Heizen mit Wärmepumpe im Fertighaus: Funktion, Arten und Planung

Wärmepumpe im Fertighaus: Heizen mit Umweltwärme

Wärmepumpen gehören heute zu den verbreiteten Heizsystemen im Neubau. Sie nutzen Wärme aus der Außenluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser und übertragen diese mithilfe eines technischen Kreislaufs auf das Heizsystem des Hauses. Für den Betrieb benötigen sie elektrische Energie. Wie hoch der Strombedarf ausfällt, hängt unter anderem vom Wärmebedarf des Gebäudes, von der Wärmequelle, der Auslegung der Anlage und den erforderlichen Heiztemperaturen ab.

Bei einem Fertighaus kann das Heizsystem bereits während der Hausplanung auf Gebäudehülle, Grundriss, Warmwasserbedarf und Wärmeverteilung abgestimmt werden. Wärmepumpen können je nach Anlagenkonzept die Raumheizung und Warmwasserbereitung übernehmen. Bestimmte Systeme beziehungsweise Geräte ermöglichen zusätzlich eine Kühlung. Ob und in welchem Umfang diese Funktion genutzt werden kann, ist vom konkreten Wärmepumpentyp und der technischen Ausführung abhängig.

In diesem Beitrag erfahren Sie, wie eine Wärmepumpe funktioniert, welche Unterschiede zwischen Luft-, Grundwasser- und Erdwärmepumpen bestehen und welche Voraussetzungen bei der Planung berücksichtigt werden sollten. Außerdem betrachten wir Vor- und Nachteile der Technik und zeigen, welche Faktoren für den Betrieb einer Wärmepumpe im Fertighaus entscheidend sind.

Wie funktioniert eine Wärmepumpe? Grundlagen und wichtige Kennwerte

Eine Wärmepumpe nimmt Wärme aus einer Wärmequelle auf und hebt deren Temperaturniveau mithilfe eines Kältemittelkreislaufs an. Als Wärmequelle können beispielsweise Außenluft, Erdreich oder Grundwasser dienen. Die aufgenommene Wärme wird anschließend für Heizung und gegebenenfalls Warmwasserbereitung nutzbar gemacht.

Anders als ein Heizsystem, das seine Wärme unmittelbar durch die Verbrennung von Öl oder Gas erzeugt, benötigt eine elektrisch angetriebene Wärmepumpe vor allem Strom für Verdichter, Pumpen und weitere Anlagenkomponenten. Wie viel elektrische Energie erforderlich ist, hängt von der jeweiligen Anlage und ihren Betriebsbedingungen ab. Deshalb sollte die Wärmepumpe immer passend zum Gebäude und zum vorgesehenen Heizsystem ausgelegt werden.

Die Funktionsweise einer Wärmepumpe

Das Funktionsprinzip einer Wärmepumpe lässt sich vereinfacht mit einem Kühlschrank vergleichen – allerdings mit umgekehrter Nutzungsrichtung. Ein Kühlschrank nimmt Wärme aus seinem Innenraum auf und gibt sie an die Umgebung ab. Eine Wärmepumpe nimmt dagegen Wärme aus einer äußeren Wärmequelle auf und stellt sie dem Gebäude auf einem höheren Temperaturniveau zur Verfügung.

Im Kältemittelkreislauf verdampft ein Kältemittel zunächst unter Aufnahme von Wärme. Ein elektrisch betriebener Verdichter erhöht anschließend Druck und Temperatur. Über einen Wärmetauscher wird die Wärme an das Heizsystem abgegeben. Danach entspannt sich das Kältemittel und der Kreislauf beginnt erneut.

Auch bei niedrigen Außentemperaturen enthält Außenluft noch nutzbare Wärme. Bei einer Luft-Wasser-Wärmepumpe muss der Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle und benötigter Heiztemperatur bei kalter Außenluft allerdings stärker überwunden werden. Dies kann den Strombedarf beeinflussen.

Ein wichtiger Kennwert für die Bewertung im laufenden Betrieb ist die Jahresarbeitszahl. Sie beschreibt das Verhältnis der über einen längeren Zeitraum abgegebenen Wärmemenge zur dafür eingesetzten elektrischen Energie. Welche Jahresarbeitszahl tatsächlich erreicht wird, hängt von Gebäude, Anlage, Einstellungen und Nutzung ab.

Wärmepumpe im Haushalt: wichtige Eigenschaften

1. Nutzung von Umweltwärme: Wärmepumpen können Wärme aus Außenluft, Erdreich oder Grundwasser für Heizung und Warmwasser nutzbar machen. Für die dafür erforderliche Temperaturanhebung benötigt die Anlage Strom.
2. Keine Öl- oder Gasverbrennung am Wärmepumpengerät: Eine rein elektrisch betriebene Wärmepumpe benötigt im normalen Betrieb kein Heizöl oder Erdgas als Brennstoff. Damit entfallen beispielsweise ein Öltank und bei einem ausschließlich elektrischen Heizsystem auch ein Gasanschluss für die Heizung.
3. Betriebskosten sind vom Einzelfall abhängig: Der Stromverbrauch hängt unter anderem von Wärmebedarf, Vorlauftemperatur, Wärmequelle, Geräteeigenschaften und Betriebsweise ab. Ob eine Wärmepumpe gegenüber einem anderen Heizsystem geringere Kosten verursacht, lässt sich deshalb nur anhand eines konkreten Gebäudes und aktueller Energiepreise beurteilen.
4. Fördermöglichkeiten projektbezogen prüfen: Staatliche Programme und ihre Voraussetzungen können sich ändern und unterscheiden zwischen Neubau und Bestand. Eine Förderfähigkeit sollte deshalb immer anhand des konkreten Vorhabens und der zum Zeitpunkt der Antragstellung geltenden Bedingungen geprüft werden.

Für die Beurteilung einer Wärmepumpe sind damit konkrete technische Daten wesentlich aussagekräftiger als pauschale Aussagen über ihre Wirkung oder ihre späteren Betriebskosten.

Wärmepumpenarten: Luft, Grundwasser und Erdreich als Wärmequelle

Wärmepumpen lassen sich vor allem danach unterscheiden, aus welcher Quelle sie Wärme aufnehmen und wie diese an das Heizsystem übertragen wird. Häufig eingesetzt werden Luft-Wasser-Wärmepumpen, Sole-Wasser-Wärmepumpen mit Erdreich als Wärmequelle sowie Wasser-Wasser-Wärmepumpen mit Grundwasser.

Die geeignete Lösung hängt von mehreren Faktoren ab. Dazu gehören unter anderem Grundstück, Bodenverhältnisse, Grundwasserbedingungen, Platzbedarf, Investitionsaufwand, Genehmigungen sowie Heiz- und Warmwasserbedarf des Hauses. Auch die vorgesehene Wärmeverteilung spielt eine wichtige Rolle.

Luftwärmepumpen: Außenluft als Wärmequelle

Luft-Wasser-Wärmepumpen nutzen die Außenluft als Wärmequelle. Dazu wird Außenluft über einen Wärmetauscher geführt und die enthaltene Wärme in den Kältemittelkreislauf übertragen. Die erzeugte Wärme wird anschließend in der Regel über einen wassergeführten Heizkreis im Gebäude verteilt.

Ein praktischer Vorteil besteht darin, dass zur Erschließung der Wärmequelle keine Erdsonde und kein Grundwasserbrunnen erforderlich sind. Je nach Gerät kann die Wärmepumpe außen oder teilweise innerhalb des Gebäudes aufgestellt werden.

Da die Temperatur der Außenluft im Jahresverlauf schwankt, ändern sich auch die Betriebsbedingungen. Bei niedrigen Außentemperaturen steigt der Temperaturhub, den die Anlage zwischen Wärmequelle und Heizsystem bewältigen muss. Deshalb sind eine passende Dimensionierung und möglichst niedrige erforderliche Vorlauftemperaturen wichtige Planungsfaktoren.

Bei außen aufgestellten Geräten müssen außerdem die Geräusche von Ventilator und Verdichter berücksichtigt werden. Standort, Schallleistungspegel, Abstände und mögliche Reflexionen an Gebäudeflächen sollten bereits während der Planung geprüft werden.

Grundwasser-Wärmepumpen: Wärme aus dem Grundwasser nutzen

Wasser-Wasser-Wärmepumpen nutzen Grundwasser als Wärmequelle. Dafür sind in der Regel geeignete Brunnenanlagen erforderlich, über die Grundwasser entnommen und nach der Wärmeübertragung wieder zurückgeführt wird.

Ob dieses System auf einem Grundstück eingesetzt werden kann, hängt unter anderem von Grundwassermenge, Wasserqualität, geologischen Bedingungen und den jeweils erforderlichen wasserrechtlichen Genehmigungen ab. Die technische Machbarkeit muss deshalb standortbezogen geprüft werden.

Ein Vorteil der Wärmequelle Grundwasser besteht darin, dass ihre Temperatur während des Jahres vergleichsweise wenig schwankt. Dies kann günstige Betriebsbedingungen für eine Wärmepumpe schaffen. Daraus lässt sich jedoch keine pauschale Aussage über Stromverbrauch oder Kosten ableiten, weil auch Pumpenleistung, Anlagenplanung und tatsächlicher Wärmebedarf berücksichtigt werden müssen.

Der Erschließungsaufwand ist gegenüber einer Luftwärmepumpe in der Regel höher. Vor einer Entscheidung sollten deshalb sowohl die technische Eignung als auch Investitions- und Betriebskosten für das konkrete Grundstück ermittelt werden.

Erdwärmepumpen: Erdreich über Sonde oder Kollektor erschließen

Sole-Wasser-Wärmepumpen nutzen das Erdreich als Wärmequelle. Dafür kommen beispielsweise vertikale Erdsonden oder flächig verlegte Erdkollektoren infrage. In beiden Fällen zirkuliert eine Wärmeträgerflüssigkeit in einem Rohrsystem und nimmt Wärme aus dem Erdreich auf.

Erdsonden benötigen vergleichsweise wenig Grundstücksfläche an der Oberfläche, erfordern jedoch Bohrarbeiten. Tiefe und Ausführung hängen von Geologie, Wärmebedarf und den örtlichen Rahmenbedingungen ab. Je nach Standort können Genehmigungen oder weitere Prüfungen erforderlich sein.

Flächenkollektoren werden näher an der Oberfläche verlegt und benötigen entsprechend mehr freie Grundstücksfläche. Auch hierbei müssen Bodenverhältnisse, verfügbare Fläche und erforderliche Entzugsleistung berücksichtigt werden.

Da die Temperatur des Erdreichs weniger stark schwankt als die Außenluft, können sich über das Jahr gleichmäßigere Betriebsbedingungen ergeben. Ob sich der höhere Erschließungsaufwand wirtschaftlich lohnt, muss jedoch für das jeweilige Bauvorhaben berechnet werden.

Vergleich der drei Technologien: Auswahl nach Gebäude und Grundstück

Welche Wärmepumpenart geeignet ist, lässt sich nicht allein anhand eines allgemeinen Rankings bestimmen. Luftwärmepumpen benötigen keine Erschließung von Erdreich oder Grundwasser und können deshalb auf vielen Grundstücken einfacher eingeplant werden. Erd- und Grundwassersysteme benötigen dagegen zusätzliche technische und gegebenenfalls genehmigungsrechtliche Voraussetzungen.

Für die Auswahl sind insbesondere folgende Fragen relevant: Welche Wärmequelle steht am Grundstück zur Verfügung? Welchen Wärmebedarf hat das Gebäude? Welche Vorlauftemperatur benötigt das Heizsystem? Wie viel Platz ist vorhanden? Ist eine Kühlfunktion vorgesehen? Welche Investitions- und Betriebskosten ergeben sich aus dem konkreten System?

Bei Fertighäusern können diese Punkte bereits während der technischen Hausplanung berücksichtigt und mit dem vorgesehenen Anlagenkonzept abgestimmt werden.

Wärmepumpe im Fertighaus richtig einplanen

Eine Wärmepumpe sollte nicht als isoliertes Gerät betrachtet werden. Für ihren Betrieb sind Gebäudehülle, Heizlast, Warmwasserbedarf, Wärmeverteilung und Regelung entscheidend. Erst aus dem Zusammenspiel dieser Faktoren ergibt sich ein passendes Gesamtsystem.

Im Neubau können diese Voraussetzungen frühzeitig in die Planung einbezogen werden. Dazu gehören beispielsweise die Dimensionierung der Anlage, die Auswahl der Wärmequelle, die Positionierung technischer Komponenten und die Festlegung der benötigten Heizflächen.

Voraussetzungen für die Einbindung einer Wärmepumpe

Eine Wärmepumpe arbeitet unter günstigen Bedingungen, wenn sie nur eine vergleichsweise geringe Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Heizsystem überwinden muss. Deshalb ist die erforderliche Vorlauftemperatur ein wichtiger Planungswert.

Flächenheizungen wie Fußbodenheizungen können aufgrund ihrer großen Wärmeübertragungsfläche mit niedrigeren Heizwassertemperaturen arbeiten als viele klassische Heizkörper. Das kann günstige Betriebsbedingungen für eine Wärmepumpe schaffen.

Entscheidend ist außerdem der Wärmebedarf des Hauses. Dieser wird unter anderem durch Größe und Geometrie des Gebäudes sowie die wärmetechnischen Eigenschaften von Außenwänden, Dach, Bodenplatte, Fenstern und Türen beeinflusst.

Die Wärmepumpe sollte auf Grundlage einer fachgerechten Heizlastberechnung dimensioniert werden. Eine Anlage, die deutlich zu groß oder zu klein ausgelegt ist, kann im Betrieb Nachteile verursachen.

Bestimmte Wärmepumpen können neben dem Heizen auch zur Temperierung beziehungsweise Kühlung genutzt werden. Bei Erdreich- oder Grundwassersystemen kann je nach Anlagenkonzept eine passive Kühlung möglich sein. Andere Systeme verwenden für die Kühlung einen aktiven Wärmepumpenbetrieb. Ob die Funktion vorgesehen ist, sollte deshalb für das konkrete Gerät geprüft werden.

Gebäudehülle, Heizflächen und Anlagenplanung

Für den Strombedarf einer Wärmepumpe ist nicht allein die Art des Fertighauses ausschlaggebend. Wichtig ist, welche Heizleistung bei den jeweiligen Außentemperaturen tatsächlich erforderlich ist.

Eine Gebäudehülle mit geringen Wärmeverlusten reduziert die benötigte Heizleistung. Dies kann bei der Dimensionierung der Wärmepumpe und der Wärmeverteilung berücksichtigt werden.

Auch der Warmwasserbedarf ist relevant. Anzahl der Bewohner, Sanitärausstattung, gewünschte Warmwassertemperaturen und Speichervolumen können Einfluss auf die Auswahl und Auslegung des Systems haben.

Bei Luftwärmepumpen muss zusätzlich ein geeigneter Aufstellort für die Außeneinheit gefunden werden. Bei Erdsonden, Erdkollektoren oder Grundwassernutzung kommen standortbezogene Anforderungen hinzu.

Deshalb sollte die Wahl zwischen Luft, Erdreich und Grundwasser nicht pauschal getroffen werden, sondern auf Grundlage der technischen Voraussetzungen des Bauprojekts.

Einbindung von Wärmepumpen bei STREIF

STREIF bietet nach aktuellem Stand unterschiedliche Wärmepumpenlösungen für seine Fertighäuser an. Dazu gehören unter anderem Systeme auf Basis von Außenluft sowie eine Erdwärmepumpenlösung. Welche Anlage für ein konkretes Haus vorgesehen werden kann, richtet sich nach Hausplanung, Ausstattung und den technischen Voraussetzungen des Grundstücks.

Bei der Auswahl spielen beispielsweise die zu beheizende Fläche, der Warmwasserbedarf, die gewünschte Wärmeverteilung und gegebenenfalls eine Kühlfunktion eine Rolle. Bei außen aufgestellten Anlagen müssen darüber hinaus Platzierung und Schallschutz berücksichtigt werden.

Die konkreten Leistungsdaten, Gerätevarianten und der Lieferumfang sollten immer anhand der für das jeweilige Bauvorhaben geltenden technischen Ausstattung und Bau- und Leistungsbeschreibung geprüft werden. So bleibt nachvollziehbar, welches Wärmepumpensystem tatsächlich Vertragsbestandteil ist und welche Funktionen es bietet.

Vor- und Nachteile von Wärmepumpen im Vergleich zu anderen Heizsystemen

Die Wahl eines Heizsystems beeinflusst Investitionskosten, laufende Energiekosten, technischen Platzbedarf und Anforderungen an das Gebäude. Ein sinnvoller Vergleich muss deshalb immer konkrete Systeme und ein konkretes Bauvorhaben gegenüberstellen.

Bei Wärmepumpen sind insbesondere Wärmequelle, Strombedarf, Jahresarbeitszahl, Vorlauftemperatur und Investitionsaufwand relevant. Bei anderen Heizsystemen kommen beispielsweise Brennstoffkosten, Anschlüsse, Lagerung oder zusätzliche technische Einrichtungen hinzu.

Vorteile von Wärmepumpen

1. Nutzung von Wärme aus der Umgebung: Eine Wärmepumpe kann einen erheblichen Teil der bereitgestellten Heizwärme aus Außenluft, Erdreich oder Grundwasser aufnehmen. Zusätzlich benötigt sie Strom für den technischen Prozess.
2. Kein Brennstofflager für Öl oder Pellets erforderlich: Bei einer rein elektrisch betriebenen Wärmepumpe werden diese Brennstoffe am Gebäude nicht benötigt. Das kann Anforderungen an Lagerflächen und Brennstofflieferungen vermeiden.
3. Gut mit niedrigen Vorlauftemperaturen kombinierbar: Wärmepumpen können insbesondere zusammen mit entsprechend ausgelegten Heizflächen bei vergleichsweise niedrigen Heizwassertemperaturen betrieben werden. Welche Temperaturen erforderlich sind, ergibt sich aus der Planung des Gebäudes.
4. Heizen und je nach System auch Kühlen: Einige Wärmepumpenanlagen können zusätzlich zur Wärmebereitstellung eine Kühl- oder Temperierungsfunktion übernehmen. Art und Leistungsfähigkeit unterscheiden sich je nach Gerät und Anlagenkonzept.
5. Mit eigener Stromerzeugung kombinierbar: Eine Wärmepumpe kann technisch mit einer Photovoltaikanlage kombiniert werden. Wie viel des Wärmepumpenstroms unmittelbar durch die eigene PV-Anlage gedeckt werden kann, hängt unter anderem von Anlagenleistung, Jahreszeit, Stromerzeugung, Wärmebedarf und gegebenenfalls einem Speicher ab.

Nachteile und Herausforderungen von Wärmepumpen

1. Investitionskosten unterscheiden sich je nach Wärmequelle: Neben dem Wärmepumpengerät können Kosten für Wärmeverteilung, Speicher und Installation entstehen. Bei Erd- oder Grundwassersystemen kommen gegebenenfalls Bohrungen, Kollektoren, Brunnenanlagen oder Genehmigungen hinzu.
2. Strombedarf hängt stark von der Auslegung ab: Eine Wärmepumpe benötigt elektrische Energie. Wie viel Strom sie tatsächlich verbraucht, wird unter anderem durch Wärmebedarf, Wärmequelle, Vorlauftemperatur, Warmwasserbedarf und Anlagenregelung bestimmt.
3. Standortanforderungen: Für Erd- und Grundwassersysteme müssen die örtlichen Voraussetzungen gegeben sein. Bei Luftwärmepumpen ist insbesondere die Aufstellung des Außengeräts einschließlich der Schallausbreitung zu berücksichtigen.
4. Geräusche bei Luftwärmepumpen: Ventilator und Verdichter können Betriebsgeräusche verursachen. Der konkrete Schallleistungspegel unterscheidet sich zwischen Geräten. Eine geeignete Positionierung sollte deshalb bereits bei der Planung erfolgen.
5. Fachgerechte Auslegung erforderlich: Wärmepumpe, Heizflächen und Regelung müssen zum Wärmebedarf des Hauses passen. Auch Einstellungen und hydraulische Abstimmung beeinflussen den späteren Betrieb.

Wärmepumpe als Heizsystem im Neubau

Wärmepumpen sind im Neubau weit verbreitet, weil sich Gebäude und Heizsystem von Beginn an gemeinsam planen lassen. Insbesondere Heizlast, Wärmeverteilung, Aufstellort und Warmwasserbedarf können bereits vor Baubeginn aufeinander abgestimmt werden.

Daraus folgt jedoch nicht, dass jede Wärmepumpe für jedes Gebäude gleichermaßen geeignet ist oder automatisch bestimmte Energie- oder Kosteneinsparungen erzielt. Aussagekräftig sind vielmehr die Daten und Berechnungen des konkreten Anlagen- und Gebäudekonzepts.

Wer verschiedene Heizsysteme vergleichen möchte, sollte deshalb neben Anschaffungskosten auch erwarteten Energiebedarf, Energiepreise, Wartung, Nutzungsdauer und gegebenenfalls zusätzliche bauliche Maßnahmen berücksichtigen.

Fazit: Wärmepumpe passend zum Fertighaus planen

Eine Wärmepumpe nutzt Wärme aus Außenluft, Erdreich oder Grundwasser und macht sie mithilfe elektrischer Energie für Heizung und Warmwasser nutzbar. Welche Wärmepumpenart für ein Fertighaus infrage kommt, hängt von Gebäude, Grundstück, Wärmebedarf und gewünschter Ausstattung ab.

Luftwärmepumpen benötigen keine Erschließung des Erdreichs oder Grundwassers, dafür müssen unter anderem Außentemperaturen und Schallschutz in der Planung berücksichtigt werden. Erd- und Grundwassersysteme können andere Betriebsbedingungen bieten, benötigen jedoch geeignete Standortvoraussetzungen und einen höheren Erschließungsaufwand.

Für den späteren Strombedarf sind insbesondere Heizlast, erforderliche Vorlauftemperatur, Wärmequelle und Anlagenregelung entscheidend. Eine Fußbodenheizung oder andere entsprechend ausgelegte Heizflächen können dabei niedrige Heizwassertemperaturen ermöglichen.

Auch Kosten und Fördermöglichkeiten sollten projektbezogen bewertet werden. Förderprogramme können sich ändern und unterscheiden sich nach Gebäudeart und Maßnahme. Eine allgemeine Förderzusage für den Einbau einer Wärmepumpe im Neubau lässt sich deshalb nicht treffen.

Bei einem STREIF-Fertighaus kann das Heizsystem bereits während der technischen Planung mit Haus, Wärmeverteilung und gewünschter Ausstattung abgestimmt werden. Welche Wärmepumpenlösung für das konkrete Bauvorhaben geeignet und verfügbar ist, ergibt sich aus der individuellen Planung und der jeweiligen Bau- und Leistungsbeschreibung.

Weitere Informationen zu den von STREIF angebotenen Systemen finden Sie im Bereich Heizen und Lüften.