Wärmepumpen im Winter - Unterschiede, Herausforderungen und Tipps
Wärmepumpen sind eine nachhaltige und effiziente Lösung zum Beheizen von Gebäuden, insbesondere in der Schweiz, wo der Winter oft lang und kalt ist. Sie nutzen die in der Umgebungsluft, im Grundwasser oder im Erdreich gespeicherte Wärme und können sowohl zum Heizen als auch zur Warmwasseraufbereitung eingesetzt werden.
Doch wie effizient sind Wärmepumpen im Winter, und welche Herausforderungen können auftreten? In diesem Artikel gehen wir auf die verschiedenen Wärmepumpentypen ein, beleuchten ihre Effizienz und Wirtschaftlichkeit und zeigen, welche Herausforderungen im Winter auftreten können - und wie sie sich bewältigen lassen.
Funktioniert eine Wärmepumpe im Winter?
Wärmepumpen nutzen elektrische Energie und vor allem die Umgebungsluft, die Erdwärme oder das Grundwasser, um Gebäude aufzuheizen. Intuitiv würde man meinen, dass das im Winter – wenn es drausen kalt ist – nicht allzu gut funktionieren dürfte. Fakt ist jedoch, dass die meisten Wärmepumpen auch im Winter hochgradig effizient laufen und keine Probleme damit haben, für ausreichend Wärme zu sorgen. Das liegt an der grundlegenden Funktionsweise von Wärmepumpen:
Durch ein Rohrsystem wird ein Kältemittel gepumpt. Ein Wärmetauscher entzieht der Umgebung (Luft, Erdboden oder Grundwasser) thermische Energie, wodurch das Kältemittel um einige Grad erwärmt und damit gasförmig wird. Systeme mit Ausseneinheit (üblicherweise Luft-Wasser-Wärmepumpen) haben oft einen zusätzlichen Heizstab eingebaut, der bei sehr niedrigen Temperaturen zum zusätzlichen Erhitzen des Heizungswassers automatisch einspringen oder manuell zugeschaltet werden kann.
Ein Kompressor verdichtet das Kältemittelgas und in einem zweiten Wärmetauscher kondensiert es wieder unter hohem Druck. Die dadurch freigesetzte Wärme wird dann zum Aufheizen des Brauchwassers und Heizungswassers genutzt. Das abgekühlte Kältemittel fliesst anschliessend zurück und der Kreislauf beginnt von Neuem.
Stromverbrauch bei niedrigen Temperaturen
Die Höhe des Stromverbrauches einer Wärmepumpe lässt sich anhand der sogenannten Jahresarbeitszahl (JAZ) berechnen. Die JAZ gibt an, wie viele Kilowattstunden Wärme sich mit einer Kilowattstunde Strom gewinnen lassen.
Mit einer Arbeitszahl von 4, üblich beispielsweise bei Erdwärmepumpen, werden aus 1’000 kWh Strom 4’000 kWh Wärme erzeugt. Übertroffen wird dies nur noch bei Wasser-Wasser-Wärmepumpen (JAZ 4.5), während Luft-Wasser-Wärmepumpen mit einer JAZ von etwa 3.5 knapp darunter liegen. Je höher die Jahresarbeitszahl, desto effizienter also die Pumpe – ab einer 3 gilt eine Wärmepumpe als effizient.
Je nach Wärmebedarf fällt entsprechend auch der Stromverbrauch aus. Für ein durchschnittliches Schweizer Einfamilienhaus mit 140 m2 gehen wir standardmässig von 20’000 kWh jährlichem Wärmebedarf aus. Die oben erwähnte Erdwärmepumpe würde hierfür also jährlich etwa 5’000 kWh Strom benötigen, um 20'000 kWh thermische Energie zu erzeugen. Ein Luft-Wasser-Modell benötigt hingegen etwa 5’700 kWh.
Muss eine Wärmepumpe nun aufgrund niedriger Temperaturen und höherem Heizbedarf mehr leisten, verbraucht sie entsprechend auch mehr Strom, um die gleiche Leistung zu erbringen. So kann etwa ab -20 Grad Celsius bei einer Luft-Wasser-Pumpe ein Heizstab einspringen, um das Wasser im Pufferspeicher des Wärmetauschers auf die gewünschte Temperatur zu bringen.
Je nachdem, wie oft und lange es so kalt wird, kann das einen Einfluss auf den Stromverbrauch und die Kosten haben. In einer Studie des Fraunhofer ISE aus 2020 machte die Heizstabsarbeit der analysierten Wärmepumpen im Durchschnitt jedoch nur 1,9 Prozent des Gesamtverbrauches aus. Ein nennenswerter Mehrverbrauch trat nur bei defekten oder falsch dimensionierten Wärmepumpen auf.
Diese eventuell nötige Zusatzleistung ist bei der Jahresarbeitszahl der meisten Wärmepumpen jedoch schon einberechnet. So lässt sich schon vor der Anschaffung der Stromverbrauch und damit auch die Energiekosten abschätzen.
Weniger Kosten auch im Winter: Wärmepumpe + Solaranlage
Um die Stromkosten für den Heizungsbetrieb noch weiter zu senken und das Heizen insgesamt sogar noch effizienter und umweltfreundlicher zu gestalten, kann es sich lohnen, zusätzlich zur Wärmepumpe auch noch eine Photovoltaik-Anlage zu installieren. Verbindet man die beiden Komponenten miteinander und stimmt sie optimal aufeinander ab, sinken die jährlichen laufenden Kosten und auch die Treibhausgasemissionen auf geringe Mengen.
Andersherum geht es auch: Wer bereits eine Solaranlage auf dem Dach installiert hat, kann eine Wärmepumpe für einen erhöhten Eigenverbrauch von Photovoltaikstrom nutzen - und beide Systeme wirtschaftlicher betreiben. Alles zum Thema Photovoltaik mit Wärmepumpe kombinieren haben wir hier für Sie zusammengefasst.
Die unterschiedlichen Wärmepumpentypen bei Minusgraden
Je nach Bauart und Funktionsprinzip sind verschiedene Wärmepumpen-Arten unterschiedlich gut für den Einsatz bei starken Minustemperaturen geeignet. Wir haben sie hier zur Übersicht einmal aufgelistet:
Luft-Wasser-Wärmepumpe
Luft-Wasser-Wärmepumpen sind die am weitesten verbreitete Art der Wärmepumpen. Sie entziehen der Aussenluft Wärme und wandeln diese in Heizenergie um. Dafür wird ein Teil des Systems (Split-Bausweise) oder das ganze System (Monoblock) als Ausseneinheit vor dem Haus installiert, wobei die korrekte Aufstellung ein wichtiger Faktor ist. Das Luft-Wasser-Modell ist besonders beliebt aufgrund einfacher Installation und vergleichsweise niedrigen Anschaffungskosten.
Auch innenaufgestellte Monoblock-Wärmepumpen sind in der Schweiz sehr beliebt. Diese kommen ohne Ausseneinheit aus, beziehen die nötige Umgebunsluft jedoch trotzdem von draussen.
Anders als man erwarten würde, funktioniert das Beziehen der Wärme aus der Aussenluft auch bei Temperaturen um den Gefrierpunkt. Bei extremen Minusgraden (je nach konkretem Modell etwa zwischen -15 und -20 Grad Celsius) kann die Effizienz von Luft-Wasser-Wärmepumpen jedoch sinken.
Moderne Systeme sind dank speziellem Kühlmittel und optimierten Kreisläufen darauf ausgelegt, auch bei bis zu -20 Grad Celsius effizient zu arbeiten. Viele Wärmepumpen verfügen darüber hinaus auch oft über Enteisungsfunktionen, um ein Vereisen des Aussengeräts zu verhindern, sowie einen Heizstab, der für zusätzliche Erhitzung des Heizwassers sorgt.
Diese Systeme benötigen jedoch zusätzliche Energie, was zu einem höheren Stromverbrauch und damit zu einem leichten Anstieg der Betriebskosten führen kann. Luft-Wasser ist daher neben Luft-Luft die Art Wärmepumpe, die von Minusgraden am ehesten betroffen ist. Um diese Auswirkungen so weit wie möglich zu minimieren, können Betreiber von Luft-Wasser-Wärmepumpen einigen Vorkehrungen treffen.
Sole-Wasser-/Erd-Wärmepumpe
Sole-Wasser-Wärmepumpen - auch Erdwärmepumpen oder Wärmepumpe mit Erdsonde genannt - nutzen die konstante Temperatur des Erdreichs als Wärmequelle. Sie sind besonders effizient, da die Bodentemperatur auch im Winter relativ stabil zwischen 8 und 12 Grad Celsius bleibt. Daher können sie auch bei extremen Minustemperaturen problemlos und ohne zusätzlichen Strombedarf für Wärme sorgen.
Diese Systeme erfordern jedoch eine aufwändige und kostspielige Installation, da eine Erdsonde oder alternativ Erdkollektoren verlegt werden müssen. Die Investitionskosten bei der Installation sind höher als beispielsweise bei Luft-Wasser-Wärmepumpen, aber die laufenden Betriebskosten sind in der Regel niedriger. Im Winter bieten Erdwärmepumpen eine hohe Effizienz und konstante Heizleistung, was sie auch bei starken Minusgraden zu einer sehr wirtschaftlichen Option macht.
Wasser-Wasser-Wärmepumpe
Wasser-Wasser-Wärmepumpen entziehen die zum Heizen nötige Wärme aus dem Grundwasser. Das hat das ganze Jahr über eine relativ konstante Temperatur zwischen 7 und 12 Grad Celsius, sodass auch diese Systeme im Winter bei starken Minusgraden äusserst effizient laufen. Die Installation ist jedoch technisch anspruchsvoll und erfordert eine behördliche Genehmigung, da Brunnen gebohrt werden müssen.
Die Betriebskosten sind bei Wasser-Wasser-Wärmepumpen sehr gering, und sie bieten eine hohe Heizleistung, was sie zu einer der effizientesten Wärmepumpenarten macht. Die hohe Anfangsinvestition kann jedoch für eine lange Amortisationszeit sorgen, sofern ihre Heizleistung nicht effizient genutzt wird. Somit kann eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe besonders in Gebieten, in denen häufig starke Minusgrade herrschen, ihre Stärken ausspielen und sich dort so sogar schneller amortisieren als andere Arten.
Luft-Luft-Wärmepumpe
Aufgrund ihrer Bauweise eignen sich Luft-Luft-Wärmepumpen nur eingeschränkt für den alleinigen Einsatz bei extrem niedrigen Temperaturen. Ihr idealer Temperaturbereich liegt zwischen -6 und 35 Grad Celsius. In der Schweiz sind sie aus diesem Grund schon bei normalen Wetterverhältnissen meist nur in Minergiehäusern im Einsatz - oder in Kombination mit einer weiteren Lösung wie beispielsweise einen Pellet-Zimmerofen, der einspringt, wenn der Heizbedarf zu hoch wird.
Effizienz bei Kälte im Vergleich
Die Jahresarbeitszahl von Wärmepumpen stellt einen Richtwert der Effizienz des gesamten Heizsystems über das gesamte Heizjahr berechnet dar. Man kann sie zwar für alle Wärmepumpen aus den Herstellerangaben näherungsweise berechnen – die tatsächliche JAZ lässt sich jedoch erst beim Praxiseinsatz bestimmen und hängt von verschiedenen Faktoren wie dem verbundenen Wärmeverteilsystem sowie dem tatsächlichem Wärmebedarf ab.
Die JAZ berechnet sich unter anderem auf Basis des sogenannten COP (Coefficient of Performance) – ein Laborwert, der die Effizienz einer einzelnen Wärmepumpe angibt. Je höher der COP, desto effizienter die Wärmepumpe. Je nach Art der Pumpe wird der COP an unterschiedlichen Temperaturpunkten berechnet. Noch akkurater ist der SCOP (Seasonal Coefficient of Performance), der mehrere Aussentemperaturen einbezieht.
| Wärmepumpen-Art | Niedrigster COP bei -7°C Aussentemperatur | Höchster COP bei -7°C Aussentemperatur | Höchster COP bei +2°C Aussentemperatur | Höchster COP bei +10°C Aussentemperatur |
|---|---|---|---|---|
| Luft-Wasser | 1,87 | 4,45 | 5,48 | 6,05 |
Der SCOP ist besonders bei Luft-Wasser-Wärmepumpen interessant, da sie die Aussenluft zum Heizen nutzen. Die effizientesten haben einen COP von 6.05 bei +10°C, sie produzieren also aus 1 kWh Strom ganze 6 kWh Wärme. Bei starken Minusgraden produzieren weniger effiziente Modelle nur noch knapp 1.9 kWh Wärme aus 1 kWh Strom. Der COP der meisten Pumpen bewegt sich übers Jahr zwischen 2.5 und 4.5.
| Wärmepumpen-Art | Niedrigster COP bei 0°C Bodentemperatur | Höchster COP bei 0°C Bodentemperatur |
|---|---|---|
| Sole-Wasser | 4,27 | 5,20 |
Sieht man sich unterschiedliche Wärmepumpen-Modelle im Vergleich an, zeigen sich teilweise deutliche Differenzen bei verschiedenen Temperaturen. Da die Boden- und Grundwassertemperatur über das Jahr meist konstant ist, wird für Sole-Wasser- und Wasser-Wasser-Wärmepumpen üblicherweise nur ein COP angegeben. Dieser ist jedoch vergleichsweise hoch, diese Arten von Wärmepumpe sind daher meist sehr effizient.
| Wärmepumpen-Art | Niedrigster COP bei +10°C Grundwassertemperatur | Höchster COP bei +10°C Grundwassertemperatur |
|---|---|---|
| Wasser-Wasser | 5,10 | 6,90 |
Zu bedenken hierbei ist, dass es sich beim COP um im Labor künstlich hergestellte Werte handelt, die im Praxiseinsatz deutlich abweichen können - hierfür eignet sich die JAZ besser. Dennoch kann der Vergleich verschiedener Wärmepumpen anhand ihrer COP-Werte Aufschluss darüber geben, wie sehr ihre Effizienz bei starken Minusgraden abnimmt.
Tipps für Wärmepumpen bei starker Kälte
Egal ob eisiger Winter oder schlicht kühler Sommer: Damit Wärmepumpen effizient arbeiten können und für genügen Heizleistung sorgen, gibt es bei allen Bauarten bestimmte Voraussetzungen, die erfüllt sein müssen. Besonders bei Luft-Wasser-Wärmepumpen, deren Heizkreislauf ein aussen aufgestelltes Gerät beinhaltet (Split oder Monoblock), sollte man einige zusätzliche Vorkehrungen treffen und Dinge im Auge behalten:
Wichtige Voraussetzungen: Dämmung und Dimensionierung
Zwei grosse Faktoren können die Wirksamkeit und Effizienz von Wärmepumpe nicht nur aber besonders im Winter beeinflussen: Die Qualität der Dämmung des Gebäudes, das sie beheizen soll – und die Dimensionierung und Leistung der Pumpe in Relation zur Grösse des Gebäudes.
Je besser ein Gebäude gedämmt ist, desto weniger Wärme geht verloren – und desto weniger Heizenergie muss eine Wärmepumpe produzieren. Veraltete Dämmung kann besonders in älteren Häusern ein Faktor sein, aber dennoch kann auch in Altbauten eine Wärmepumpe sinnvoll sein. Besonders da, wo es häufig kalt ist, sollte man Dach und Fassaden ordentlich dämmen - egal ob mit einer Innendämmung, einer Aussendämmung oder einer Kerndämmung wie beispielsweise Einblasdämmung.
Darüber hinaus muss eine Wärmepumpe genügend Heizleistung erbringen, um den Wärmebedarf des jeweiligen Gebäudes decken zu können. Der Wärmebedarf ist von Gebäude zu Gebäude, je nach Dämmungsgrad und auch noch von weiteren Faktoren abhängig.
Entsprechend dimesioniert muss auch die Leistung der Wärmepumpe sein. Ist diese zu gering, kann das besonders bei niedrigen Temperaturen dazu führen, dass Räume nicht ausreichend geheizt werden – oder zumindest der Strombedarf und die Lärmemissionen der Wärmepumpe ansteigen. Die richtige Dimensionierung ist also essenziell, Energieheld Schweiz berät Sie gerne professionell und kostenlos zu dem Thema.
5 Tipps zum Schutz Ihrer Wärmepumpe
Regelmässige Wartung: Gilt für alle Wärmepumpen bei egal welchem Wetter – eine Wartung durch einen Fachbetrieb sollte jährlich durchgeführt werden. So wird sichergestellt, dass das System fehlerfrei und so effizient wie technisch möglich läuft. Besonders für Luft-Wasser-Wärmepumpen mit Ausseneinheit, die in Gebieten mit häufig extrem niedrigen Temperaturen betrieben werden, ist eine regelmässige Überprüfung essenziell. Bei der Wartung gilt es, auf Folgendes achten:
Bei Luft-Luft und Luft-Wasser-Geräten müssen Filter sowie Zu- und Abluftkanäle überprüft werden. Auch der zuverlässige Ablauf von Kondenswasser muss sichergestellt werden. In Sole-Wasser-Pumpen muss die chemische Zusammensetzung der Sole überprüft und bei zu niedrigem Druck gegebenenfalls Sole nachgefüllt werden. Besonderes Augenmerk auf den Brunnen sollte bei Wasser-Wasser-Wärmepumpen liegen. Dieser kann Abnutzungs- und Wasservermutzungserscheinungen aufweisen.
Schutzdach: Extreme Witterung und starker Schneefall können Ausseneinheiten von Luft-Wasser-Wärmepumpen zusetzen und beispielsweise die Luftzufuhr beeinträchtigen. Ein Schutzdach oder zusätzliches Gehäuse, das die Technik vor Regen, Schnee und Schmutz schützt, verhindert Effinzienzeinschränkungen - und vermeidet langfristige Beschädigungen und Verschleiss.
Schnee und Eis entfernen: Ist die Ausseneinheit einer Luft-Wasser-Wärmepumpe erst einmal eingeschneit oder vereist, sollte man Schnee und Eis so schnell wie möglich wieder entfernen. Besonders Öffnungen und Ventilatoren sollten frei von Verstopfungen gehalten werden. Das Gleiche gilt auf für Verstopfungen durch Laub oder andere Fremdkörper.
Kein Salz, keine chemischen Reinigungsmittel: Wichtig bei der Reinigung und dem Entfernen von Eis und Schnee ist die Vermeidung von Salz und chemischen Reinigern. Diese können korrosiv sein und dadurch nicht nur das Gehäuse der Ausseneinheit angreifen. Durch Öffnungen können sie auch ins Innere gelangen und Teile des Systems wie den Wärmetauscher, Rohrleitungen oder den Heizstab beschädigen.
Windschutz: Um Verunreinigungen durch Laub sowie das Verstopfen der Filter durch Schmutzpartikel zu vermeiden, sollte bei Aufstellung und Verkleidung der Ausseneinheit einer Luft-Wasser-Wärmepumpe auch an den Schutz vor Wind gedacht werden. Bei starkem Wind kann die Effizienz der Wärmepumpe jedoch auch dadurch leiden, dass nicht mehr genügend Luft in den Ventilator gelangt. Passender Schutz kann die verhindern.
Fazit und Empfehlung
Wärmepumpen sind eine effiziente und nachhaltige Heizlösung und sie arbeiten auch im Winter zuverlässig. Die Wahl des richtigen Wärmepumpentyps hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie den örtlichen Gegebenheiten, dem Budget und den individuellen Heizanforderungen. Während Luft-Wasser-Wärmepumpen einfacher zu installieren und kostengünstiger in der Anschaffung sind, bieten Sole-Wasser- und Wasser-Wasser-Wärmepumpen im Winter eine höhere Effizienz und Wirtschaftlichkeit. Diese kommt aber erst bei regelmässigen, extremen Minustemperaturen zum Tragen.
Trotz einiger Herausforderungen, wie dem höheren Energiebedarf von Luft-Wasser-Wärmepumpen bei extremen Minustemperaturen, bleiben Wärmepumpen eine umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen Heizsystemen. Mit einer sorgfältigen Planung, regelmässigen Wartung und einigen Vorkehrungen bei extremen Wetterverhältnissen im Winter lässt sich eine Wärmepumpe auch bei starker Kälte effizient und wirtschaftlich betreiben.
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