Erdwärmepumpe gegen Luftwärmepumpe – Erklärung und Vergleich

Wärmepumpen liegen als Heizsystem im Trend. Ob es nun eine Wärmepumpe mit Erdbohrungen oder eine Wärmepumpe mit Luft als Wärmequelle sein soll, hängt viel mit Ihrer Persönlichkeit zusammen.

Welches das richtige Heizsystem für das eigene Haus ist, ist eine gerne diskutierte Frage. Wer nicht mit Gas oder womöglich Öl heizen möchte, kommt schnell auf effiziente Wärmepumpen. Ob es aber eine Erdwärmepumpe oder eine Luftwärmepumpe sein soll, ist eine Entscheidung, in der viele persönliche Empfindungen und der Geldbeutel mitentscheiden. Die Wasser-Wasser-Wärmepumpe wird in diesem Artikel zwar an den passenden Stellen mit erklärt, fließt aber nicht direkt in unseren Vergleich ein. Dafür ist die Verbreitung zu gering. Aber welche Faktoren sprechen nun für oder gegen die Kontrahenten?

Wärmepumpen Übersicht
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Funktion einer Wärmepumpen

Um Wärmepumpen vergleichen zu können, ist es hilfreich die Funktionsweise zu verstehen. Die Grundfunktion ist klar: Wärme erzeugen! Aber wie funktioniert das?

Das Grundprinzip von Erdwärmepumpen und Luft-Wasser-Wärmepumpen ist gleich. Beide entziehen ihrer Wärmequelle Restwärme und verwenden diese zum Erwärmen von Wasser für das Heizsystem oder das Brauchwasser. Funktionieren tut dieses auf dem lange erprobten Konzept des Kühlschranks – nur umgekehrt. Aber auch Klimaanlagen funktionieren nach diesem Prinzip und laufen seit vielen Jahren überall auf der Welt und unter verschiedensten Umweltbedingungen. Man kann also durchaus von einer ausgereiften Technik sprechen.

Funktionsprinzip einer Wärmepumpe
Funktionsprinzip einer Wärmepumpe - Zum Vergrößern anklicken

Erklärung:

Achtung, jetzt wird es ein wenig technisch. Wer sich nicht für die Technik interessiert, kann diesen Bereich beruhigt überspringen!

Ein strombetriebener Kompressor verdichtet ein gasförmiges Kältemittel, das einen sehr geringen Siedepunkt hat  - der Siedepunkt liegt in der Regel bei normalem Druck deutlich im Minusbereich. Durch das Verdichten/Komprimieren des Gases entsteht Wärme.

Die Erwärmung durch Kompression geschieht auf Grundlage der thermischen Zustandsgleichung. Zum einfachen Verständnis: Wenn man Gasen Wärme zuführt, dehnen sich diese aus (thermische Expansion). Also geben Gase Wärme ab, wenn man Sie stark zusammenpresst.

Die entstandene Wärme wird an den Wärmekreislauf des Hauses über einen Verflüssiger abgegeben. Das unter Druck stehende Gas wird durch die Abgabe der Wärme flüssig, da die Temperatur unter den Siedepunkt des komprimierten Gases sinkt.

Der Siedepunkt eines Stoffes, der Übergangspunkt von gasförmigen zum flüssigen Zustand,  steht im direkten Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur. Wenn das Kältemittel-Gas verdichtet wird, steigt der Siedepunkt des Gases deutlich an (zum Beispiel auf 47° Celsius).

Dem verflüssigten Kältemittel wird über ein  Expansionsventil der Druck genommen. Hierdurch kühlt das Kältemittel schlagartig ab (siehe Thermodynamik oben) und wird in einen Verdampfer geleitet.

Hier kommt nun die natürliche Energiequelle (Wasser, Luft, Erdwärme) ins Spiel. Die Temperatur der in den Verdampfer geleiteten Kältemittel-Flüssigkeit liegt unterhalb der Temperatur der natürlichen Energiequelle und wird über die zugeführte Temperatur der Energiequelle aufgewärmt (Wärmetauscher). Das Kältemittel wird durch die Erwärmung wieder gasförmig – wir erinnern uns: Das Gas hat unter normalem Druck einen Siedepunkt im Minusbereich, womit das Prinzip auch bei sehr kalten Außentemperaturen funktioniert.

Nun strömt das entstandene Gas in den Kompressor, wird komprimiert und der Prozess beginnt von vorne.

Die Effizienzangaben von Wärmepumpen – COP

Die Effizienz einer Wärmepumpe wird als „Coefficient of Performance“ COP angegeben. Der COP stellt das Verhältnis von eingebrachter Primärenergie – bei den meisten Wärmepumpen ist das der Strom für die Kompressoren und Pumpen - zu der nutzbaren Wärmeenergie dar.

Die Leistungszahl einer Wärmepumpe wird in COP angegeben. Der im Jahresdurchschnitt erzielte COP wird als JAZ – Jahresarbeitszahl angegeben.
Ein COP von 4,5 bedeutet, dass aus 1 KW Strom 4,5 KW Wärme erzeugt werden können.

Die Angabe der Leistungszahl – hier der COP – allein ist nicht ausreichend, um eine vergleichende Aussage zu treffen. Aus diesem Grund steht die COP Angabe in Abhängigkeit zu den Umgebungsbedingungen. Bei Wärmepumpen sind dies die Temperatur der natürlichen Wärmequelle (Luft, Wasser, Erde) und die zu erzielende Heiztemperatur.

Eine typische Schreibweise für die Effizienzangabe bei einer Luftwärmepumpe wär folgende:

A7/W35 -> COP 4,5
Hierbei steht das A7 für „Außentemperatur 7°“ und das W35 für „Wassertemperatur für die Heizung 35°C (Vorlauftemperatur)“

Bei Erdwärmepumpen wäre eine solche Angabe:

B0/W35 -> COP 4,8
B0 steht für die Temperatur des Bodens, der als natürliche Wärmequelle dient.
Also „Boden 0°C“.

Bei Wasser-Wasser Wärmepumpen:

W10/W35 -> COP 5,5
Das W10steht für die Wassertemperatur der natürlichen Wärmequelle. Also „Wasser 10°C“

 

Wärmequellen für Wärmepumpen

Erdwärmepumpen verwenden als Wärmequelle die im Boden gespeicherte Wärme.
Luftwärmepumpen verwenden die Umgebungsluft.
Die Grundwasser-Wärmepumpe bezieht ihre natürliche Energie aus dem Grundwasser, dessen Temperatur, ähnlich wie Erdwärme, im Jahresmittel wenig schwankt.

In der Wärmequelle liegt nun auch der entscheidende Unterschied, aus dem sich verschiedene Vorteile aber auch Nachteile ergeben.

Erdwärmepumpe

Für die Sole-Wasser-Wärmepumpe (Erdwärmepumpe) gibt es zwei unterschiedliche Verfahren zur Erwärmung der Soleflüssigkeit, die für die Wärmegewinnung notwendig ist.

Tiefenbohrung

Variante eins ist die Tiefenbohrung. Bei einer Tiefenbohrungen werden bis zu 100 Meter tiefe Bohrungen in das Erdreich gemacht. In die Borhlöcher werden Ersonden eingebracht durch die eine Soleflüssigkeit fließt. Die Flüssigkeit in den Erdsonden, die so genannte Sole, wird über die natürlich vorhandene Erdwärme erwärmt und zurück in die Wärmepumpe – konkret in den Verdampfer - geleitet. Die Temperatur im Boden ist im Jahresmittel ab einer bestimmten Tiefe nahezu konstant. In 100 Metern sind es in Deutschland etwa 15° Celsius. Im Schnitt werden 100-150 Meter Bohrtiefe für moderne Einfamilienhäuser benötigt. Eine solche Bohrung kostet zum Beispiel im Raum Berlin/Brandenburg im Durchschnitt 6.500,- Euro zzgl. MwSt. Ist der Untergrund komplizierter, zum Beispiel bei Granithaltigen Untergründen, können sich die Kosten für die Bohrung schnell verdoppeln.

Erdkollektoren

Die zweite Variante sind Erdwärmekollektoren. Hierzu werden Leitungen in unterschiedlichen Ausführungsvarianten (zum Beispiel als Körbe oder Flächenkollektor) in 1,5-3 Metern Tiefe eingesetzt, die aus der oberflächennahen Erdwärme ihre Energie beziehen. Diese Variante empfiehlt sich gerade bei kritischen Untergünden - zum Beispiel in Schutzwassergebieten oder Regionen mit Felshaltigen Untergründen und somit sehr hohen Bohrkosten. Die Kosten für Erdkollektoren variieren stark je nach Ausführung. Die vermutlich günstigste Variante ist die Flächenverlegung. Allerdings benötigt ein Flächenkollektor auch die größte Fläche vom Garten. Alternativ sind Graben- oder Erdwärmekorbe einsetzbar, die Kostenseitig - mit allen Nebenkosten - auf dem Niveau einer Tiefenbohrung liegen und eine deutlich geringere Fläche benötigen.

Sole-Wasser-Wärmepumpen beziehen ihre Wärmeenergie durch Tiefensonden aus dem Erdreich

Wasserwärmepumpe

Die Wasser-Wasser-Wärmepumpe verwendet als Energiequelle das natürlich vorhandene Grundwasser. Hierzu werden Brunnenbohrungen durchgeführt, über die der Wärmeaustausch stattfindet. Aufgrund der Tatsache, dass das Grundwasser eine Temperatur von 8°C im Jahresmittel hat, ist hier eine effektive Nutzung möglich.

Wasser-Wasser-Wärmepumpen beziehen ihre Wärmeenergie durch Brunnen aus dem Grundwasser

Luftwärmepumpe

Bei der Luft-Variante wird über große Ventilatoren die Temperatur einer Flüssigkeit an die Außenluft angepasst. Da die Flüssigkeit mit geringerer Temperatur aus der Wärmepumpe kommt, also die Außentemperatur ist, wird Wärme aufgenommen. Auch hier wird die so erwärmte Flüssigkeit wieder in die Wärmepumpe geleitet. Dieses Verfahren ist mit einem Autokühler zu vergleichen. Nur, das nicht gekühlt, sondern die in der Wärmepumpe stark heruntergekühlte Flüssigkeit erwärmt wird.

Luft-Wasser-Wärmepumpen beziehen ihre Wärmeenergie aus der Umgebungsluft

Vorteile und Nachteile

Stromverbrauch und Wirkungsgrad

In den Wärmequellen liegt der große Unterschied. Während die Erdwärme im Jahresmittel nur geringe Temperaturunterschiede aufweist, ist die Umgebungsluft im Jahresverlauf stark unterschiedlich. Somit kann eine Erdwärmepumpe effizienter arbeiten, da auch im Winter überwiegend Plusgrade im Boden herrschen. Die Effizienz ergibt sich aus der Tatsache, dass der Kompressor der Wärmepumpe das Kältemittel nicht so stark komprimieren muss, wenn die Temperatur höher ist. Somit muss weniger Strom für den Kompressor verwendet werden. Allerdings muss auch berücksichtigt werden, dass ein Ventilator für eine Luft-Wärmepumpe  weniger Strom braucht, als eine Pumpe, die Flüssigkeiten über viele Tiefenmeter pumpen muss. Somit relativiert sich das Verhältnis ein wenig. Die Erdwärmepumpe hat aber dennoch einen höheren Wirkungsgrad als eine Luftwärmepumpe.

Die Wasserwärmepumpe liegt im Bereich der Effizienz, wie in den meisten Kategorien unseres Vergleichs, im Mittelfeld. Da auch Grundwasser eine annähernd konstante Temperatur im Plusbereich hat, kann auch eine Wasserwärmepumpe effektiv ihren Dienst verrichten. Allerdings relativiert auch hier die Pumpleistung für den Brunnen den Wirkungsgrad.

Der Wirkungsgrad der Erdwärmepumpe ist am höchsten. Direkt gefolgt von der Wasser-Wasser Wärmepumpe. Dies liegt an den konstanten Plusgraden der Wärmequelle. Etwas abgeschlagen liegt die Luft-Wasser-Wärmepumpe

Kosten für die Erschließung der Wärmequelle

In der Kategorie „Erschließungskosten“ kann die Luft-Wasser-Wärmepumpe ihren großen Vorteil ausspielen. Da keine Erdbohrungen oder Brunnen notwendig sind, verbleibt nur das Aufstellen des Außengerätes als Kostenfaktor. Dieser ist aber vergleichsweise gering. Ein Sockel an der Hauswand oder ein kleines, separates Betonfundament genügt.

Hier liegt der wohl deutlichste Nachteil der Sole-Wasser-Wärmepumpe. Um an die Erdwärme zu gelangen, sind Tiefenbohrungen notwendig. Dieses ist schon bei normalen Bodenverhältnissen ein teures Unterfangen beginnt preislich kaum unter  7.500,- Euro. Wohlgemerkt nur die Bohrung. Sobald die Bodenverhältnisse komplizierter werden, wenn beispielsweise Granitschichten im Boden sind, kann der Preis auch gerne doppelt bis dreimal so teuer werden.

Preislich in der Mitte der beiden Varianten liegt die Wasser-Wasser-Wärmepumpe. Die hierfür benötigten Brunnenbohrungen sind zwar nicht günstig, liegen aber immer noch deutlich unter der Tiefenbohrung. Allerdings muss eine nutzbare Grundwasserader unter dem Grundstück verfügbar sein und das zuständige Umweltamt/Wasserbehörde muss der Nutzung zustimmen.

Die Erschließungskosten für die Luftwärmepumpe sind mit Abstand am geringsten. Da bei der Erdwärmepumpe aufwendige Bohrungen notwendig sind, entstehen hier deutliche Kosten.

Geräuschentwicklung

Das Thema Geräuschentwicklung ist das Totschlag-Argument gegen eine Luftwärmepumpe. Da in dem Außengerät ein oder zwei große Ventilatoren für den Wärmeaustausch zuständig sind, entstehen auch entsprechende Geräusche. Gerade bei sehr niedrigen Außentemperaturen müssen die Ventilatoren schon mit ordentlichen Umdrehungszahlen laufen. Es ist zwar eine erträgliche Lautstärke, einige Menschen stört es aber doch. Wenn allerdings auf dem Grundstück eine Ecke am Haus vorhanden ist, an der kein Nachbar oder man selber gestört wird,  ist diese Geräuschentwicklung gar kein Problem. Zumal man in der Hauptnutzungszeit der Wärmepumpe, im Winter, eh nicht sehr viel Zeit im Freien verbringt. Im Haus hört man die Geräusche sowieso nicht.

Hier gehen die Punkte also deutlich an die Erdwärmepumpe und die Wasserwärmepumpe. Hier entstehen im Außenbereich gar keine Geräusche.

Preisvergleich der laufenden Kosten

Um die verschiedenen Arten einer Wärmepumpe ins Verhältnis zu setzen, haben wir eine kleine Gegenüberstellung der Gesamtkosten erstellt. Als Grundlage nehmen wir ein Haus heute typisches KfW70 Haus mit 140qm Wohnfläche und einem Heizwärmebedarf von 40 kWh/(m²·a). Außerdem wohnen 4 Personen im Haushalt, die warmes Wasser verbrauchen.

Hieraus ergibt sich ein Heizwärmebedarf von

Heizen:  140qm * 40 KW/h = 5.600 KW/h
Brauchwassererwärmung: 4 Personen * 2 KW/h * 365 Tage = 2920 KW/h
Summe Energiebedarf: 8.520 KW/h

Um den Vergleich möglichst gerecht zu machen, gehen wir von Anschaffungs-  und Installationskosten der Wärmepumpe (ohne Erschließung der Wärmequelle) von 12.000,- Euro aus. Da diese Anschaffungs- und die Erschießungskosten bei den meisten Bauherren über die Bank finanziert werden, rechnen wir auch die Finanzierungskosten für 30 Jahre mit einem Zinssatz von 3,00% und einer Tilgung von 2,06% ein.

Achtung:
Aktuell (2017) werden Erdwärmepumpen im Neubau reichlich gefördert. Die Bafa gibt für eine Erdwärmepumpe mit Tiefenbohrung mindestens 4.500,- Euro Förderung dazu.

Nun zur Preisvergleich:

Erdwärmepumpe

  • Die Erdbohrung kostet exemplarisch 8.500,- Euro
  • Als Jahresarbeitszahl –JAZ- (der COP im Jahresmittel) nehmen wir 4,7 an
  • Kosten der Finanzierung
    12.000 Wärmepumpe + 8.500 Bohrung - 4.500 Förderung = 16.000 x 5,06 Zins und Tilgung = 809,60 Euro p.a.
  • Primärenergiebedarf
    8.520 / 4,7 = 1.812 KW/h Primärenergiebedarf
  • Kosten für die Primärenergie
    1.812 x 0,20 Euro je KW/h Strom = 362,55 Euro
  • Summe der Kosten
    809,60 + 362,55 = 1.172,15 Euro pro Jahr

Luftwärmepumpe

  • Die Aufstellung des Außengerätes kostet exemplarisch 1.500,- Euro
  • Als JAZ nehmen wir 3,4 an
  • Kosten der Finanzierung
    12.000 + 1.500 = 13.500 x 5,06 Zins und Tilgung = 683,10 Euro p.a.
  • Primärenergiebedarf
    8.520 / 3,8 = 2.242 KW/h Primärenergiebedarf
  • Kosten für die Primärenergie
    2.662 x 0,20 Euro je KW/h Strom = 448,42 Euro
  • Summe der Kosten
    683,10 + 448,42 = 1.131,52 Euro pro Jahr

Die Kosten einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe sollten zwischen den beiden oben genannten Varianten stehen und werden nicht näher betrachtet.

Es ergibt sich bei der reinen Kostenbetrachtung ein klares Plus für die Luft-Wasser-Wärmepumpe von 313,20 pro Jahr. Es handelt sich hier zwar nur um eine beispielhafte Berechnung, aber auch in realen Direktvergleich ergeben sich ähnliche Werte.

Quelle der JAZ Angaben: http://www.erdwaerme-zeitung.de/effizienz-von-waermepumpen-die-durchschnittliche-jahresarbeitszahl-ist-gestiegen/

 

Übersicht der Vor- und Nachteile

  Luftwärmepumpe

  Erdwärmepumpe

+ Geringe Installationskosten

+ Hohe Effizienz

+ Einfache Wartung

+ Geringe Geräuschentwicklung

+ Keine Abhängigkeit zur Bodenbeschaffenheit

+ Keine Abhängigkeit zur Nähe des Nachbarn

+ Gutes Preis-Leistungsverhältnis

+ Für kleine Grundstücke geeignet

+ Ausgereifte und langbewährte Technik

+ Dauerhaft geringe Heizkosten

- Höhere Geräuschentwicklung im Außenbereich

- Hohe Kosten für die Erdbohrung

- Geringere Effizienz als Erdwärmepumpe

- Wartung der Erdsonden kaum möglich

- Aufstellort des Außengerätes abhängig vom Nachbarn

- Abhängig von der Bodenbeschaffenheit

 

Persönliches Fazit

Werde ich persönlich gefragt, welches System ich bevorzuge, tendiere ich oft zur Luft-Wasser-Wärmepumpe. Solange jedoch hohe Förderungen für Erdwämesysteme gezahlt werden, lohnt sich ein direkter Vergleich in jedem Fall. Auf Dauer würde die Erdwärmeheizung auf jeden Fall gewinnen, sofern die Rahmenbedingungen stimmen.  

Meine Entscheidung zur Luft-Variante lag in erster Linie an den geringeren Gesamtkosten (was sich auch wesentlich in den Baunebenkosten wiederspiegelt). Die Kosten für eine effektive Luft-Wärmepumpe liegen auf dem geringen Niveau einer guten Gas-Heizung. Dem derzeit wohl günstigsten Heizsystem in der Anschaffung, allerdings mit einer ökologisch zweifelhaften Bilanz. Mit einer Luft-Wasser-Wärmepumpe ist sowohl die ökonomische als auch die ökologische Bilanz positiv.

Was die Effizienz und Zuverlässigkeit angeht, habe ich sehr gute Erfahrungen gemacht und kann es persönlich nur empfehlen. Selbst bei sehr niedrigen Außentemperaturen haben unsere Systeme zuverlässig funktioniert.

Ich kann allerdings auch die Entscheidung  für eine Erdwärmepumpe gut nachvollziehen. Der höhere ökologische Wert ist durchaus ein wertvolles Argument und auch die geringere Geräuschbelastung, gerade in eng bebauten Gebieten, ist nicht zu vernachlässigen.

Insgesamt halte ich aber alle Wärmepumpen für das perfekte Heizsystem. Strom kann heute schon vollständig aus erneuerbaren Quellen gewonnen werden. Und der Zeitpunkt, an dem dieses auch durchgehend geschehen wird, rückt näher. Somit ist eine Wärmepumpe mit reinem Ökostrom eine ökologisch wirklich tolle Lösung.

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