Welche Arten von Wärmepumpen gibt es? Luft, Wasser und Sole im Vergleich

Die gebräuchlichen Arten von Wärmepumpen werden nach der aufgenommenen Umweltenergie und dem Medium auf der Heizungsseite bezeichnet. Bei einer Luft-Wasser-Wärmepumpe stammt die Wärme beispielsweise aus der Außenluft und wird an ein wassergeführtes Heizsystem abgegeben. Eine Sole-Wasser-Wärmepumpe nutzt das Erdreich, während eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe Grundwasser als Wärmequelle erschließt. Luft-Luft-Wärmepumpen übertragen die erzeugte Wärme dagegen unmittelbar auf die Raumluft.

Das erste Wort der Bezeichnung beschreibt somit die Wärmequelle, das zweite die Wärmeverteilung im Gebäude. Wassergeführte Systeme versorgen typischerweise Fußbodenheizungen, Wandheizungen oder Heizkörper. Luftgeführte Systeme erwärmen die Räume über Innengeräte und Luftströmung. Diese begriffliche Unterscheidung hilft, Systeme technisch richtig einzuordnen.

Unabhängig von der Wärmequelle arbeiten Kompressionswärmepumpen nach einem ähnlichen Prinzip. Ein Kältemittel nimmt Umweltwärme auf, verdampft, wird durch einen elektrisch angetriebenen Verdichter komprimiert und gibt die Wärme anschließend auf einem höheren Temperaturniveau an das Gebäude ab. Der dafür benötigte Strom treibt hauptsächlich Verdichter, Pumpen und Regelung an.

Die Wahl einer Wärmepumpenart sollte nicht isoliert anhand eines Prospektwertes erfolgen. Entscheidend sind die Heizlast des Gebäudes, die benötigte Vorlauftemperatur, das Grundstück, mögliche Schallanforderungen, die örtliche Geologie, die Wasserqualität und die Genehmigungsfähigkeit. Erst aus diesen Faktoren ergibt sich eine belastbare Systementscheidung.

• Luft-Wasser-Wärmepumpe: Außenluft zu Heizungswasser
• Sole-Wasser-Wärmepumpe: Erdreich zu Heizungswasser
• Wasser-Wasser-Wärmepumpe: Grundwasser zu Heizungswasser
• Luft-Luft-Wärmepumpe: Außenluft zu Raumluft

Die Luft-Wasser-Wärmepumpe entzieht der Außenluft Wärme. Ein Ventilator führt die Luft über den Verdampfer, in dem das Kältemittel Umweltenergie aufnimmt. Weil keine Erdsonden, Erdkollektoren oder Brunnen erforderlich sind, ist die Erschließung der Wärmequelle vergleichsweise unkompliziert. Das macht diese Bauart insbesondere bei bestehenden Wohngebäuden attraktiv.

Erhältlich sind Monoblock- und Splitgeräte. Beim Monoblock befindet sich der Kältekreis weitgehend in einer werkseitig geschlossenen Einheit. Zwischen Außen- und Inneneinheit verlaufen in der Regel wasserführende Leitungen. Bei Splitgeräten sind Teile des Kältekreises auf Außen- und Inneneinheit verteilt. Die konkrete Ausführung beeinflusst Montage, Frostschutz, Leitungsführung und Anforderungen an die Fachbetriebe.

Die Außentemperatur schwankt im Jahresverlauf deutlich. Mit sinkender Quellentemperatur steigt meist die Temperaturdifferenz, welche die Wärmepumpe überwinden muss. Dadurch können Leistungszahl und Heizleistung an kalten Tagen geringer ausfallen. Für die Planung ist deshalb nicht nur ein Nennwert bei milden Prüfbedingungen relevant, sondern die Leistung am örtlichen Auslegungspunkt sowie die zu erwartende Jahresarbeitszahl.

Besondere Aufmerksamkeit verdient der Schallschutz. Ventilator, Luftströmung und Verdichter erzeugen Geräusche, deren Wirkung von Gerät, Betriebszustand, Aufstellort, Reflexionsflächen und Abstand zur Nachbarschaft abhängt. Eine frühe Schallprognose kann ungünstige Standorte vermeiden. Ebenso wichtig sind kurze Leitungswege, eine sichere Kondensatableitung und ein standsicheres Fundament.

• Vergleichsweise geringer Erschließungsaufwand
• Für viele Bestandsgebäude nachrüstbar
• Außenaufstellung erfordert sorgfältige Schallplanung
• Effizienz stärker von der Außentemperatur abhängig

Die Sole-Wasser-Wärmepumpe nutzt das Erdreich als Wärmequelle. Als Sole wird ein frostsicheres Wärmeträgermedium bezeichnet, das in einem geschlossenen Rohrsystem zirkuliert und Energie aus dem Boden zur Wärmepumpe transportiert. Die Erschließung erfolgt meist über vertikale Erdsonden oder horizontal verlegte Erdkollektoren.

Erdsonden reichen abhängig von Planung und Standort in größere Tiefen. Ihre Auslegung hängt unter anderem von der Heizlast, der Wärmeleitfähigkeit des Untergrundes, den möglichen Bohrtiefen und dem zulässigen Wärmeentzug ab. Bohrungen dürfen nicht pauschal nach Gebäudefläche dimensioniert werden. Eine geologische Bewertung und die Beachtung landesrechtlicher Vorgaben sind erforderlich.

Erdkollektoren werden flächig und vergleichsweise oberflächennah verlegt. Sie benötigen eine ausreichend große, möglichst unversiegelte Grundstücksfläche. Bebauung, tief wurzelnde Pflanzen oder spätere Geländeveränderungen können die Nutzung einschränken. Alternativen wie Grabenkollektoren können den Flächenbedarf anders verteilen, müssen aber ebenfalls fachgerecht berechnet werden.

Ein wesentlicher technischer Vorteil des Erdreichs sind die im Vergleich zur Außenluft stabileren Quellentemperaturen. Dadurch kann die Anlage über das Jahr unter geeigneten Bedingungen effizient arbeiten. Dem stehen höhere Investitionen für Bohrung oder Erdarbeiten sowie mögliche Anzeigen, Genehmigungen und geologische Risiken gegenüber. Ob sich die Mehrinvestition wirtschaftlich lohnt, ist projektspezifisch zu prüfen.

• Konstantere Wärmequelle als Außenluft
• Erdsonden benötigen geologische und behördliche Prüfung
• Erdkollektoren benötigen geeignete Grundstücksfläche
• Höherer Erschließungsaufwand, aber gutes Effizienzpotenzial

Eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe nutzt Grundwasser, dessen Temperatur über das Jahr häufig relativ konstant ist. Üblicherweise wird das Wasser über einen Förderbrunnen entnommen, in einem Wärmeübertrager abgekühlt und über einen Schluckbrunnen wieder in den Grundwasserleiter eingeleitet. Entnahme und Rückführung bilden ein zusammengehöriges Brunnensystem.

Die technische Eignung hängt nicht allein davon ab, ob auf dem Grundstück Grundwasser vorhanden ist. Benötigt werden eine ausreichende und dauerhaft verfügbare Wassermenge, eine geeignete Fließrichtung, ausreichender Abstand zwischen den Brunnen und eine Wasserqualität, die Wärmeübertrager und Brunnenbetrieb nicht beeinträchtigt. Eisen, Mangan oder andere Inhaltsstoffe können Ablagerungen und Betriebsprobleme verursachen.

Vor der Umsetzung sind in der Regel wasserrechtliche Anforderungen zu klären. Je nach Standort können Probebohrungen, Pumpversuche, Wasseranalysen oder hydrogeologische Nachweise notwendig sein. In Wasserschutzgebieten oder bei ungünstigen Untergrundverhältnissen kann eine Nutzung eingeschränkt oder ausgeschlossen sein. Die Anforderungen unterscheiden sich regional, weshalb die zuständige Behörde frühzeitig einzubeziehen ist.

Sind die Voraussetzungen günstig, bietet Grundwasser ein hohes Effizienzpotenzial, weil die Wärmepumpe mit einer vergleichsweise stabilen Quellentemperatur arbeitet. Gleichzeitig verursachen Brunnenbau, Genehmigung, Wasseruntersuchung und Wartung zusätzlichen Aufwand. Die Wasser-Wasser-Wärmepumpe ist daher keine Standardlösung, sondern eine standortabhängige Variante mit sorgfältigem Planungsbedarf.

• Stabile Quellentemperatur und hohes Effizienzpotenzial
• Förder- und Schluckbrunnen erforderlich
• Wassermenge und Wasserqualität müssen geeignet sein
• Wasserrechtliche Zulässigkeit frühzeitig prüfen

Luft-Luft-Wärmepumpen entziehen der Außenluft Wärme und geben sie über ein oder mehrere Innengeräte direkt an die Raumluft ab. Technisch gehören dazu viele Split-Klimageräte, die sowohl heizen als auch kühlen können. Da kein wassergeführter Heizkreis erforderlich ist, lassen sie sich in bestimmten Gebäuden mit geringem Wärmebedarf oder als Ergänzung vergleichsweise einfach einsetzen.

Für eine vollständige Gebäudeheizung müssen Raumaufteilung, Luftverteilung, Schall, Zugerscheinungen und Warmwasserbereitung berücksichtigt werden. Ein einzelnes Innengerät kann Wärme nicht automatisch gleichmäßig in getrennte Räume übertragen. Für mehrere Räume sind häufig mehrere Innengeräte oder ein geplantes Luftverteilsystem notwendig. Trinkwarmwasser muss separat erzeugt werden.

Eine weitere Sonderform ist die Abluftwärmepumpe. Sie entzieht der kontrolliert abgeführten Raumluft Wärme und nutzt diese beispielsweise für Trinkwarmwasser oder eine begrenzte Heizleistung. Die verfügbare Energie ist durch den hygienisch notwendigen Luftvolumenstrom begrenzt. Deshalb muss geprüft werden, ob die Leistung zum Gebäude und zum Nutzungskonzept passt.

Brauchwasserwärmepumpen erwärmen vorrangig Trinkwasser und ersetzen keine vollständige Raumheizung. Sie nutzen häufig Raum-, Keller- oder Abluft. Darüber hinaus existieren Großwärmepumpen, Abwasserwärmepumpen und Systeme zur Nutzung industrieller Abwärme. Für typische Ein- und Mehrfamilienhäuser bleiben Luft-Wasser-, Sole-Wasser- und Wasser-Wasser-Wärmepumpen jedoch die wichtigsten wassergeführten Varianten.

• Luft-Luft-Systeme heizen direkt über Raumluft
• Trinkwarmwasser benötigt meist ein separates System
• Abluftwärmepumpen sind durch den Luftvolumenstrom begrenzt
• Brauchwasserwärmepumpen dienen primär der Warmwasserbereitung

Beim Vergleich der Wärmepumpenarten sollte zwischen Erschließungsaufwand, Effizienzpotenzial und praktischer Umsetzbarkeit unterschieden werden. Die Luft-Wasser-Wärmepumpe benötigt meist den geringsten Eingriff in Grundstück und Untergrund. Sole-Wasser- und Wasser-Wasser-Systeme erschließen aufwendigere, dafür häufig stabilere Wärmequellen.

Pauschale Aussagen wie „Erdwärme ist immer günstiger“ oder „Luftwärmepumpen funktionieren im Altbau nicht“ sind fachlich nicht belastbar. Eine effizient geplante Luft-Wasser-Wärmepumpe kann wirtschaftlicher sein als eine überdimensionierte Erdwärmeanlage. Umgekehrt kann eine hochwertige Erdsondenanlage bei hohem und langfristig stabilem Wärmebedarf Vorteile bieten.

Auch Wartung und Betriebsrisiken unterscheiden sich. Luft-Wasser-Wärmepumpen benötigen freie Luftwege und eine funktionierende Kondensatableitung. Erdsondenanlagen besitzen einen geschlossenen Quellenkreis, dessen Druck und Frostschutz überwacht werden. Grundwasseranlagen erfordern zusätzlich Aufmerksamkeit für Brunnen, Filter, Wasserqualität und mögliche Ablagerungen.

Für einen objektiven Vergleich sollten Angebote denselben Leistungsumfang enthalten. Dazu gehören Wärmequelle, Wärmepumpe, Speicher, Hydraulik, Elektroarbeiten, Schallschutz, Erdarbeiten, Genehmigungen, Inbetriebnahme und notwendige Anpassungen der Heizflächen. Andernfalls entsteht leicht ein Preisvergleich zwischen technisch unterschiedlichen Lösungen.

• Luft-Wasser: geringe Erschließung, höhere Quellentemperaturschwankung
• Sole-Wasser: hohe Erschließung, stabile Erdtemperatur
• Wasser-Wasser: hoher Prüfaufwand, günstige Quellentemperatur möglich
• Luft-Luft: kein Heizwasser, dafür raumweise Luftverteilung erforderlich

Am Anfang der Auswahl steht eine Heizlastberechnung. Die Heizlast beschreibt die Wärmeleistung, die das Gebäude am festgelegten Auslegungstag benötigt. Sie darf nicht mit dem bisherigen Jahresverbrauch verwechselt werden. Verbrauchsdaten sind für eine Plausibilitätsprüfung hilfreich, ersetzen aber keine raumweise oder normgerechte Auslegung.

Anschließend ist die erforderliche Vorlauftemperatur zu bewerten. Sie bezeichnet die Temperatur des Heizwassers, das den Heizflächen zugeführt wird. Je geringer die notwendige Vorlauftemperatur, desto kleiner ist üblicherweise der Temperaturhub der Wärmepumpe. Große Heizflächen, ein hydraulischer Abgleich und eine angepasste Heizkurve können den Betrieb verbessern. Eine Fußbodenheizung ist vorteilhaft, aber nicht zwingend erforderlich.

Bei Luft-Wasser-Wärmepumpen sind Aufstellfläche, Schallausbreitung, Luftführung und Leitungswege zu prüfen. Für Sole-Wasser-Wärmepumpen müssen Grundstücksfläche, Bohrbarkeit und Genehmigungen geklärt werden. Bei Wasser-Wasser-Wärmepumpen kommen Grundwasserstand, Ergiebigkeit, Fließrichtung und Wasserqualität hinzu. Diese Standortprüfung sollte erfolgen, bevor ein bestimmtes Gerät verbindlich ausgewählt wird.

Im Bestand kann zudem eine schrittweise Optimierung sinnvoll sein. Einzelne zu kleine Heizkörper lassen sich gegebenenfalls ersetzen, ohne das gesamte Gebäude umzubauen. Auch Dämmmaßnahmen können die Heizlast reduzieren. Das Fraunhofer ISE hat in Felduntersuchungen gezeigt, dass Wärmepumpen auch in Bestandsgebäuden funktionieren können; entscheidend bleiben jedoch Planung, Systemtemperaturen und Betriebsoptimierung.

• Heizlast und Leistung am Auslegungspunkt bestimmen
• Erforderliche Vorlauftemperatur prüfen
• Wärmequelle und Grundstück bewerten
• Heizflächen und hydraulischen Abgleich einbeziehen
• Schall- und Genehmigungsfragen vor Auftrag klären

Die Effizienz einer Wärmepumpe wird häufig mit der Leistungszahl COP oder der saisonalen Leistungszahl SCOP beschrieben. Diese Werte entstehen unter definierten Prüfbedingungen. Für den realen Betrieb ist die Jahresarbeitszahl besonders aussagekräftig. Sie setzt die innerhalb eines Jahres abgegebene Wärmemenge ins Verhältnis zum dafür eingesetzten Strom, wobei die genaue Bilanzgrenze beachtet werden muss.

Die Jahresarbeitszahl hängt nicht nur von der Wärmepumpenart ab. Einfluss haben unter anderem Quellentemperatur, Vorlauftemperatur, Warmwasserbedarf, Dimensionierung, Hydraulik, Regelung, Abtauvorgänge, elektrische Zusatzheizung und Nutzerverhalten. Ein System mit theoretisch guter Wärmequelle kann durch ungeeignete Planung schlechter arbeiten als erwartet.

Für die Wirtschaftlichkeit sind Investitions-, Betriebs- und Folgekosten gemeinsam zu betrachten. Bei Erdwärme- und Grundwasseranlagen erhöhen Bohrung, Brunnenbau und Genehmigungen die Anfangskosten. Bei Luft-Wasser-Wärmepumpen können Schallschutzmaßnahmen oder Anpassungen am Aufstellort relevant sein. Zusätzlich sollten Wartung, mögliche Reparaturen und die erwartete Nutzungsdauer berücksichtigt werden.

Förderprogramme können die Investition unter bestimmten Voraussetzungen unterstützen. Konditionen, technische Mindestanforderungen, Antragswege und Fristen können sich ändern. Deshalb sollten ausschließlich die zum Zeitpunkt der Antragstellung gültigen Angaben der zuständigen Stelle verwendet werden. Ein Liefer- oder Leistungsvertrag und der Maßnahmenbeginn müssen mit den aktuellen Förderregeln abgestimmt werden.

• Prüfstandswerte nicht mit realem Jahresbetrieb gleichsetzen
• Niedrige Systemtemperaturen verbessern meist die Effizienz
• Gesamtkosten statt nur Gerätepreis vergleichen
• Aktuelle Förderbedingungen vor Maßnahmenbeginn prüfen