Grundlegendes zum Wirkungsgrad

Zur Wärmeerzeugung muss mechanische Arbeit für die Verdichtung eines Arbeitsmittels aufgebracht werden (Input). Das Verhältnis von Wärmeertrag (Output) zur technischen Arbeit (Input) wird Leistungszahl oder englisch coefficient of performance (COP) genannt. Die Leistungszahl ist umso höher, je geringer die gewünschte Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle, zum Beispiel Grundwasser von 10 °C, und der Wärmesenke ist (Vorlauftemperatur des Heizkreises). Mit steigendem Temperaturhub sinkt die Leistungszahl der Wärmepumpe. Als Wärmequellen eignen sich Wasser, Erdreich oder Luft. Die Übertragung der Wärme zur Gebäudebeheizung kann über eine direkte Erwärmung der Raumluft oder indirekt über ein Warmwasserheizungssystem erfolgen. Eine Wärmepumpenheizung kann auch zur Erwärmung von Trink- oder anderem Nutzwasser eingesetzt werden.

Vorteilhaft für Warmwasserheizungssysteme sind Flächenheizungen wie eine Fußboden- oder Wandheizung mit niedrigen Vorlauftemperaturen. Die Verwendung von Heizkörpern insbesondere in Altbauten ist auch möglich; allerdings ist oft ein Austausch gegen größere Heizkörper erforderlich, um mit moderaten Vorlauftemperaturen auszukommen. Als Faustformel gilt, dass die maximale Vorlauftemperatur auf 55 °C beschränkt sein sollte. Soweit an wenigen sehr kalten Tagen eine höhere Temperatur notwendig ist, kann ein Nachheizen mit einem elektrischen Heizstab noch wirtschaftlich vertretbar sein. Eine großzügige Dimensionierung der gesamten Wärmepumpenheizung erleichtert hohe Jahresarbeitszahlen, weil dann auch die Wärmeübertrager bessere Wirkungsgrade zeigen.

Auf dem Markt werden mittlerweile auch Wärmepumpen angeboten, die eine Vorlauftemperatur von 70 °C liefern können, was allerdings mit COP-Einbußen einhergeht. Bei einem Wärmebedarf von mehr als 150 kWh pro Quadratmeter und Jahr empfiehlt sich erst eine energetische Sanierung, bevor eine Wärmepumpe installiert wird.

Verwendet werden in Sonderfällen auch Absorptions- bzw. Adsorptions-Wärmepumpen. Die Anergie (Wärme aus der Umgebung) wird bei der endothermen Lösung von zwei Stoffen in dem Kreisprozess aufgenommen.

Wahl des Kältemittels

Das eingesetzte Kältemittel und die Füllmenge müssen auf dem Herstellerschild der Wärmepumpe vermerkt sein. Bislang in Europa betriebene Wärmepumpen für Haushalt sowie Industrie (Stand 2022) werden zumeist mit FKW (fluorierten Kohlenwasserstoffen) betrieben; insbesondere R-134a, R-407C oder R-410A betrieben. Diese Kältemittel wurden als Ersatzkältemittel für die ozonschädigenden FCKW entwickelt. Da FKW-Kältemittel im Falle von Leckagen oder unzulänglichem Recycling in die Atmosphäre gelangen und dann erheblich zum Treibhauseffekt beitragen, ist deren Einsatz durch die F-Gase-Verordnung zur Reduzierung klimaschädlicher Kältemittel begrenzt. Die brennbaren Kältemittel Propan (R-290), Isobutan (R-600a) und Propylen (R-1270) haben sich in Kleinanlagen (Kühlschränke) durchgesetzt. Allerdings müssen bei größeren Füllmengen (> 150 g) Explosionsschutzmaßnahmen berücksichtigt werden, so dass bei Aufstellung von kältemittelführenden Bauteilen in Gebäuden die Nutzung brennbarer Kältemittel vermieden wird. Die Verwendung von brennbaren Kältemitteln in Monoblockanlagen mit Außenaufstellung kann dagegen als unproblematisch angesehen werden. Die Verwendung von Ammoniak NH₃ ist wegen der Toxizität auf Großanlagen beschränkt, wo spezielle Leckageüberwachungen vorgeschrieben sind. Der Hersteller Vaillant hat angekündigt (2022), in Zukunft in Wärmepumpen das Kältemittel R-290 (Propan) zu verwenden.

Als dritte Kältemittelgeneration gelten die Hydrofluorolefine (HFO). Das Kältemittel HFO-1234yf (2,3,3,3-Tetrafluorpropen) wird in Autoklimaanlagen bevorzugt eingesetzt, da die Verwendung von FKW in der Produktgruppe in Neufahrzeugen praktisch verboten ist. Das Kältemittel hat ein sehr geringes Treibhauspotential, allerdings weist es eine geringe Entzündbarkeit auf. Für den Einsatz in Wärmepumpenheizungsanlagen hat sich HFO-1234yf bislang nicht etabliert. Laut der F-Gase-Verordnung darf in ortsfesten Kälteanlagen seit dem 1. Januar 2020 kein Kältemittel mit einem GWP₁₀₀ größer 2500 eingesetzt werden. Somit ist allerdings die Verwendung von R-134a (GWP₁₀₀=1430) und R-407A (GWP₁₀₀=2107) und R-410A (GWP₁₀₀=2088) in ortsfesten Wärmepumpen in Monoblockbauweise nicht eingeschränkt.

Für Mono-Split-Geräte soll am dem 1. Januar 2025 ein Verwendungsverbot für Kältemittel mit einem GWP100 größer 750 in Kraft treten. Hier wird mittlerweile oft das Kältemittel R32 Difluormethan (GWP₁₀₀=675) verwendet (Toshiba, Daikin). Es wird eine Vielzahl von Gemischen aus FKW- und HFO-Kältemitteln in der EN 378-1 aufgeführt, deren Treibhauspotential unter dem Grenzwert von 750 liegt und die die Kältemittelnummern 450A bis 465A tragen.

Eine Sonderrolle spielt das natürliche Kältemittel Kohlenstoffdioxid CO₂ (R-744). Der Betriebsdruck ist bei dem Stoff deutlich höher, so dass Bauteile mit höherem zulässigem Druck verwendet werden müssen. Der Stoff hat eine kritische Temperatur von 31 °C, so dass CO₂ bei der Wärmeübertragung zum Heizkreis keine Kondensation stattfindet. Der Wärmeübergang erfolgt im überkritischen Gebiet ohne Phasenwechsel bei einer gleitenden Temperatur. Für die Erwärmung von Heizungswasser mit einem geringen Temperaturhub zwischen Vor- und Rücklauftemperatur ist die Verwendung von CO₂ daher nicht effektiv. Allerdings ist der Einsatz in Wärmepumpenanlagen für die Trinkwassererwärmung mit einem großen Temperaturhub und einem Wärmeübergang im Gegenstrom thermodynamisch effektiv, wenn der Wärmeübergang über der Länge der Übertragungsstrecke mit einer näherungsweise konstanten Temperaturdifferenz erfolgt. Das Trinkwasser wird entweder direkt erwärmt und einem Wasserschichtenspeicher oder einem Speicher mit Wärmeübertragerschlangen indirekt zugeführt. Die Anwendung in Passivhäusern mit Warmwassererwärmung und geringem Wärmebedarf ist positiv bewertet worden.

Leistungszahl und Gütegrad

Zur Beurteilung von Wärmepumpen wird die Leistungszahl ε – auch Coefficient of Performance (COP) genannt – herangezogen. Sie ist das Verhältnis von abgegebener Heizwärmeleistung zur eingesetzten Antriebsleistung des Verdichters (auch Kompressor). Die erreichbare Leistungszahl ist in Abhängigkeit von den verwendeten Temperaturen entsprechend dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik begrenzt auf den Kehrwert des Carnot-Wirkungsgrades für eine verlustfrei arbeitende Kraftwärmemaschine, die Carnot-Leistungszahl:

${\displaystyle \varepsilon _{\mathtt {C}}={\frac {T_{\text{warm}}}{T_{\text{warm}}-T_{\text{kalt}}}}}$

Das Verhältnis von tatsächlicher zu Carnot-Leistungszahl ist der Gütegrad ${\displaystyle \eta =\varepsilon /\varepsilon _{\mathtt {C}}}$. Damit errechnet sich die Leistungszahl

${\displaystyle \varepsilon =\eta \cdot {\frac {T_{\text{warm}}}{T_{\text{warm}}-T_{\text{kalt}}}}}$

Elektro-Kompressions-Wärmepumpen für die Gebäudeheizung erreichen im Dauerbetrieb unter festgelegten Normbetriebsbedingungen Gütegrade von rund 50 %. Dieser Wert dient hauptsächlich zur Beurteilung der Qualität der Wärmepumpe selbst. Er berücksichtigt nicht den Rest des Heizungssystems.

Für eine Wärmepumpe mit Erdwärmesonde (Verdampfungstemperatur ${\displaystyle T_{\text{kalt}}=273\ \mathrm {K} }$, etwa 0 °C) und Fußbodenheizung (${\displaystyle T_{\text{warm}}=308\ \mathrm {K} }$, etwa 35 °C Vorlauftemperatur) errechnet man beispielsweise:

${\displaystyle \varepsilon \approx 0{,}5\cdot {\frac {308\ \mathrm {K} }{308\ \mathrm {K} -273\ \mathrm {K} }}=4{,}4}$

Wenn an dem gleichen Wärmepumpenkreislauf eine Radiatorenheizung mit 55 °C (${\displaystyle T_{\text{warm}}=328\ \mathrm {K} }$) Vorlauftemperatur (Verdampfungstemperatur −0 °C) angeschlossen wird, ergibt sich eine deutlich niedrigere Leistungszahl:

${\displaystyle \varepsilon \approx 0{,}5\cdot {\frac {328\ \mathrm {K} }{328\ \mathrm {K} -273\ \mathrm {K} }}=3{,}0}$

Beim Einsatz einer Erdwärmesonde als Wärmequelle ist die Verdampfungstemperatur unabhängig von der Umgebungstemperatur.

Eine Wärmepumpe, die als Wärmequelle die Umgebungsluft nutzt, hat eine deutlich niedrigere Verdampfungstemperatur als die Anlage mit einer Erdwärmesonde. Mit steigendem Wärmebedarf sinkt die Umgebungstemperatur und damit auch die Leistungszahl. Zudem ist die Wärmeübergangszahl von Luft zu den Verdampferflächen niedrig. Es finden daher möglichst großflächige, verrippte Rohre im Verdampfer Anwendung. Es ist ein Lüfter oder Ventilator notwendig, der die Luft durch die Verdampferflächen drückt.

Bei Luft-Wasser-Wärmepumpen muss durch die Anordnung der Verdampferlamellen das zeitweise auftretende Kondensat aus der angesaugten Umgebungsluft abgeführt werden. Die Enthalpie des aus der Luft kondensierten Wasserdampfes trägt zur Wärmeaufnahme bei. Bei tiefen Umgebungstemperaturen und Verdampfertemperaturen unter 0 °C bildet sich Eis auf den Wärmetauscherflächen, und der Wärmeübergang durch die isolierende Eisschicht verschlechtert sich deutlich. Der Eisansatz muss daher kontinuierlich durch Abtaumaßnahmen entfernt werden. Entweder kann der Kreisprozess der Wärmepumpe umgeschaltet werden, so dass der Verdampfer zeitweise als Verflüssiger betrieben wird oder es erfolgt eine elektrische Beheizung des Verdampfers.

In der folgenden Berechnung der Leistungszahl wird eine Außentemperatur von zirka 7 °C und eine Temperaturdifferenz von 12 °C zwischen Lufteintrittstemperatur und Verdampfungstemperatur des Kältemittels angenommen. Mit ${\displaystyle T_{\text{kalt}}=268\ \mathrm {K} }$ (gleich etwa −5 °C) für die kalte Seite ergibt sich:

${\displaystyle \varepsilon \approx 0{,}5\cdot {\frac {328\ \mathrm {K} }{328\ \mathrm {K} -268\ \mathrm {K} }}=2{,}7}$

Es wird deutlich, dass die Leistungszahl einer Wärmepumpe durch die Bauart der Wärmeübertrager, Verflüssiger und Verdampfer stark beeinflusst wird. Unbetrachtet bleibt die Vereisung des Verdampfers. Die Anlage der Beispielrechnung ist nur sinnvoll bei Außentemperaturen größer als +12 °C einsetzbar.

Mit der Erdwärmesonde steht unabhängig von der herrschenden Außentemperatur eine Wärmequelle mit relativ hoher Temperatur zur Verfügung, während die Außenluft eine ungünstige Wärmequelle darstellt. Auf der Seite der Wärmesenke sollte mit einer möglichst großen Fläche eine kleine Temperaturdifferenz zwischen Raumtemperatur und Wärmeträgervorlauftemperatur angestrebt werden. In den dargestellten Beispielen variiert die Leistungszahl um den Faktor 1,8 zwischen der Erdwärmesonde/Fußbodenheizungswärmepumpe und der Außenluft/Radiatorwärmepumpe.

Unter Standardbedingungen erreichen handelsübliche Wärmepumpen COP-Werte im Bereich von 3,2 bis 4,5 bei Wärmequelle Umgebungsluft und 4,2 bis 5,2 bei Nutzung von Erdwärme, Tendenz steigend.

Jahresarbeitszahl (JAZ)

Zur Bewertung der energetischen Effizienz eines Wärmepumpenheizungssystems wird die sogenannte „Jahresarbeitszahl“ (JAZ), auch Seasonal Performance Factor (SPF) genannt, verwendet. Sie gibt das Verhältnis der über das Jahr abgegebenen Wärme zur aufgenommenen Antriebsenergie an und ist nicht mit der unter standardisierten Laborbedingungen ermittelten Leistungszahl zu verwechseln. Um Vergleichbarkeit zu gewähren ist es wichtig, sich über die Systemgrenze im Klaren zu sein. Die Jahresarbeitszahl kann den zusätzlichen Energieaufwand für die Nebenantriebe (Solepumpen, Grundwasserpumpen bzw. Luft-Ventilatoren etc.) enthalten, die bei falscher Auslegung einen beachtlichen Teil ausmachen.

Die Jahresarbeitszahl berechnet sich nach folgender Formel:

${\displaystyle JAZ={\frac {\int _{t_{1}}^{t_{2}}{\dot {Q}}_{\text{Heiz}}(t)\,dt}{\int _{t_{1}}^{t_{2}}P_{\mathrm {el} }(t)\,dt}}={\frac {Q_{\text{Heiz}}}{W_{\mathrm {el} }}}}$

Hierbei stehen ${\displaystyle t_{1}}$ für den Startzeitpunkt und ${\displaystyle t_{2}}$ für den Endzeitpunkt des betrachteten Zeitraums. ${\displaystyle Q_{\text{Heiz}}}$ steht für die in diesem Zeitraum von der Wärmepumpe insgesamt erzeugte Wärmemenge (${\displaystyle {\dot {Q}}_{\text{Heiz}}(t)}$ beschreibt die zeitliche Ableitung dieser Wärmemenge, also die je nach Betriebsmodus variierende Wärmeleistung der Wärmepumpe), ${\displaystyle P_{\mathrm {el} }(t)}$ für die über die Zeit ${\displaystyle t}$ variierende elektrische Leistungsaufnahme und ${\displaystyle W_{\mathrm {el} }}$ für die elektrische Energie, die innerhalb des Zeitraums insgesamt aufgewendet werden muss.

Vielerlei Faktoren beeinflussen die Jahresarbeitszahl. Hersteller liefern beispielsweise Hard- und Software unterschiedlicher Qualität. Ähnliches gilt für die Arbeit von Installateursbetrieben. Weiterhin ändern sich im Jahresverlauf die Temperaturen, unter denen die Wärmepumpe arbeiten muss. Auf der Senkenseite dominiert beispielsweise im Winter üblicherweise die Gebäudeheizung mit vergleichsweise niedriger Temperatur, im Sommer hingegen die Trinkwarmwasserbereitung mit vergleichsweise hohen Temperaturen. Auch die gesamte Auslegung eines Wärmepumpen-Heizungssystems, z. B. die Tiefe der Erdsonde, die Wahl von Speichern oder Wärmeverteilsystem, hat einen Einfluss auf seine Effizienz. Auf der Quellseite sind ebenfalls Temperaturschwankungen zu beobachten, diese jedoch in starker Abhängigkeit der Quelle. So schwankt die Lufttemperatur stark im täglichen und saisonalen Verlauf, die Erdreich- und Grundwassertemperatur jedoch kaum. Der Standort und das Klima ist ebenfalls relevant.

Die JAZ liegt in Deutschland in der Größenordnung von 3 bis 4,5, bei Grundwassersystemen auch über 5. Ausreißer in beide Richtungen sind möglich.

Treibhausgasbilanz

Entscheidend für die Öko-Bilanz der Elektro-Wärmepumpen ist die Art und Weise, wie der für den Betrieb nötige Strom produziert wurde. Ob Kohlenstoffdioxid eingespart wird, ergibt sich insbesondere aus Jahresarbeitszahl und der Emissionsintensität der Stromerzeugung. Zu berücksichtigen sind dabei unterschiedliche Brennstoffe in Kraftwerken und Hausheizungen und deren Emissionsfaktoren, sodass selbst bei gleichem Primärenergiebedarf die CO₂-Emissionen bei der Stromerzeugung höher (z. B. bei Schwerpunkt auf Braunkohleverstromung) oder niedriger (z. B. durch hohen Anteil an Gas- oder Kernkraftwerken) ausfallen können.

Bei Staaten mit hohem Anteil emissionsfreier Energieerzeugung wie z. B. Österreich, wo Wasserkraft die dominierende Stromquelle ist, werden bereits bei einer Jahresarbeitszahl von 1,0 Kohlenstoffdioxidemissionen eingespart, in Estland hingegen erst bei einer Jahresarbeitszahl von 5,1. In Deutschland liegt der Wert bei 2,2. Als Vergleichswert diente ein Gaskessel mit einem Wirkungsgrad von 95 % und Emissionen von 213 g/kWh.

2020 erschien in der Fachzeitschrift Nature Sustainability eine Studie, die die CO₂-Bilanz von Wärmepumpenheizungen über den gesamten Lebenszyklus (d. h. Herstellung, Betrieb und Recycling) sowohl für das Jahr 2015 als auch die Zukunft analysierte. Die Autoren studierten dabei zunächst die Bilanz im weltweiten Durchschnitt und teilten die Welt schließlich in 59 Regionen auf, die sie dann einzeln analysierten, um regionale Unterschiede zu erkennen. Dabei kamen sie zum Ergebnis, dass bereits im Jahr 2015 die Nutzung einer durchschnittlichen Wärmepumpe verglichen mit einer durchschnittlichen neuen fossil befeuerten Heizung deutlich weniger Kohlendioxid produziert hätte. Demnach waren Wärmepumpen immer dann klimafreundlicher als fossile Heizungen, wenn Strom bezogen wurde, bei dessen Produktion weniger als 1000 g CO_2e/kWh anfiel. Mehr als 90 % der Weltstromerzeugung liegen unter diesem Emissionslevel. Sofern die Emissionen der Stromerzeugung unter 500 g CO₂ /kWh lägen, stießen Wärmepumpen im globalen Durchschnitt – selbst dann, wenn sie sehr ineffizient arbeiten würden – weniger Emissionen als sehr effiziente neue fossile Heizungen. Insgesamt kamen die Autoren zu dem Ergebnis, dass Wärmepumpen bereits 2015 in 53 der 59 Regionen weltweit mit zusammen 96 % des globalen Wärmebedarfs klimafreundlicher als fossile Heizungen gewesen seien. Im Durchschnitt lagen die Emissionen von Wärmepumpenheizungen um 35 % unter denen von fossilen Heizungen. Zudem werde sich der Klimavorteil von Wärmepumpen in der Zukunft mit dem erwarteten Rückgang der Emissionen der Stromerzeugung noch weiter verbessern, sodass insgesamt der Umstieg auf Wärmepumpen in den meisten Regionen weltweit fast sicher die Treibhausgasemissionen reduzieren würde; auch unter der Annahme, dass diese Elektrifizierung des Wärmesektors nicht gleichzeitig von einer weiteren Dekarbonisierung der Stromerzeugung begleitet würde.

Eine 2013 im Auftrag des Bundesverbandes Wärmepumpe e. V. erstellte Studie der TU München hielt fest, dass zwar „der Strombedarf der Wärmepumpen [in Deutschland] tendenziell durch den Einsatz von Grundlastkraftwerken, d. h. insbesondere von Kohlekraftwerken bereitgestellt“ wird, dass aber schon beim damaligen Strommix eine Emissionseinsparung von „41 % bis 52 % gegenüber einem alten Niedertemperaturkessel“ auftrete. Bei weiterhin stark steigender Einspeisung erneuerbare Energien sei damit zu rechnen, dass Wärmepumpen „im Jahr 2030 im Gebäudebestand und im Neubau rund 73 % bis 83 % weniger an nicht-regenerativer Primärenergie benötigen als erdgas- oder heizölbefeuerte Anlagen“. Daraus ergebe sich eine „Minderung des CO₂-Ausstoßes zwischen 56 % und 78 %“. Bei 3,5 Millionen Wärmepumpen im Jahr 2030 sei mit einem zusätzlichen Stromverbrauch von ca. 13,5 TWh zu rechnen (etwa 3,5 % des deutschen Gesamtstrombedarfs), weswegen es nur geringe Auswirkungen auf den Stromerzeugungsmix gebe.

Wärmepumpen können klimaschädliche Kältemittel wie R134a (1,1,1,2-Tetrafluorethan), R404A (Ersatzkältemittel für R502 und R22 (Chlordifluormethan)), R407C (Ersatz des Kältemittels R22) oder R-410A enthalten. Ein Kilogramm dieser Kältemittel entwickelt das gleiche Treibhauspotential wie 1,3 bis 3,3 Tonnen CO₂. Bei nicht sachgerechtem Recycling kann es zur Freisetzung dieser Stoffe und zu entsprechenden Treibhausgasemissionen kommen. Es gibt jedoch auch klimafreundliche Alternativen wie R744, R290, R600a oder R1270.

Primärenergiebilanz

Wie viel Primärenergie eingespart wird, ergibt sich aus der Primärenergiebilanz der Stromerzeugung. Mit dem seit 2016 in Deutschland geltenden Primärenergiefaktor von 1,8 sparen inzwischen auch Wärmepumpen mit Wärmequelle Außenluft Primärenergie gegenüber Gas-Brennwertkesseln ein. Für Deutschland durchschnittliche Werte sind in der Tabelle unten angegeben. Die höchsten Einsparungen ergeben sich, wenn die Wärmepumpen mit erneuerbaren Energien betrieben werden, die Strom direkt ohne thermodynamische Verluste produzieren. Bei fossilen Kraftwerken schneiden Gas-und-Dampf-Kombikraftwerke (GuD-Kraftwerke) am besten ab. So liefern Wärmepumpen mit einer JAZ von 3,5, die mit Strom aus einem Gas-Kraftwerk betrieben werden, mit einem Primärenergieeinsatz von 1,7 kWh 3,5 kWh Wärmeenergie.

Unabhängig von dieser primärenergetischen Betrachtung können Wärmepumpen auch zu einer Verringerung bestimmter Schadstoffemissionen (Kohlendioxid, Stickoxide, Feinstaub, Schwefelverbindungen etc.) beitragen, da bei Nutzung von festen und fossilen Brennstoffen (Steinkohle, Braunkohle) im Kraftwerk eine hocheffektive Rauchgasreinigung (zumindest bei gleichem Brennstoff) i. d. R. spezifisch geringere Emissionen als die lokale Verbrennung verursacht.

Wärmepumpenarten nach Wärmequellen

Wärmepumpen nach Art des Antriebs

Hybrid- und Mischsysteme

Betriebsarten

Es wird in der Regel zwischen drei Betriebsarten unterschieden:

• Dem monovalenten Betrieb = nur Wärmepumpe, geeignet für alle Niedertemperaturheizungen bis maximal 55 °C Vorlauftemperaturen.
• Dem bivalenten Betrieb = Wärmepumpe und eine zusätzliche Wärmequelle (z. B. Solarkollektoren, Gaskessel, Elektroheizstab und dergleichen)
  • Bivalent-alternativ = dabei liefert die Wärmepumpe bis zu einer festgelegten Außentemperatur die gesamte Heizwärme. Sollte der Wert unterschritten werden, schaltet sich die Wärmepumpe ab und ein zweiter Wärmeerzeuger übernimmt das Heizen.
  • Bivalent-parallel = wie bei der Bivalent-alternativ-Betriebsart liefert die Wärmepumpe bis zu einem bestimmten Wert die gesamte Heizleistung, allerdings schaltet sich die Wärmepumpe erst nach einem zweiten Grenzwert aus. Dazwischen wird ein zweiter Wärmeerzeuger hinzugeschaltet. Im Gegensatz zum bivalent-alternativen Betrieb ist der Anteil der Wärmepumpe an der Jahresleistung deutlich größer.
• Dem monoenergetischen Betrieb = Wärmepumpe und elektrische Zusatzheizung (zumeist bei preiswerten Modellen). Hierbei liefert die Wärmepumpe den Großteil des Jahres die nötige Wärmeleistung. Bei sehr niedrigen Temperaturen (unter −7 °C) reicht die Wärmeleistung nicht aus und es wird ein Heizstab zugeschaltet.

Aufbau der Kreisläufe

Die Systemtypen können an der Anzahl der Fluidkreise unterschieden werden. Die Entkopplung der Kreise durch indirekte Zuführung der Verdampfungsenthalpie aus der Umgebung und die Abfuhr der Kondensationsenthalpie über ein Warmwasserheizungsnetz sind regelungstechnisch vorteilhaft (jedoch energetisch verlustbehaftet), die Kältemittelmenge und die Wahrscheinlichkeiten von Leckagen sind gering.

Heizwasserverteilung/Zwischenlagerung

Sollte die von der Wärmepumpe gelieferte Wärme zeitweise nicht ausreichend abgenommen/gebraucht werden, so kann das Warmwasser zwischengelagert werden. Dieses geschieht in einem großen wärmeisolierten Behälter, einem Pufferspeicher bzw. Sicherspeicher. In dem Behälter wird das erwärmte Wasser oben zugeführt und unten zum Verflüssiger der Wärmepumpe geleitet. Aufgrund der temperaturabhängigen Dichte des Wassers tritt nur eine geringfügige Vermischung in dem Behälter ein. Bei höherem Wärmeangebot verlagert sich die warme Zone nach unten. Diese Behälter fassen mehrere hundert Liter Wasser. Das Vorhalten von erwärmtem Wasser ist besonders angebracht, wenn die Stromlieferung für die Wärmepumpe mit Sperrzeiten erfolgt oder lastabhängige Stromtarife gewählt werden. Ferner können Lastspitzen in dem Heizungssystem, z. B. in den Morgenstunden, abgefangen werden. Speicherbehälter gibt es in verschiedenen Ausführungen. Zur Erwärmung des Gebäudes zirkuliert der Wasserstrom zwischen dem Speicher und den Radiatoren bzw. der Fußbodenheizung. Speicherbehälter können auch mit Kupferrohrspiralen ausgerüstet werden, in denen Trinkwasser erwärmt wird, das im Gegenstrom zur Schichtenbildung geführt wird. Das Trinkwasser muss allerdings meisten nacherwärmt werden, um eine Legionellenbildung zu verhindern.

Deutschland

Österreich

Insgesamt wurden in Österreich von 1975 bis 2005 190.200 Wärmepumpenanlagen errichtet. Die meisten Wärmepumpen jährlich wurden in den Jahren 1986 und 1987 (mit über 13.000 Wärmepumpen pro Jahr) installiert.

Schweiz

In der Schweiz beträgt der Marktanteil bei Neubauten rund 75 %. Die spez. Kosten für die Heizwärme betragen mit einer Erdwärme nutzenden Wärmepumpe 3,9 Rp/kWh. (etwa 3,2 Cent/kWh), während eine konventionelle Ölheizung mit spez. Kosten von 7,9 Rp./kWh (etwa 6,6 Cent/kWh) zu veranschlagen ist. Eine staatliche Förderung ist somit überflüssig. Im Jahr 2017 waren Wärmepumpen in 18,4 % der Haushalte installiert. 17,9 % der Haushalte nutzten die Wärmepumpe als Hauptwärmequelle, 0,5 % als Ergänzung.

Direkte Investitionen

Die anfänglichen Investitionen in Wärmepumpenanlagen sind höher als in herkömmliche Kessel, in denen Gas oder Öl verfeuert wird. Dafür entfallen im Neubau Zusatzkosten wie ein Schornsteineinbau. Auch ein Lagerraum für den Brennstoff bei Öl, Pellets oder Holz entfällt.

In Deutschland lagen die Investitionskosten Mitte 2023 bei ca. 20.000 bis 45.000 Euro, wobei zu dem Zeitpunkt 40 % der Kosten durch staatliche Förderung übernommen werden, einzelne Anbieter lagen bei 16.000 Euro. Damit liegen die Kosten in Deutschland im Vergleich vergleichsweise hoch. Ursache hierfür sind u. a. sehr unterschiedliche Häusertypen, die mehr Individualisierte Angebote durch Installateure erforderlich machen, vergleichsweise hohe Personal- und Materialkosten sowie höhere Mehrwertsteuer auf Wärmepumpen. Hingegen sind in anderen Staaten Wärmepumpen weitaus günstiger, in Großbritannien bieten Anbieter Wärmepumpen ab 8.000 Euro an. Erwartet wird, dass Wärmepumpen mit höheren Stückzahlen in Fertigung und Installation auch in Deutschland tendenziell günstiger werden.

Wärmepumpenheizungen auf Erdkollektor- bzw. Erdsonden-Basis sind aufgrund ihrer Installation (mehrere Bohrungen bis mind. 50 Meter bzw. großflächiger Bodenaushub) recht kostenintensiv und können wirtschaftlich nur bei einem Neubau Verwendung finden. Speziell Erdkollektoren benötigen relativ große Grundstücke, was in Ballungsgebieten kaum zu verwirklichen ist. Bei kleinen Grundstücksflächen und für den Bestandsbau sind Spiralkollektoren/Erdwärmekörbe eine Alternative, dort zum Beispiel im Zuge einer energetischen Sanierung des alten Gebäudes.

Auch bei Wärmepumpen, die Grundwasser als Energiequelle benutzen, ist der Investitionsaufwand und die Anforderungen an die Grundstücksfläche hoch. In der Regel muss man einen Förderbrunnen und einen Schluckbrunnen (in einem Abstand von mindestens etwa 15 m annähernd in Grundwasserfließrichtung, Tiefe bis ausreichend unter Grundwasserspiegel) sowie die erdverlegte Verbindungsleitung zur Anlage errichten. Die Brunnen werden mit einem Durchmesser von 15 bis 30 cm gebohrt oder bei hohem Grundwasser bis etwa 4 m als Brunnenschacht ausgeführt. Statt des Schluckbrunnens wird auch teilweise nur ein preiswerterer Sickerschacht gebaut, der allerdings die Grundstückswasserhaltung verändert und somit meist nicht zulässig ist. Weiterhin ist eine etwas höhere Pumpleistung der Förderpumpe notwendig, da die Höhenenergie des heraufgepumpten Wassers verloren geht. In einigen Gebieten ist aber die gleichzeitige Nutzung des Grundwassers zur sommerlichen Gartenbewässerung genehmigungsfähig. Die Kosten variieren sehr stark in Abhängigkeit von den baulichen Gegebenheiten. Zusätzlich fallen weitere Kosten für ein Bodengutachten und das Genehmigungsverfahren an.

Geringere Investitionskosten fallen bei Systemen an, die auf Luft-Wasser oder Luft-Luft basieren, denn die Kosten für Anschaffung sowie Installation sind deutlich geringer. Allerdings ist bei Luft-Wasser- oder Luft-Luft-Systemen mit einer erheblich schlechteren Leistungszahl im Winter zu rechnen, wodurch die Betriebskosten höher ausfallen als mit Erdsystemen. Daher eignet sich eine Luft-Wasser-Wärmepumpe gut zum bivalenten Betrieb mit einem bestehenden fossilen Heizsystem, das Spitzenlast und sehr niedrige Außentemperaturen abdeckt.

Als weitere Investition ist bei der Verwendung des günstigeren Heizstroms die Installation eines zweiten Stromzählers zu berücksichtigen, was bei Bestandsgebäuden eine Erweiterung des Stromkastens zur Folge haben kann.

Betriebskosten

Genehmigung

Da Wärmepumpen zum Teil erhebliche Anlaufströme haben, die zu Netzrückwirkungen (Spannungseinbrüchen) führen können, muss der Anschluss vom Energieversorgungsunternehmen genehmigt werden. Die Genehmigung wird im Regelfall mit bestimmten Auflagen (Anlaufstrombegrenzung, Anläufe/Stunde beschränkt) erteilt.

Sperrzeiten

Bei Nutzung eines günstigen Heizstromtarifs können die Energieversorger die Wärmepumpen zu Zeiten von Spitzenlast, beispielsweise vormittags und am Frühabend, nach den Technischen Anschlussbedingungen (TAB) bis zu dreimal täglich für je zwei Stunden (auch ferngesteuert) abschalten. Allerdings können viele Energieversorgungsunternehmen (EVU) von dieser Möglichkeit nach unten abweichen, da sie die Sperrzeiten mittels der Rundsteuerempfänger bezogen auf das tatsächliche Lastprofil steuern. Die Sperrzeiten sind dann relativ kurz, so dass ein erhöhter technischer Aufwand (beispielsweise Pufferspeicher) für eine Sperrzeitüberbrückung in der Regel nicht notwendig wird.