbeitet eine Wärmepumpe

Wärmepumpen nutzen die Energie des natürlichen Milieus indirekt, in dem sie diese vom Niedertemperaturbereich in nutzbare Wärme aufbereiten. Sie arbeiten umso effizienter, je geringer die Differenz zwischen Ausgangstemperatur und Heiztemperatur ist. Im Idealfall werden für die Vorlauftemperaturen im Heizkreislauf 30 bis 45 °C benötigt. Wird die Heizwassertemperatur um 5 °C abgesenkt, erhöht sich die Effizienz (Jahresarbeitszahl) einer Wärmepumpe um rund 10 %. Dabei gilt: Je höher die Betriebseffizienz ist, umso weniger Strom wird verbraucht.

Die Wärmepumpe kehrt das Arbeitsprinzip eines Kühlschranks um. Letzterer entzieht Wärme aus dem Innenfach und gibt sie über den schlaufenförmigen Wärmetauscher an der Rückseite an die Umgebung ab. Bei der Wärmepumpe wird die Wärme an den Heizungskreislauf abgegeben, nachdem sie der natürlichen Umgebung – Erdreich, Aussenluft oder Grundwasser – entzogen wurde. Der Wärmeentzug und die Aufbereitung beruhen auf bekannten physikalischen Prozessen und erfolgen durch bewährte technische Apparaturen – in folgender Anordnung: 

• Die Umgebungswärme erwärmt im Verdampfer ein flüssiges Kältemittel (Ammoniak, Propan, Ethan, CO2), das bei geringer Temperaturerhöhung gasförmig wird.  
• Ein Kompressor, der elektrisch angetrieben wird, erwärmt das verdampfte Kältemittel zusätzlich.
• Ein Kondensator gibt die Wärme des dampfförmigen Kältemittels an den Heizkreislauf ab. Das gasförmige Kältemittel verflüssigt sich wieder und die Wärmepumpe beginnt den Kreislauf wieder von vorne.
• Die abgegebene Wärmeenergie ist bis zu fünf Mal so gross wie der für den Kompressor verbrauchte Strom.

Kältemittelverbot in der Schweiz 

Ab 2027 dürfen neue Wärmepumpen für Ein- und Zweifamilienhäuser in der Schweiz nur noch natürliche Kältemittel wie Propan verwenden. Bisher werden Kältemittelprodukte wie R410A und R404A verwendet, die Fluor-Kohlenwasserstoffe enthalten und deshalb vom Markt ausgeschlossen werden sollen. Installierte oder bis zum Verbot gekaufte Wärmepumpen dürfen ohne Einschränkung weiterbetrieben werden.

Bewilligung und Umweltauflagen für Wärmepumpen

Eine Installation von Erd- und Grundwasserwärmepumpen ist aus Gewässerschutzgründen in gewissen Regionen verboten. Die kantonalen Energiefachstellen bezeichnen die entsprechenden Gebiete und informieren darüber auf ihren Webseiten. Bisweilen erlauben die Energieportale eine parzellengenaue Suche nach Wärmepumpen-Eignungsgebieten. Die Installation von erdgekoppelten Wärmepumpen und das Bohren von Erdwärmesonden sind auf jeden Fall bewilligungspflichtig.

Kommunale Vorgaben 

Viele Gemeinden haben zudem einen kommunalen Energieplan in Kraft gesetzt, der den Anschluss von Wohnhäusern an ein Wärmeverbundnetz bevorzugt und die Installation einer Wärmepumpe an solchen Adressen nicht gestattet. Dementsprechend lohnt sich, die kantonalen und kommunalen Planungsdokumente zu konsultieren. Im Rahmen einer Impulsberatung «Erneuerbare Heizen» oder eines GEAK-Sanierungsberichts werden solche Abklärungen standardmässig durchgeführt. 

Planung einer Wärmepumpe

Ein- und Mehrfamilienhäuser (bis maximal 6 Wohnungen) werden in der Regel monovalent – ausschliesslich mit Wärmepumpe – beheizt. Ebenso kann die Brauchwassererwärmung eingebunden werden. das zum Heizen (etwa 35 °C) und für die Wassererwärmung (55 bis 60 °C) benötigt wird. Im Gespräch mit dem Heizungs-Fachplaner sind deshalb folgende Aspekte anzusprechen:

• Wärmeleistungsbedarf des Gebäudes, vor und nach der energetischen Erneuerung der Gebäudehülle
• Bestimmung des Umschaltpunkts, wenn ein separates Warmwassersystem installiert ist. 

Dimensionierung der Wärmepumpe

Neben dem Wirkungsgrad ist bei einer Wärmepumpe die Dimensionierung zu beachten. Oft sind Neuanlagen überdimensioniert respektive mit zu grosser Leistungskapazität versehen. Bei Neubauten lohnt sich deshalb, unterschiedliche Offerten einzuholen. Bei Gebäudesanierungen ist derweil zu empfehlen, die Aussenhülle und die interne Wärmeverteilung vor der Installation einer Wärmepumpe zu verbessern. Werden Hochtemperatur-Heizsysteme eins-zu-eins durch eine Wärmepumpe ersetzt, wird Letztere in den wenigsten Fällen optimal betrieben werden können. Bei Vorlauftemperaturen über 55 °C – also in schlecht gedämmten Gebäude – arbeitet eine Wärmepumpe ineffizient. Zudem eignen sich Fussbodenheizungen besser für die Abgabe von Wärme in niedrigerer Temperatur als Radiatoren oder Heizkörper.

Auf Gütesiegel achten

Bei der Auswahl der Aggregate und der ausführenden Unternehmen ist auf das Gütesiegel der Fachvereinigung Wärmepumpen Schweiz (FWS) zu achten. Zudem ist bei Betriebsübergabe ein Zertifikat «Wärmepumpe-Systemmodul» einzufordern. Dieses berechtigt zum einen eine Leistungskontrolle nach etwa zwei Betriebsjahren, und zum anderen gilt das Siegel als Voraussetzung für ein Gesuch um kantonale Förderbeiträge.

Wirkungsgrad: durch Energiequelle bestimmt

Beinahe zwei Drittel der in der Schweiz installierten Wärmepumpen sind Luft-Wasser-Wärmepumpen. Sie sind kostengünstiger als zum Beispiel Erdwärmepumpen, weil keine Erdwärmesonden abgeteuft werden müssen.  
Sole-Wasser-Wärmepumpen beziehen Energie aus dem konstant rund 12 ºC warmen Erdreich. Dieses Niveau für den Heizungsvorlauf auf 35 °C zu erwärmen, benötigt deshalb weniger Energie als dieselbe Arbeit mithilfe der Aussenluft zu leisten. Entsprechend sinkt bei Luft-Wasser-Wärmepumpen die Effizienz bei kalten Temperaturen im Winter. 
Beim Wirkungsgrad (Jahresarbeitszahl JAZ) schneiden Aussenluft-Wärmepumpen deshalb schlechter ab. Die JAZ ist bis zu 50 % tiefer als bei Wärmepumpen, die ihre Energie aus dem Boden respektive Grundwasser beziehen. Eine Sole-Wasser-Wärmepumpe kann eine Jahreszahl (JAZ) bis 5 erzielen; Luft- Wasser-Wärmepumpen typischerweise nur bis 3,5.

Erd-, Luft- oder Grundwasser-Wärmepumpe?

Heizen mit Erdwärmesonde

Erdwärmesonden liefern die Grundenergie aus dem Erdreich, wozu ein vertikales Bohrloch erforderlich ist. Je höher die Wärmeleitfähigkeit des Bodenmaterials ist, umso höher ist die Entzugsleistung. Bei sehr trockenem Boden ist diese beispielsweise nur 30 W/m2. Feuchtere Böden stellen dagegen 50 W/m2 bis 55 W/m2 zur Verfügung. In der Regel führen Erdwärmesonden 150 bis 250 Meter tief in den Boden. 
Eine sorgfältige Planung zeichnet sich dadurch aus, dass die Lage von Erdwärmesonden auf Nachbargrundstücken im voraus abgeklärt wird. Dadurch wird ein gegenseitiger Wärmeentzug verhindert. Zudem soll eine Wärmepumpe nicht länger als 1’800 Stunden pro Jahr laufen, damit sich das Erdreich auf natürliche Weise thermisch erholen kann. 
Für das Abteufen der Erdwärmesonden werden Unternehmen mit dem «Gütesiegel für Erdwärmesonden-Bohrfirmen» der Vereinigung FWS empfohlen. Dieses garantiert ein umweltschonendes Erstellen und einen qualitativ hochstehenden Betrieb der Anlage.

Zusatzoption: Gebäudekühlung

Sole-Wasser-Wärmepumpen, die an eine Erdwärmesonde gekoppelt sind, bieten an heissen Tagen eine vorteilhafte Zusatzoption. Das Erdreich lässt sich für die Kühlung eines Gebäudes nutzen: Ohne den Kompressor in Betrieb zu setzen, zirkuliert kühles Wasser zwischen Bodenheizung und Erdreich. Nur die Pumpe, die zum Antrieb dieses Kreislaufs benötigt wird, verbraucht elektrische Energie. Dabei geschieht folgendes: Das kühle Wasser in der Bodenheizung entzieht dem Raum einen Teil der Wärme und führt sie in das Erdreich ab. Dadurch regeneriert sich das Erdreich thermisch.  

Die Tiefe der Erdwärmesonden ist jeweils spezifisch darauf ausgelegt, ob das Erdreich nur zum Heizen oder auch zum Kühlen genutzt werden soll: Tiefe Erdschichten sind wärmer und verbessern die Heizungsfunktion. Dagegen erhöhen bodennähere Schichten die Kühlwirkung. Auch ohne Kühl- und Regenerationsoption ist der effiziente Betrieb eines Wärmepumpen-Heizsystems für mindestens 30 Jahre sichergestellt.  

Erdwärme-Sondenfeld: für Quartiere 

Um Einfamilienhaus-Quartiere gemeinsam oder einen grösseren Gebäudekomplex mit erneuerbarer Wärme zu versorgen, können auch Erdwärmesonden-Felder abgeteuft werden. Ein solches Feld kann aus mehreren bis mehrere Dutzend Sonden bestehen, die im regelmässig Abstand 30 bis 300 Meter tiefgehen. Die Funktion und das Einsatzprinzip gleichen einer einzelnen Erdwärmesonde.

Wärmebezug mit Erdregister

Ein Erdregister stellt eine Alternative zur Erdwärmesonde dar, falls diese nicht ins Erdreich abgeteuft werden darf. Es gleicht einem dreidimensionalen Netz, das bodennah – entweder unter dem Gebäudefundament oder seitlich davon – rund 1 bis 3 Meter tief eingegraben wird. Ein Erdregister benötigt grosse Flächen; pro kW Wärmeleistung sind etwa eine 45 m2 erforderlich. Die Entzugsleistung beträgt maximal 20 bis 30 W/m2. Bei ungünstigen Verhältnissen mit steinigem, trockenem und stark verschattetem Boden sinkt sie sogar unter 10 W/m2. Wie beim Energiebezug durch Erdwärmesonden gilt: Die Wärmepumpe sollte nicht länger als 1’800 Stunden pro Jahr laufen, damit sich das Erdreich über den Sommer thermisch regenerieren kann.

Ähnlich wie Erdwärmesonden funktionieren Energiepfähle, die einerseits zur Abstützung von Gebäudefundamenten ins Erdreich gerammt werden. Andererseits nehmen Leitungen in diesen Pfählen die Wärme des Erdreichs auf und führen sie einer Wärmepumpe zu.

Erdwärmepumpe: Vor- und Nachteile

Vorteile  

• Eignen sich zur Wärmeversorgung unterschiedlicher Haustypen (Ein- oder Mehrfamilienhäuser)
• CO₂-freie Wärmeversorgung
• Geringe Betriebskosten (Stromverbrauch)
• Geringer Platzbedarf  
• Wärmepumpe mit Lebensdauer bei 20 Jahren; Erdwärmesonde mit Lebensdauer über 50 Jahre
• Kühlfunktion im Sommer  

Nachteile  

• Hohe Investitionskosten (Erdwärmesonde)
• Effizienter Betrieb bei spezifischer Leistung unter 40 W/m2, was einer gut gedämmten Gebäudehülle bedarf
• Erdwärmesonde aus Gewässerschutzgründen nicht überall erlaubt 

Wärmepumpen: Wärme aus Aussenluft

Luft-Wasser-Wärmepumpen saugen Aussenluft mit Hilfe eines Ventilators an und befördern sie über einen Luftkanal zum Verdampfer. Nach dem Wärmeentzug wird die abgekühlte Luft wieder nach aussen abgegeben. Luftwärmepumpen sind als Monoblockgerät oder Split-Gerät erhältlich. Letzteres teilt sich auf in ein Ansauggerät, das im Aussenraum aufgestellt ist. Das Innengerät gibt die Wärme an den Heizkreislauf weiter. Die Split-Variante erlaubt eine flexible Platzierung. Der Übergabe-Kreislauf benötigt wenig Platz. Die Split-Bauweise ist flexibler an das Bedürfnis an Wärmeleistung anpassbar. 

Wärmepumpen Aussenaufstellung 

Das Aussengerät einer Luft-Wasser-Wärmepumpe ist witterungsresistent und vor Schnee, Laub und Staub zu schützen. Als Standort bietet sich der private Aussenraum an, in der Regel auf Eingangs- oder Gartenniveau. Empfohlen werden zudem ein belastbarer Sockel und ein Abstand zur Aussenwand und von mindestens drei Metern zum Verkehrs- und Aufenthaltsbereich. Zudem ist der Schallpegel des Ansaugventilators zu beachten. In jedem Fall sind die gesetzlichen Lärmschutzvorschriften einzuhalten. Das Gehäuse einer Luftwärmepumpen ist in der Regel schalldämmend. Bei der Produkteauswahl sind Lärmschutznachweise und Schalldaten-Verzeichnisse von Anbietern einzufordern.  

Das unabhängige Wärmepumpen-Testzentrum Buchs  veröffentlicht die Resultate von Typenprüfungen und gewährt Zugriff auf eine Vergleichsdatenbank. Die Fachvereinigung Wärmepumpen Schweiz zeichnet geräuscharme Geräte zusätzlich mit einem Gütesiegel aus. Die Installation einer Wärmepumpe, die Aussenluft als Energiequelle nutzt, erfordert eine Baubewilligung.  

Heizen mit Grundwasser (Wasser-Wasser-Wärmepumpe)

Nicht nur das Erdreich, auch das Grundwasser bietet stabile Bedingungen für einen Energiebezug. Die Temperatur im Grundwasser pendelt im Jahresverlauf zwischen 8 und 15 °C. Um Grundwasser als erneuerbare Energiequelle für das eigene Heizsystem zu nutzen, sind jedoch hohe Umweltauflagen zu beachten. Um eine Verschmutzung des Grundwassers auszuschliessen, werden Grundwasser-Wärmepumpen äusserst restriktiv bewilligt und in der Regel zur Versorgung von grösseren Mehrfamilienhäusern, Geschäftshäusern und Hotelbetrieben mit jeweils hohem Leistungsbedarf akzeptiert.  
Baulich werden jeweils zwei Brunnen benötigt. Im ersten entzieht die Wärmepumpe dem Grundwasser Wärme. In den zweiten fliesst abgekühltes Wasser zurück. Weitere Aspekte, die zu beachten sind:

• Bei Grundwasser sind 150 – 200 Liter/h/kWth erforderlich.
• Pro kWth werden 300 – 400 Liter/h Oberflächenwasser benötigt.
• Grundwasserleitungen in warmen Räumen vor Schwitzwasser schützen (dampfdichte Wärmedämmung).
• Wasserqualität muss bekannt sein und Grenzwerte müssen eingehalten werden. 

Energie aus Oberflächengewässer

Grundsätzlich können auch Seen, Bäche und Flüsse als Energiequelle für Wärmepumpenanlagen eingesetzt werden. Dies geschieht immer häufiger in städtischen Verbundnetzen.

Wärmepumpe mit Wassertank: Heizen mit Eis

Falls das Erdreich oder das Grundwasser nicht als Energiequelle für eine Sole-Wasser-Wärmepumpe angezapft werden dürfen, steht eine Alternative zur Verfügung: ein eigener Wassertank, der als Solareisspeicher zum Einsatz kommt. Er dient als Energiereservoir für eine Wärmepumpe und kann mit einer thermischen Solaranlage kombiniert werden. Das Eispeichersystem kann zur Wärmeversorgung und zur Gebäudekühlung verwendet werden. Im Vergleich zu einem natürlichen Milieu wird dabei die Kristallisationsenergie bei Gefrieren und Auftauen von Wasser genutzt.  

Energie aus Eiskristall

Der Solareisspeicher enthält Wasser, in dem ein Rohrgeflecht aus Wärmetauschern schwimmt. Das Funktionsprinzip ähnelt einem Gefrierschrank: Beim Heizen wird Wärme aus dem Wassertank gezogen, wodurch die Temperatur bis 0 ºC sinkt. Eine Eisbildung ist explizit erlaubt, weil sie zusätzliche Kristallisationsenergie abgibt: Gefriert Wasser zu Eis, bilden sich Kristalle und setzen eine Wärmeenergie frei, die gleich gross ist wie der Energiebedarf, um Wasser von 0 auf 80 °C aufzuheizen. 
Um die Vereisung bis zum Ende der Heizsaison hinauszuzögern, speist die thermische Solaranlage den Eisspeicher mit Wärme. In der warmen Saison taut das Wasser mithilfe der Sonnenkollektoren wieder auf und erwärmt sich soweit möglich. Gleichzeitig lässt sich der kühle Tankinhalt im Sommer zur Gebäudekühlung nutzen. Die Solaranlage kann parallel dazu zur Erwärmung des Brauchwassers eingesetzt werden.

Für Einfamilienhäuser geeignet 

Verbreitung fand die Solareistechnik anfänglich im Gewerbe, in Hotelanlagen oder bei Archiven, deren Energiesystem innert Tagesfrist vom Kühl- auf Heizbetrieb umgestellt werden muss. Inzwischen werden Wohn- und Einfamilienhäuser damit versorgt: Der Solareisspeicher ist bei Kleinanwendungen ein rund 12 m3 grosser Betontank und wird im Vorgarten eingegraben. Der Wasserinhalt stammt aus Meteor- oder Regenwassersammlern vor Ort. Die verfügbaren Standardsysteme beschränken sich auf wenige Marktanbieter.

Kosten

Die Anschaffungs- und Installationskosten für das Solareis-Speichersystem sind vergleichbar einer Wärmepumpe mit Erdsonden. Der Strombedarf im Betrieb ist im Direktvergleich geringer, weil die Speicherfunktion einen energieeffizienteren Betrieb erlaubt. Diese Erkenntnisse stammen aus unabhängigen und vom Bundesamt für Energie unterstützten Forschungsarbeiten und Praxistests.