Umgebungswärme und Wärmepumpen

Umgebungswärme umfasst sowohl Umweltwärme als auch oberflächennahe Geothermie. Umweltwärme schließt die in bodennahen Luftschichten („aerothermische Umweltwärme“) und in Oberflächengewässern („hydrothermische Umweltwärme“) entnommene und technisch nutzbar gemachte Wärme ein. Oberflächennahe Geothermie bezeichnet die im oberflächennahen Erdreich bis zu einer Tiefe von 400 Metern gespeicherte Wärme („geothermische Umgebungswärme“); dazu zählt auch die Wärme im Grundwasser. Beide Energiequellen sind zu kalt, um sie zum Heizen von Gebäuden unmittelbar nutzen zu können, weshalb Wärmepumpen eingesetzt werden.

Wärmepumpen und oberflächennahe Geothermie werden bislang häufig zur Versorgung einzelner privater Wohngebäude mit Raumwärme und Trinkwarmwasser eingesetzt. Zunehmend werden aber auch größere Wohneinheiten, Bürogebäude oder Industriebauten auf diese Weise versorgt. Sollen mehrere Häuser versorgt werden, kann auch ein sogenanntes kaltes Wärmenetz mit Wärmepumpen in den einzelnen Häusern eine gute Lösung sein.

Umgebungswärme mit Wärmepumpen zu nutzen ist eine Schlüsseltechnik für wirksamen Klimaschutz und einen treibhausgasneutralen Gebäudebestand. Keines der zahlreichen Szenarien kann auf sie verzichten. Es lohnt sich also ein näherer Blick auf diese Energieform und Technik.

In unserem Portal "So geht's mit Wärmepumpen!" finden Sie zahlreiche Praxisbeispiele aus ganz Deutschland, von deren Erfahrungen Sie profitieren können. Sie betreiben bereits eine Wärmepumpe? Dann teilen Sie gerne Ihre Erfahrungen und tragen Sie Ihr Projekt in das Portal ein, damit andere davon lernen können.

Eine Wärmepumpe funktioniert wie ein Kühlschrank, nur umgekehrt und mit viel höherer Leistung. Ein Kühlschrank entzieht dem innen liegenden Kühlraum Wärme und gibt sie bei höherer Temperatur über die Blechlamellen an der Rückseite an den umgebenden Raum ab. Eine Wärmepumpe entzieht einer Wärmequelle auf niedrigem Temperaturniveau Energie, die sie auf ein höheres Temperaturniveau anhebt („pumpt“) und dann zum Beispiel an das Heizsystem eines Gebäudes abgibt.

Bei Kühlschrank und Wärmepumpe wird ein Arbeitsmedium (auch Kältemittel genannt) über vier Funktionseinheiten im Kreislauf geführt (siehe Abbildung): Im Verdampfer (1) nimmt das flüssige Arbeitsmedium die erforderliche Verdampfungswärme aus der Umgebung auf und geht in den gasförmigen Zustand über. Der Verdichter (2) bringt das aufgewärmte, gasförmige Arbeitsmedium auf einen höheren Druck und erhöht damit dessen Temperatur auf ein nutzbares Niveau. In der Regel treibt ein Elektromotor den Verdichter mechanisch an. Gasmotoren und sogenannte „thermische Verdichter“, die mit Erdgas, Fern- oder Abwärme angetrieben werden, sind noch selten anzutreffen. Der Verflüssiger (3) (Kondensator) überträgt die Wärme als Nutzwärme an das Heizungswasser (Kühlschränke geben sie als Abwärme an der Rückwand in den Raum ab). Dabei gibt das gasförmige Arbeitsmedium Wärme ab und kondensiert (es wird wieder flüssig). Danach entspannt das Expansionsventil (4) das nun flüssige, aber noch unter Druck stehende Arbeitsmedium. Dadurch kühlt es sich weiter ab und strömt wieder in den Verdampfer. Der Kreislauf beginnt von Neuem.

Gängige Wärmequellen sind Umgebungsluft, Erdreich (mittels Erdsonden, Erdkollektoren oder Erdkörben) oder Grundwasser (mittels Grundwasserbrunnen), aber auch Abwärme (Abluft, Abwasser), Eisspeicher oder Erdwärmespeicher. Auch solarthermische Kollektoren können in Anlagen eingebunden werden und stellen entweder nutzbare Wärme direkt bereit oder dienen der Wärmepumpe als Wärmequelle.

Umgebungswärme eignet sich nicht nur zum Heizen, sondern auch zum Kühlen – vorausgesetzt, das Haus hat eine Fußboden- oder Flächenheizung. Besonders energiesparend und umweltfreundlich ist das mit oberflächennaher Geothermie, die auch im Sommer kühl genug ist, um das Haus zu temperieren. Hierzu wird die Wärmepumpe nicht benötigt, sondern es wird lediglich mittels der Umwälzpumpen die Wärme aus dem Haus in den Untergrund geleitet. Im Sommer kann so das Wärmereservoir regeneriert werden. Das erhöht die Energieeffizienz der Wärmepumpe und die Effektivität und ⁠Nachhaltigkeit⁠ des Systems insgesamt und spart Betriebskosten. Auch Grundwasser und Eisspeicher können ein Haus mit Fußbodenheizung im Sommer „passiv“ mit sehr geringem Energieaufwand kühl halten. Manche Luft-Wärmepumpen haben eine Kühlfunktion, müssen dafür aber wie im Heizbetrieb „aktiv“ gegen die Außentemperatur anarbeiten und brauchen daher mehr Energie.

Wärmepumpe

Schematische Darstellung des Kreisprozesses einer Elektro-Wärmepumpe

Quelle: Andreas Bertram / UBA

Zwei Kennwerte beschreiben die Energieeffizienz von Wärmepumpen:

• Die Leistungszahl (englisch: Coefficient of Performance COP) gibt das Verhältnis der abgegebenen Nutzwärmeleistung bezogen auf die eingesetzte elektrische Leistung (beide in Kilowatt - kW) für den Antrieb der Wärmepumpe an. Sie wird auf Prüfständen gemessen und gilt stets nur für einen einzelnen Betriebspunkt aus Wärmequellentemperatur und Heizungsvorlauftemperatur.
• Die Jahresarbeitszahl gibt das Verhältnis der im Laufe eines Jahres abgegebenen Wärmemenge bezogen auf die eingesetzte elektrische Energie (beide in Kilowattstunden – kWh) für den Antrieb der Wärmepumpe einschließlich Verdichter und Hilfsantriebe an. Sie wird nach VDI 4650 oder DIN EN 14825 (englisch: Seasonal Coefficient of Performance - SCOP) aus Leistungszahlen berechnet oder im Betrieb gemessen; Rechenwerte sind in der Regel höher als unter realen Bedingungen gemessene Werte. Beispiel: Eine Elektro-Wärmepumpe mit Jahresarbeitszahl 3 erzeugt aus 1 Kilowattstunde (kWh) Strom und 2 kWh Umgebungswärme zusammen 3 kWh Heizwärme. Die Jahresheizzahl ist das Äquivalent für mit Brennstoff oder Wärme angetriebene Wärmepumpen.

Je höher die Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpe ist, desto energieeffizienter, umweltfreundlicher und kostengünstiger arbeitet sie – und umgekehrt. Die Leistungszahl ist für solche Aussagen nicht geeignet, weil sie sich nur auf einen einzelnen Betriebszustand bezieht, der für das gesamte Jahr mit seinen Schwankungen der Außentemperatur und des Wärmebedarfs nicht aussagekräftig ist.

Eine Wärmepumpenanlage erreicht hohe Jahresarbeitszahlen, wenn:

• das Wärmepumpenaggregat hohe Leistungszahlen erreicht und seine Wärmeleistung gleitend an die momentane Wärmenachfrage anpasst („modulierender Betrieb“),
• die Wärmequelle ergiebig ist und gleichbleibend eine möglichst hohe Temperatur liefert (Abwärme und geothermische Umgebungswärme sind besser geeignet als Umgebungsluft),
• das Heizungssystem mit niedriger Vorlauf-Temperatur auskommt (großzügig ausgelegten Fußbodenheizungen in gut gedämmten Häusern genügen geringere Temperaturen als 35 °C, während Heizkörper nur mit gewissem Aufwand mit Temperaturen unter 55 °C auskommen),
• alle Bauteile der Wärmepumpenanlage optimal dimensioniert und aufeinander abgestimmt sind und fachgerecht eingebaut werden.

Feldtests aus den vergangenen Jahrzehnten haben gezeigt, dass die Jahresarbeitszahlen von Elektro-Wärmepumpen stark schwanken. So gibt es einige Anlagen, die eine besonders hohe Energieeffizienz erreichen, während andere mit geringerer Energieeffizienz arbeiten. Die Unterschiede rühren auch von dem Umstand, in welchen Gebäuden Wärmepumpen installiert sind: in Neubauten mit überwiegend Fußbodenheizung oder in Altbauten mit überwiegend Heizkörperheizung. Auch die Wärmequelle zeichnet sich ab: das Erdreich ist eine ergiebigere Wärmequelle als die Umgebungsluft. In den Feldtests der vergangenen Jahre schafften Luft-Wärmepumpen in Neubauten mittlere Jahresarbeitszahlen von 2,6 bis 3,3 und in Altbauten 2,4 bis 3,1. Dennoch liegen in beiden Fällen die besten Einzelwerte sehr hoch bei über 4,0. Erd-Wärmepumpen schneiden besser ab, mit mittleren Jahresarbeitszahlen in Neubauten von 3,2 bis 4,3 (Bestwerte bis 5,4) und in Altbauten von 3,0 bis 3,7 (Bestwerte bis 4,8). Die Arbeitszahlen von Grundwasser-Wärmepumpen fallen durch den hohen Energieaufwand für die Grundwasserpumpe etwas niedriger aus, als die gut geeignete Wärmequelle erwarten lässt, und sind etwa mit Erd-Wärmepumpen vergleichbar. Die großen Bandbreiten und insbesondere die Ausreißer nach unten zeigen, dass viele Wärmepumpenanlagen im Betrieb ein großes Optimierungspotenzial haben und dann auch sehr gute Jahresarbeitszahlen über 4,0 erreichen können. Wärmepumpen können auch in Altbauten energieeffizient arbeiten, wie die neueren Feldtests gezeigt haben. Denn Heizkörper sind oft groß ausgelegt. Deshalb können sie mit niedrigerer Vorlauftemperatur, wie Wärmepumpen sie brauchen, genug heizen können. Diesen Effekt unterstützt der Umstand, dass viele Häuser inzwischen teilsaniert sind, zum Beispiel erneuerte Fenster haben. Später folgende Sanierungen steigern dann die Jahresarbeitszahl weiter. Über Wärmepumpen, die mit Brennstoff betrieben werden oder andere Wärmequellen nutzen, liegen nur wenige aussagekräftige Erkenntnisse vor.

Die Jahresarbeitszahlen der Feldtests decken sich vergleichsweise gut mit aktuellen Produktkennwerten für die Energieverbrauchskennzeichnung von Wärmepumpen, und das obwohl Messbedingungen und Alter der Geräte abweichen. Vor allem bei Erd-Wärmepumpen ist die Übereinstimmung gut, die Produktkennwerte von Luft-Wärmepumpen liegen etwas über den Feldtests. Grundwasser-Wärmepumpen werden deutlich überbewertet.

Jahresarbeitszahlen von Elektro-Wärmepumpen in Feldtests

Quelle: Jens Schuberth / UBA

Wie sehr der Betrieb von Wärmepumpen die Umwelt entlastet oder belastet, hängt zunächst davon ab, wie viel Strom bzw. Brennstoff eine Wärmepumpe benötigt. Dies ergibt sich über die Jahresarbeitszahl. Die eigentliche Umweltbelastung verursachen dann Erzeugung und Bereitstellung des Stromes bzw. das Verbrennen des Brennstoffes.

Wie für andere elektrisch betriebene Geräte und Anlagen auch, ist es für elektrische Wärmepumpen angemessen, für die Bewertung den Strommix zugrunde zu legen. Zwar stammen rund 45 Prozent des Stroms aus erneuerbaren Energien, mit steigender Tendenz. Durch den immer noch vorhandenen Anteil von Stein- und Braunkohle verursacht Strom nach wie vor CO₂-Emissionen. Hinzu kommen weitere Umweltwirkungen wie der Verbrauch nicht-erneuerbarer Energie-Ressourcen, Emissionen von Stick- und Schwefeloxiden, Staub und anderen Schadstoffen (z.B. Quecksilber) sowie Flächeninanspruchnahme.

Damit eine Wärmepumpe zum Beispiel 100 kWh Heizwärme erzeugt, braucht sie 67 kWh Umgebungswärme und 33 kWh Strom bei einer Jahresarbeitszahl von 3,0. Für den benötigten Antriebsstrom müssen 76 kWh Primärenergie eingesetzt werden, davon 51 kWh nicht-erneuerbar und 26 kWh aus erneuerbaren Energien. Bei einer Jahresarbeitszahl 4,0 sind es nur noch 58 kWh Primärenergie.

Energieflussdiagramm von Elektro-Wärmepumpen

Quelle: Jens Schuberth / UBA

Wie hoch sollte also die Jahresarbeitszahl ungefähr sein, damit eine Elektro-Wärmepumpe im Betrieb vorteilhaft ist? Das hängt von verschiedenen Einflussgrößen ab:

• Um den Einsatz fossiler Energieträger und die Verluste bei der Stromerzeugung auszugleichen, genügt, dank des gestiegenen Anteils der erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung, eine recht geringe Jahresarbeitszahl von mindestens 1,6; berechnet aus dem Verhältnis der Primärenergiefaktoren des Gebäudeenergiegesetzes von Strom (1,8) und Erdgas/Heizöl (1,1) und mit dem Nutzungsgrad eines Gaskessels (95 Prozent).
• Um die CO₂-Emissionen der Stromerzeugung auszugleichen, ist mindestens eine Jahresarbeitszahl von 1,8 nötig; berechnet aus dem Verhältnis der CO₂-Emissionsfaktoren für Strom (380 g/kWh für 2023) und für Erdgas (200 g/kWh) und mit dem Nutzungsgrad eines Gaskessels (95 Prozent).
• Damit eine Elektro-Wärmepumpe die gegenüber einem Gaskessel höheren Investitionskosten durch geringere Betriebskosten wieder einspielen kann, muss die Jahresarbeitszahl über 2,5 liegen; berechnet aus dem Verhältnis der Energiepreise für Wärmepumpen-Strom (etwa 25-27 Cent pro kWh) und für Erdgas (etwa 10 Cent pro kWh) und mit dem Nutzungsgrad eines Gaskessels (95 Prozent). Gegenüber einem Heizölkessel müsste die Jahresarbeitszahl 2,1 übertreffen; berechnet mit Heizölpreis (etwa 12 Cent pro kWh) und 90 Prozent Nutzungsgrad.

Oberhalb dieser Mindestwerte trägt eine Wärmepumpe zum sparsamen Einsatz fossiler Energieträger, ⁠Klimaschutz und Einsparen von Heizkosten⁠ bei. Der Vergleich mit den Feldtests zeigt, dass Wärmepumpen die ersten beiden Schwellen deutlich übertreffen und daher die Umwelt stark entlasten. Lediglich die Mindest-Jahresarbeitszahlen für einen wirtschaftlichen Betrieb liegen noch etwas höher; zudem unterliegen sie den starken Schwankungen der Energiepreise. Mittelfristig wird die CO₂-Bepreisung im nationalen Emissionshandel Wärmepumpen wirtschaftlich attraktiver machen, indem Heizöl und Erdgas teurer und Strom günstiger werden. In allen Fällen ist eine unabhängige und professionelle Wirtschaftlichkeitsrechnung über die Lebensdauer der Heizungsanlage und über die Nutzung von Fördermitteln zu empfehlen.

Kombiniert man eine Wärmepumpe mit einer Photovoltaikanlage, um den erzeugten Strom teilweise selbst zu nutzen, kann das die CO₂-Emissionen gegenüber dem Strommix weiter absenken. Allerdings erzeugt eine Photovoltaikanlage den meisten Strom im Sommer, während eine Wärmepumpe den meisten Strom im Winter braucht. Die Photovoltaikanlage kann daher nur einen Teil des Strombedarfs einer Wärmepumpe abdecken.

Im Jahr 2020 stellten etwa 1,3 Millionen Wärmepumpen in Deutschland insgesamt rund 23,4 Terawattstunden Heizwärme bereit. Nach Abzug der benötigten Hilfsenergie entspricht dies einer erneuerbaren Wärmemenge von rund 16 TWh, womit diese im Jahr 2020 1,4 Prozent des gesamten Endenergieverbrauchs Wärme in Deutschland decken konnte. Nach Abzug der Emissionen, die der Betrieb von Wärmepumpen verursachte, wurden rund 2 Millionen Tonnen Treibhausgase vermieden. In diesem Umfang trägt der Einsatz von Wärmepumpen derzeit zum Klimaschutz bei. Zur Minderung der Emissionen von Schwefeldioxid und Kohlenmonoxid leisten Wärmepumpen derzeit netto keinen Beitrag.

Weitere Treibhausgasemissionen entstehen, wenn das Kältemittel, das Wärmepumpen enthalten, bei der Herstellung, beim Betrieb oder bei der Entsorgung der Wärmepumpe entweicht. Bei den treibhausgaswirksamen Kältemitteln in Wärmepumpen handelt es sich um teilfluorierte Kohlenwasserstoffe, deren Treibhausgaspotenzial das von Kohlendioxid um das bis zu 4.000-fache übersteigt. Daher ist es geboten, durch sorgsamen Umgang mit diesen Kältemitteln die Freisetzung in die ⁠Atmosphäre⁠ möglichst gering zu halten. Besser ist es, klimafreundliche Alternativen zu verwenden, z.B. Propan (R290), das heute beispielweise Standard in Tiefkühlschränken ist. Wärmepumpen mit dem Kältemittel R290 werden inzwischen von verschiedenen Herstellern angeboten. R290 verfügt über günstige thermodynamische Eigenschaften und ermöglicht so hohe Wirkungsgrade.

Nicht nur die Treibhausgasemissionen von Wärmepumpen wirken auf die Umwelt: Gerade wenn die Außenluft im Winter wenig Energie enthält und gleichzeitig der Wärmebedarf der Häuser steigt, erhöhen Luft-Wärmepumpen den Luftdurchsatz. Ebenso verursacht der Verdichter einer außen aufgestellten Luft-Wärmepumpe Schallemissionen, deren tieffrequenter Anteil als besonders störend empfunden werden kann. Damit verursachen sie Lärm, der auch Nachbarn belästigt. Betreiber von Wärmepumpen sollten solchen Lärm vermeiden, um streitträchtigen Konflikten vorzubeugen. Als Hilfsmittel für die Planung gibt es zum Beispiel Leitfaden (Kurzfassung; Langfassung) und App der Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft für Immissionsschutz und den Schallrechner des Bundesverbandes Wärmepumpe.

Die Umweltwirkung oberflächennaher Geothermie auf das Grundwasser ruft keine dauerhafte Beeinträchtigung der Grundwasserqualität hervor, wenn die einschlägigen technischen Regeln eingehalten werden. Passives Kühlen eines Gebäudes kann zudem dazu beitragen, über das Jahr gesehen das Temperaturniveau im Erdreich auszugleichen. Im Hinblick auf etwaige negative Auswirkungen durch Temperaturänderungen auf den Zustand des Grundwassers wurden im Rahmen eines Forschungsvorhabens für das Umweltbundesamt erste Empfehlungen für eine umweltverträgliche Nutzung entwickelt. 

Verbraucherhinweise für Planung, Kauf und Wartung einer Wärmepumpe finden Sie im UBA-Verbraucherportal.

Das Gebäudeenergiegesetz (GEG) verpflichtet Eigentümerinnen und Eigentümer von neu errichteten Gebäuden, ihre Wärmeversorgung anteilig mit erneuerbaren Energien zu decken. Diese Pflicht kann mit Wärmepumpen erfüllt werden, wenn ihre berechnete Jahresarbeitszahl bei Luft-Wärmepumpen 3,3 und bei anderen Wärmepumpen 3,8 übersteigt (inkl. Warmwasserbereitung).

Seit September 2015 müssen neue Heizgeräte, zu denen auch Wärmepumpen zählen, eine Energieverbrauchskennzeichnung tragen und Ökodesign-Anforderungen an die Energieeffizienz erfüllen. Das gibt eine Reihe von EU-Verordnungen vor. Nach effizienten und leisen Wärmepumpen können Sie in der EU-Energielabel-Datenbank suchen.

Wärmepumpenanlagen, die geothermische Umgebungswärme über Bohrungen erschließen, müssen bei der unteren Wasserbehörde angezeigt oder genehmigt werden, Bohrungen mit einer Tiefe von über 100 Metern können zusätzliche Genehmigungen erfordern. Die Regelungen und Genehmigungsverfahren für Erdwärmesysteme sind bundeslandspezifisch. Auskunft über die geltenden Vorschriften geben Leitfäden. In den oberen Untergrund eingebundene Systeme wie Erdwärmekollektoren, Energiepfähle und erdberührende Betonbauteile bedürfen in der Regel keiner zusätzlichen Genehmigung.

Die Verordnung (EU) Nr. 2024/573 regelt den Einsatz von fluorierten Kältemitteln. So wird seit 2015 die verfügbare Menge der als Kältemittel verwendeten teilfluorierten Kohlenwasserstoffe in der EU schrittweise reduziert. Zudem sind Betreiber von Wärmepumpen, die eine bestimmte Menge fluorierter Treibhausgase enthalten, dazu verpflichtet, diese regelmäßig auf Dichtheit kontrollieren zu lassen und darüber Aufzeichnungen zu führen.

Wärmepumpen sind in der Anschaffung teurer als konventionelle Heizungen. Für energieeffiziente Wärmepumpen gewährt die Bundesregierung Investitionszuschüsse in der Bundesförderung effiziente Gebäude, wenn sie eine Mindest-Jahresarbeitszahl (laut Planung) erreichen.

Beachten Sie unsere Hinweise zur Vermeidung von Lärm durch Luft-Wärmepumpen.

Wärmepumpen haben sich fest im Heizungsmarkt etabliert, hauptsächlich elektrisch angetriebene. Verbesserungsbedarf besteht vor allem bei der Qualitätssicherung bei Installation und Inbetriebnahme, um Wärmepumpen energieeffizient zu betreiben. Die CO₂-Emissionen der Stromversorgung werden weiter sinken und die ⁠Klima⁠- und Umweltbilanz der Elektro-Wärmepumpen verbessern. Die Kombination einer Wärmepumpe mit einer eigenen Photovoltaikanlage zur Selbstversorgung kann die CO₂-Emissionen gegenüber dem Strommix senken. Mit der Verteuerung fossiler Brennstoffe werden Wärmepumpen immer wirtschaftlicher. Unabhängig von der Wahl des Heizsystems sollte die erste Priorität darin liegen, den Wärmebedarf eines Hauses zu senken.

Umgebungswärme und Wärmepumpen sind unverzichtbarer Bestandteil der Konzepte, um die langfristigen energie- und klimapolitischen Ziele umzusetzen: Ein (nahezu) „klimaneutraler Gebäudebestand“ und noch viel mehr ein „Treibhausgasneutrales Deutschland“ können nur mit einer sehr großen Anzahl an energieeffizienten Wärmepumpen in möglichst gut gedämmten Häusern erreicht werden.

Der Einsatz von Wärmepumpen lässt sich vielfältiger gestalten. Es gibt Wärmequellen mit höherer Temperatur, die besser geeignet sind als Außenluft, z.B. Grundwasser und Erdwärme. Wärmepumpen können auch Abwärme (zum Beispiel aus dem Abwasser oder der Abluft) mit hoher Effizienz wieder nutzbar machen. Innovative Konzepte wie Eis- oder Erdwärmespeicher sind vielversprechende Konzepte. Auch für Nahwärmekonzepte kommen Wärmepumpen in Frage: entweder als „kalte Nahwärme“, wo mehrere Wärmepumpen in den einzelnen Häusern installiert sind und sich ein gemeinsames Erdsondenfeld teilen, oder als „klassische“ Nahwärme mit einer zentralen Groß-Wärmepumpe.