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Wärmepumpen, Erdwärmepumpen

Die Direktwärmepumpe ist eine Sonderform der Luftwärmepumpe. Sie bietet für den Verbraucher zahlreiche Vorteile:

  • angenehme Wärme, gesundes Raumklima, auch für Allergiker geeignet, da kein Staub aufgewirbelt wird

  • Kühlfunktion im Sommer möglich

  • Betrieb besonders sparsam

  • hervorragende Werte (Leistungskennzahlen, Verbrauch usw.)

  • Brauchwassererwärmung möglich

    Weitere Vorteile siehe weiter unten

Die Technik

Wie aber funktioniert eine Direktwärmepumpe genau? Die Technik ähnelt einer klassischen Luftwärmepumpe. Dabei wird ein geschlossener Kreis von Wärmeaufnahme und –Abgabe realisiert. Im Folgenden sollen die Abläufe in der Direktwärmepumpe näher beschrieben werden:

  1. Im Außenbereich gibt es einen Verdampfer, in dem Kupferrohre verlegt sind.

  2. Ein Kältemittel fließt durch diese Kupferrohre in den Verdampfer, wobei das Kältemittel in flüssiger Form vorliegt.

  3. Im Verdampfer befindet sich ein Lüfter, der die Außenluft rund um die Rohre strömen lässt.

  4. Das Kältemittel nimmt die Energie aus der Luft auf und verändert seinen Aggregatzustand in einen gasförmigen.

  5. Elektrozusatzheizstäbe, die nicht nur hohe Anschaffungs-, sondern auch laufende Kosten mit sich bringen, sind bei modernen Direktwärmepumpen nicht notwendig.

  6. Das Kältemittel hat zwar seinen Aggregatzustand geändert und die Energie gespeichert, jedoch noch keine warme Temperatur erreicht.

  7. Die Erwärmung erfolgt durch eine Verdichtung mittels Druckanstieg in der Wärmepumpe.

  8. Für diese wird zusätzliche elektrische Energie benötigt. 

  9. Anschließend wird das erwärmte Kältemittel ins Haus geführt.

  10. Anfangs kommt es zu einer Überhitzung, mit der das Brauchwasser erwärmt wird. Dafür wird das Kältemittel in Kupferrohre transportiert, die sich rund um den Energiespeicher befinden.

  11. Ist das Brauchwasser erwärmt worden, fließt das Kältemittel in den Heizkreisverteiler.

  12. Von dort aus gelangt es in die einzelnen Heizkreise. Der Transport erfolgt durch den Betriebsdruck im System.

  13. Im Fußboden wird das Kältemittel wieder flüssig, es kommt zur so genannten Direktkondensation, die Wärme wird abgegeben.

Keine zusätzlichen, wartungsintensiven Komponenten

Bei einer Direktwärmepumpe wird, wie bereits erwähnt, auf Elektrozusatzheizstäbe verzichtet, die bei anderen Wärmepumpen nötig sind, um den reibungslosen Betrieb auch in der kalten Jahreszeit zu gewährleisten. Zusätzlich verpufft die anfänglich überzählige Hitze nicht einfach im System, stattdessen wird diese verwendet, um das Brauchwasser zu erwärmen. Voraussetzung dafür ist, dass die Heizung läuft. Eine klassische Brauchwassererwärmung findet demzufolge nur im Sommer statt.

Weitere Komponenten, die mit hohem Wartungsaufwand versehen sind, entfallen bei der Direktwärmepumpe ebenfalls. Dazu zählen unter anderem:

  • Wärmetauscher,

  • Wasserpumpen,

  • Steuerungen für den Wasserkreislauf.

Diese zusätzlichen Bestandteile erfordern eine regelmäßige Wartung, die mit entsprechenden Kosten versehen ist.

Welche Kältemittel kommen bei einer Direktwärmepumpe in Frage

Die Direktwärmepumpe verzichtet auf das übliche fluorierte Kältemittel aus dem einfachen Grund, dass hier eine jährliche Überprüfung gesetzlich vorgeschrieben ist. Stattdessen setzen Direktwärmepumpen häufig auf Propangas, welches den Ruf hat, nicht nur äußerst umweltfreundlich zu sein, sondern auch sehr effektiv zu arbeiten. Schaut man sich die Direktwärmepumpen genauer an, lassen sich allein durch die Verwendung eines solchen Kältemittels Heizkosten von zehn bis 15 Prozent einsparen.

Allerdings kommen von Skeptikern immer wieder Bedenken auf, denn Propan gehört nun einmal zu den brennbaren Gasen. Es ist jedoch nicht, wie so oft angenommen, explosiv.

Allerdings sind moderne Direktwärmepumpen mit folgenden Sicherheitsmaßnahmen ausgestattet:

  • Begrenzung des enthaltenen Gases im Gesamtsystem auf eine geringe Menge (z. B. fünf Kilogramm, die sich im gesamten Haus und Außenbereich befinden).

  • Dadurch ist eine brennbare Konzentration des Gases kaum möglich.

  • Entlüftung und Sensorgeräte im Anschlussraum schließen ein Brennen des Gases aus.

Vorteile der Direktwärmepumpe

Aus dieser Arbeitsweise der Direktwärmepumpe ergeben sich zahlreiche Vorteile. Diese finden sich in den folgenden Bereichen:

  • Geringe Betriebskosten: In der Praxis zeigen sich Einsparungen bis zu 60 Prozent gegenüber herkömmlichen Wärmepumpen, und das selbst bei extrem niedrigen Außentemperaturen.

  • Jahresarbeitszahlen: Die Jahresarbeitszahlen (COP) sind sehr hoch. Sie erreichen in der Praxis oft Werte über 4. Die COP geben an, wie viel der eingesetzten Leistung als Wärmeleistung zur Verfügung steht. Ein Wert von 4 gibt an, dass das 4-fache der eingesetzten Leistung als Wärmeleistung genutzt werden kann.

  • Brauchwassererwärmung: Da bei einer Direktwärmepumpe überschüssige Wärme nicht verpufft, sondern zur Brauchwassererwärmung genutzt wird, ist diese gratis. Zudem werden dadurch keine zusätzlichen Heizstäbe benötigt, die dafür verantwortlich sind, das Wasser legionellenfrei zu halten.

  • Kühlfunktion: Moderne Direktwärmepumpen können zusätzlich eine Kühlfunktion mit aufweisen, ohne dass dabei Zugluft entsteht. Dabei sind Direktwärmepumpen in der Lage einen zuvor eingestellten Wert zu erreichen, zum Beispiel 21° C. Andere Wärmepumpen (wassergeführte Systeme) sind dagegen meist nur in der Lage, die Raumtemperatur um drei bis vier Grad Celsius abzusenken, was bei hochsommerlichen Temperaturen kaum eine Besserung mit sich bringt.

  • Wartungsarm: Die modernen Direktwärmepumpen benötigen kaum Wartung, weil auf die wartungsintensiven Komponenten weitestgehend verzichtet wird.

  • Kombinationsfreiheit: Auch ohne zusätzliche Lüftungsanlagen bzw. Solaranlagen arbeitet die Direktwärmepumpe einwandfrei und erreicht durchaus Effizienzhaus-Standards.

  • Beheizung nach Notwendigkeit: In den Rohren der Fußbodenheizung kann bei Direktwärmepumpen auf Wasser verzichtet werden, wodurch Energie- und Wartungskosten verringert werden. Zusätzlich wird die Wärme nur genau dort abgelassen, wo der Boden noch kühl ist. Unnötiges Aufheizen ist somit nicht nötig.

Vergleich: Herkömmliche Wärmepumpe vs. Direktwärmepumpe

Wer die Direktwärmepumpe mit einer herkömmlichen Wärmepumpe vergleicht, stellt schnell fest, dass letztere einige Nachteile mit sich bringt. Grundlegend sind die Schritte eins bis neun bei beiden gleich. Allerdings wird bei der herkömmlichen Wärmepumpe anschließend wie folgt vorgegangen: Die Wärme wird im Haus über einen Wärmetauscher auf einen separaten Heizkreislauf übertragen, mit dem schließlich die Beheizung des Hauses erfolgt.

Dadurch ergeben sich folgende Nachteile:

  • Energieverlust durch die Übertragung im Wärmetauscher

  • Wasserpumpe für zusätzlichen Wasserkreislauf wird benötigt

  • Steuerung und Regelung für den zusätzlichen Wasserkreislauf sind sehr aufwändig

  • Eine Vielzahl von Thermostaten wird zusätzlich benötigt

Die zusätzlichen Komponenten sind mit erhöhten Anschaffungskosten versehen und müssen regelmäßig gewartet werden, wodurch weitere Kosten entstehen.

Kalkulation der Kosten einer Direktwärmepumpe

Was kostet eine Direktwärmepumpe nun eigentlich? Aufgrund der hohen Leistungsfähigkeit ist auch von hohen Anschaffungskosten auszugehen. Durch die wartungsarmen Komponenten dürften die Betriebskosten jedoch geringer ausfallen. So zumindest die allgemein gültige Meinung. Wie es faktisch tatsächlich aussieht, soll folgende Direkt-Wärmepumpen-Kostenkalkulation aufzeigen:

Anschaffungskosten Ca. 10.000 Euro
Heizverbrauch pro Jahr 2.025 kWh
Brauchwassererwärmung an Sommertagen 140
Verbrauch für Brauchwassererwärmung (Sommer) / Tag Ca. 8 kWh
Verbrauch für Brauchwassererwärmung insgesamt Ca. 1.120 kWh
Kosten / kWh 0,20 €
Kosten Zweittarifstromzähler 75,00 €
Gesamtkosten Heizung 405,00 €
Gesamtkosten Brauchwassererwärmung 224,00 €
Gesamtkosten Heizung + Brauchwasser 704,00 €

Es fallen demzufolge weder Kosten für elektrische Zusatzheizstäbe, noch für Wartungen an.

Mögliche Fördermittel

Auch für die Direktwärmepumpe gibt es diverse Förderungen. An erster Stelle ist natürlich die KfW zu nennen, die im Rahmen der Programme zum Energieeffizienten Bauen und Sanieren, aber auch in Verbindung mit dem Bau eines KfW-Effizienzhauses Fördermittel vergibt.

Darüber hinaus ist das BAFA zu nennen, das ebenfalls Fördermittel für die Direktwärmepumpe gewährt. Allerdings werden vom BAFA nur noch Gebäude im Bestand gewährt. Die Direktwärmepumpe muss dabei eine Jahresarbeitszahl von mindestens 3,5 erreichen, wobei die Berechnung nach VDI 4650 erfolgt. Weitere Infos zur Förderung von Wärmepumpen finden Sie auch hier.

Verbrauchs- und Messwerte der Direktwärmepumpe

Interessant für Verbraucher, die sich mit dem Gedanken tragen, eine Direktwärmepumpe in das Haus zu integrieren, ist natürlich auch die Frage nach den Verbrauchszahlen.

Beispielhaft sollen folgende Daten den Verbrauch einer Direktwärmepumpe verdeutlichen:

Wohnfläche in m² Jährlicher Stromverbrauch in kWh/a Jährliche Betriebskosten bei 0,20 € / kWh Jährliche Betriebskosten auf 150 m² Wohnfläche umgerechnet
123,8 1254 250,80 € 303,88 €
226 1869 373,80 € 248,10 €
66 1200 240,00 € 545,45 €
157,2 3988 797,60 € 761,07 €

Der Verbrauch ist von realen Häusern berechnet, die Betriebskosten sind fiktiv hochgerechnet worden. Je höher der Gesamtverbrauch, desto höher also auch die Gesamtkosten. Jedoch ist der Verbrauch zum Teil nur auf die reinen Heizkosen berechnet worden. Zusatzkosten können für die Brauchwasser-Erwärmung entstehen. Dabei fallen diese Zusatzkosten bei einer Direktwärmepumpe lediglich in den Sommermonaten an.

Hierbei werden zwei Fälle unterschieden:

  1. Brauchwasserversorgung OHNE Zirkulationspumpe 

  2. Brauchwasserversorgung MIT Zirkulationspumpe

Im ersten Fall werden etwa vier Kilowattstunden pro Tag benötigt, im letzteren sind es acht bis zwölf Kilowattstunden. Bei 140 Tagen pro Jahr, an denen keine Heizung benötigt wird, errechnet sich der Zusatzverbrauch wie folgt:

Verbrauch / Tag * heizfreie Tage = Zusatzverbrauch pro Jahr

  1. 4 kWh * 140 = 560 kWh 

  2. 10 kWh * 140 = 1.400 kWh

Die Zusatzkosten errechnen sich demzufolge nach folgender Formel:

Gesamtverbrauch / Jahr in kWh * Verbrauchspreis / kWh = Gesamtzusatzkosten

  1. 560 kWh * 0,20 € = 112,00 € 

  2. 1.400 kWh * 0,20 € = 280,00 €

Rechnet man mit einem reinen Heizverbrauch pro Jahr von 1.139,55 kWh zu 0,20 € pro kWh für ein 150 m² großes Haus und nimmt dazu die 560 kWh für die Brauchwassererwärmung im Sommer, so fallen folgende Kosten an:

1.139,55 kWh + 560 kWh = 1.699,55 kWh 1.699,55 kWh * 0,20 € = 339,91 €

Vergleicht man jetzt die Direktwärmepumpe mit einer herkömmlichen Wärmepumpe, so müssen bei letzterer das ganze Jahr über zusätzliche Kosten für die Brauchwassererwärmung berücksichtigt werden. Gehen wir hierfür vom günstigsten Fall aus und verwenden wir oben genannte Zahlen weiter, ergibt sich folgende Rechnung:

Heizstromverbrauch: 1.139,55 kWh
Zusatzverbrauch Warmwasser: 4 kWh / Tag
Strompreis / kWh: 0,20 €

4 kWh * 365 Tage = 1.460 kWh

1.460 kWh + 1.139,55 kWh = 2.599,55 kWh

2.599,55 kWh * 0,20 € = 519,91 €

Damit ergibt sich ein klarer Mehrverbrauch, der sich finanziell mit 180 Euro zu Buche schlägt.

Messwerte für die Direktwärmepumpe

Zu berücksichtigen sind ebenfalls die Messwerte für die Direktwärmepumpe. Dafür sollte man den Heizkreislauf überprüfen. Zum Beispiel kann man ermitteln, wie viel Wasser innerhalb einer Stunde erwärmt wird und um welche Temperaturunterschiede es sich handelt.

Folgendes Beispiel soll dies verdeutlichen:

Erwärmung von Wasser: 740,00 Liter / Stunde

Erwärmung von Temperatur auf Temperatur: 6,8° C – 25,9° C

Daraus kann man die Heizleistung ermitteln, die in Watt angegeben wird.

740 * 19,1 / 860 = 16.435 W

Eine sehr hohe Heizleistung kann dementsprechend entstehen.