mini|hochkant=1.1|Erste erdgekoppelte Wärmepumpenheizung in Deutschland von Klemens Oskar Waterkotte aus dem Jahr 1972 mini|hochkant=1.1|Wärmeübertrager einer Luft-/Wasser-Wärmepumpe in einem Gehäuse zur freistehenden Aufstellung im Außenraum mini|hochkant=0.85|Sole-Wasser-Wärmepumpe im Keller eines energetisch sanierten Zweifamilienhauses
Eine Wärmepumpenheizung ist die Anwendung der Wärmepumpe für Heizzwecke. Sie entzieht der Umwelt (z. B. Atmosphäre, Gewässer oder Erdboden) thermische Energie und bringt diese unter Aufwendung technischer Arbeit mit einem Verdichter über einen thermodynamischen Kreisprozess auf ein höheres, für Heizzwecke nutzbares Temperaturniveau.
Mit einer Wärmepumpenheizung kann im Vergleich zur direkten Wärmeerzeugung aus elektrischer Energie, z. B. per Nachtspeicherheizung, je nach Heizungsvorlauftemperatur etwa die drei- bis fünffache Wärmemenge erzeugt werden. Sie ist ein Mittel zur Erhöhung der Energieeffizienz. Wenn der Antriebsstrom aus regenerativen Energiequellen stammt, kann die Wärmepumpenheizung erheblich zur Dekarbonisierung des Gebäudesektors beitragen.
Neben dem Beheizen von Gebäuden sind Wärmepumpenheizungen oft auch in der Lage, Gebäude in den Sommermonaten als Klimaanlage abzukühlen, was mit dem klimawandelbedingten Temperaturanstieg immer wichtiger wird.Vgl. Nicolas Glaesmann, Wärmepumpenheizungen. Planungshilfe und Ratgeber für Neubauten und Bestandsgebäude, Wiesbaden 2022, Kap. 6.6 (S. 195ff). Einen Überblick über die Geschichte der Heizung mit Wärmepumpen gibt Zogg.
Funktionsprinzip mini|Monoblock-Wärmepumpe mit Maschinengehäuse im Freien; 1: Verdichter, 2: Verflüssiger, 3: Expansionsventil, 4: Aussenluftverdampfer, 5: Heizungspumpe, 6: Membranausdehnungsbehälter, „TC“ für Temperature Controller (dt. Temperaturregler) mini|Split-Wärmepumpe mit Verdampfergehäuse einschließlich Verdichter im Freien und Verflüssiger im Gebäude mini|hochkant=0.8|Luft-/Wasser-Wärmepumpenheizung im Betriebsraum eines Einfamilienhauses
Eine Wärmepumpenheizung besteht aus drei KernkomponentenFrank-Michael Baumann: Ratgeber Wärmepumpe. Klimaschonend, Effizient, unabhängig. Düsseldorf 2023, S. 27.: der Wärmequellenanlage, die der Umwelt die Wärme entzieht der Wärmepumpe selbst, die die Umweltwärme auf ein nutzbares Temperaturniveau anhebt dem Wärmeverteil- und Speichersystem, das die gewonnene Wärme im Gebäude verteilt oder zwischenspeichert
Physikalisch wird bei einer Wärmepumpenheizung der gleiche Kreisprozess angewandt wie beim Kühlschrank, mit dem Unterschied, dass die warme Seite (Verflüssiger) der Wärmepumpe zum Heizen genutzt wird. Der dabei angewandte thermodynamische Kreisprozess wird in Der Kreisprozess der Wärmepumpe beschrieben. Während also beim Kühlschrank dem Innenraum Wärme entzogen wird, die nach außen abgegeben wird (was die Wohnraumtemperatur erhöht), entzieht eine Wärmepumpenheizung der Umgebung eines Gebäudes Energie, um das Gebäudeinnere zu heizen.
Grundlegendes zum Wirkungsgrad Eine Wärmepumpe erzeugt keine Wärme, sondern transportiert Wärme aus der Umwelt (Luft, Wasser, Erdreich) in das wärmere Reservoir eines zu beheizenden Gebäudes. Da bei dieser Betrachtung des Carnot-Prozesses der Energietransport von Interesse ist und sich immer ein Wirkungsgrad größer oder gleich eins ergibt, sprechen Techniker von einer „Leistungszahl“ statt von einem „Wirkungsgrad“. Für diesen Wärmetransport muss mechanische Arbeit für die Verdichtung eines Arbeitsmittels aufgebracht werden (Input). Das Verhältnis von Wärmeertrag (Output) zur technischen Arbeit (Input) wird Leistungszahl oder (COP) genannt. Die Leistungszahl ist umso höher, je geringer die Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und der Vorlauftemperatur des Heizkreises ist; mit steigender Temperaturdifferenz sinkt die Leistungszahl der Wärmepumpe. Als Wärmequellen eignen sich Luft, Wasser oder Erdreich. 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, auf dem Markt werden Wärmepumpen mit Vorlauftemperaturen von 70 °C angeboten, was allerdings mit COP-Einbußen einhergeht.Jens Clausen et al.: Wärmepumpen. Die klimaneutrale Wärmeversorgung im Neubau und für Bestandsgebäude. Scientists for Future, Policy-Paper Wärmewende. Abgerufen am 9. Dezember 2022. 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 wirtschaftlich vertretbar sein.
Bei einem Wärmebedarf von mehr als 150 kWh pro Quadratmeter und Jahr empfiehlt sich ohnehin eine energetische Sanierung.Wärmepumpe auch ohne Sanierung möglich. In: Tagesschau.de, 21. November 2022. Abgerufen am 9. Dezember 2022.
Zur Ermittlung der Leistungszahl werden auch im privaten Bereich (geeichte) Wärmezähler neben (ebenfalls geeichten) Stromzählern verwendet.
Kältemittel Das eingesetzte Kältemittel und die Füllmenge werden auf dem Herstellerschild der Wärmepumpe vermerkt. Bislang in Europa betriebene Wärmepumpen für Haushalt sowie Industrie werden (Stand 2025) zunehmend mit natürlichem Kältemittel betrieben, z. B.: R-290 und erfüllen damit die Abkehr von FKW (fluorierten Kohlenwasserstoffen). Dies setzt den Wechsel über R-32, ersetzt R-407C oder R-410A, sowie R-513B, ersetzt R-134a folgerichtig fort. 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.
Zwar werden Kältemittel nur in Ausnahmefällen freigesetzt und selbst bei vollständiger Freisetzung bleibt die CO₂-Bilanz von Wärmepumpen weiter positiv. Dennoch gibt es von Seiten der Hersteller einen klaren Trend zu umweltfreundlicheren Kältemitteln mit niedrigerem Treibhauspotential.Frank-Michael Baumann: Ratgeber Wärmepumpe. Klimaschonend, Effizient, unabhängig. Düsseldorf 2023, S. 41. In Kleinanlagen wie Kühlschränken haben sich bereits das natürliche Propan (R-290), Isobutan (R-600a) und Propylen (R-1270) durchgesetzt. Bei größeren Füllmengen (> 150 g) dieser explosionsfähigen Stoffen müssen Explosionsschutzmaßnahmen berücksichtigt werden, so dass bei der Aufstellung von kältemittelführenden Bauteilen innerhalb von Gebäuden besondere Anforderungen des Explosionsschutzes beachtet werden müssen. Die Verwendung von brennbaren Kältemitteln in Monoblockanlagen kann unter Anwendung aller Sicherheitsvorschriften (Innen u. Außen) dagegen als unproblematisch angesehen werden. Die Verwendung von Ammoniak NH3 ist wegen der Toxizität auf Großanlagen beschränkt, wo spezielle Leckageüberwachungen vorgeschrieben sind.
Für Mono/Split-Geräte soll ab dem 1. Januar 2025 ein Verwendungsverbot für Kältemittel mit einem GWP100 größer 750 in Kraft treten. Hier wird mittlerweile oft das Kältemittel R-32/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 tragenKälteanlagen und Wärmepumpen – Sicherheitstechnische und umweltrelevante Anforderungen – Teil 1: Grundlegende Anforderungen, Begriffe, Klassifikationen und Auswahlkriterien; Deutsche Fassung EN 378-1:2016+A1:2020.
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 mit 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 ohne Zusatzmaßnahmen (Gaskühler als Gegenstromwärmetauscher und interner Wärmetauscher) nicht effektiv. Allerdings ist der Einsatz in Wärmepumpenanlagen für die Trinkwassererwärmung mit einem großen Temperaturhub und einem Wärmeübergang im Gegenstrom thermodynamisch vorteilhaft, 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.CO2-Wärmepumpe für Passivhäuser. Website der Technischen Universität Braunschweig. Abgerufen am 13. März 2016.
Kennzahlen 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:
Das Verhältnis von tatsächlicher zu Carnot-Leistungszahl ist der Gütegrad . Damit errechnet sich die Leistungszahl
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 , etwa 0 °C) und Fußbodenheizung (, etwa 35 °C Vorlauftemperatur) errechnet man beispielsweise:
Wenn an dem gleichen Wärmepumpenkreislauf eine Radiatorenheizung mit 55 °C () Vorlauftemperatur (Verdampfungstemperatur −0 °C) angeschlossen wird, ergibt sich eine deutlich niedrigere Leistungszahl:
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.