Geht es um die CO2-Reduktion, sind Wärmepumpen eine saubere, effiziente Lösung. Vor allem die Wohnungswirtschaft kann von dieser wiederentdeckten Technologie profitieren. Swiss Life setzt an ihrem Hauptstandort schon seit 2013 auf eine Wärmepumpe, die mit Wasser aus dem Zürichsee funktioniert.

In einer der ersten Vorlesungen im Fach Energietechnik fragt der Professor die Studierenden: «Wenn Sie bei eingeschaltetem Kühlschrank die Kühlschranktür offen lassen, wird es dann in der Küche kälter?» Kennen Sie die Antwort? Lassen Sie uns gemeinsam überlegen.

Nach dem Prinzip der Energieerhaltung muss die Wärme, die dem Kühlschrankinneren entzogen wird, irgendwohin transferiert werden. Tatsächlich wird sie auf der Rückseite des Kühlschranks an die Umgebungsluft abgegeben. Bis zu diesem Punkt wäre es mit der offenen Kühlschranktür also ein Nullsummenspiel, in der Küche würde es somit nicht kälter. Allerdings ist zu beachten, dass der Kühlschrank für den Kühlungsprozess Elektrizität benötigt. Der eingesetzte Strom erzeugt zusätzliche Wärme, die ebenfalls an die Umgebung abgegeben wird. Daher wird auf der Rückseite des Kühlschranks insgesamt mehr Wärme freigesetzt, als im Inneren absorbiert wird. Das führt dazu, dass die Raumtemperatur ansteigt, statt abzunehmen.

So funktionieren Wärmepumpen

Wärmepumpen machen sich diesen physikalischen Prozess zunutze. Allerdings ist die erzeugte Wärme hier kein «Nebenprodukt», sondern das primäre Ziel. Dadurch wird der elektrische Energieaufwand nicht nur gerechtfertigt, sondern trägt aktiv zum gewünschten Ertrag bei. Mithilfe der Stromzufuhr wird die entzogene Wärme auf ein sinnvolles Temperaturniveau angehoben und als Nutzwärme zur Verfügung gestellt. Dies ermöglicht einen effizienten und ressourcenschonenden Heizprozess.

Wie beim Kühlschrankinneren ist es bei der Wärmepumpe auf der Seite der Umweltenergie kälter als auf der Seite, von der Wärme abgegeben wird. Das liegt an der Physik des Kältekreislaufs mit dem zirkulierenden Kältemittel. Man könnte sagen, dass die Wärmeenergie auf ein höheres Temperaturniveau «gepumpt» wird. So wie wir bei einem steilen Bergaufstieg mehr Kalorien verbrauchen, benötigt auch die Wärmepumpe umso mehr Energie, je grösser die zu überbrückende Temperaturdifferenz ist.

Aus Umweltwärme wird Heizungswärme

Die Wärmepumpe nutzt frei verfügbare Umweltwärme als Energiequelle, etwa aus der Luft, der Erde oder dem Grundwasser.

Die Wärmepumpe nutzt frei verfügbare Umweltwärme als Energiequelle, etwa aus der Luft, der Erde oder dem Grundwasser.
Die Wärmepumpe nutzt frei verfügbare Umweltwärme als Energiequelle, etwa aus der Luft, der Erde oder dem Grundwasser.

Quelle: Eigene Darstellung, basierend auf www.heizungsmacher.ch > Wissen > Wie funktioniert eine Wärmepumpe? (21.9.2023)

Wohnungswirtschaft macht sich Wärmepumpen zunutze

Ist die Temperatur auf der Abgabeseite der Wärmepumpe niedrig, führt das zu einem reduzierten Stromverbrauch. Daher eignen sich Wärmepumpen hervorragend für Heizsysteme, die mit niedrigen Vorlauftemperaturen arbeiten, wie etwa Fussbodenheizungen. Bei der Modernisierung bestehender Gebäude mit Radiatoren ist es essenziell, die Dimensionierung der Heizkörper sorgfältig zu überprüfen, um sicherzustellen, dass sie bei den für Wärmepumpen optimalen Vorlauftemperaturen effizient funktionieren. Die Effektivität dieses Prozesses hängt massgeblich von der Qualität der Gebäudedämmung ab: Ist das Haus gut isoliert, können kleinere Heizflächen eingesetzt werden.

Unterschiedliche bauliche Anforderungen

Die Art der Wärmepumpe wird bestimmt durch das Medium, das die Umweltenergie liefert, und das Medium, an das die Wärme abgegeben wird. Hier unterscheidet man zwischen Luft-Wasser-Wärmepumpen, Wasser-Wasser-Wärmepumpen und Sole-Wasser-Wärmepumpen. Die Luft-Wasser-Wärmepumpen zeichnen sich gegenüber anderen Wärmepumpentypen durch vergleichsweise niedrige Investitionskosten aus. Sie brauchen jedoch deutlich mehr Platz und haben einen höheren Stromverbrauch, besonders im Winter, wenn die Luft als Wärmequelle ein sehr niedriges Temperaturniveau aufweist. Ausserdem können Luft-Wasser-Wärmepumpen ziemlich laut sein, was in Wohngebieten den Einsatz von Schallschutzmassnahmen notwendig machen kann.

Bei Wasser-Wasser- und Sole-Wasser-Wärmepumpen braucht es für die Umweltenergiegewinnung zusätzliche bauliche Massnahmen. So müssen etwa Wasserfassungen angelegt oder Brunnen- oder Sondenbohrungen gemacht werden; das macht diese Technologien teurer. Allerdings haben sie den Vorteil, dass sie die Umweltenergie auf einem höheren Temperaturniveau bereitstellen als luftbasierte Systeme; damit lässt sich der Stromverbrauch erheblich reduzieren. Zudem brauchen sie weniger Platz und sind in Bezug auf Schallemissionen kein Problem.

Geschichte der Wärmepumpe

Wärmepumpen funktionieren also nach dem Prinzip umgekehrter Kältemaschinen. Das bedeutet, dass ihre Entwicklung aus der Nachfrage nach Kälteerzeugung entstanden ist. In seiner «Geschichte der Wärmepumpe» schreibt Martin Zogg, die Erfindung der ersten Kältemaschine gehe zurück aufs Jahr 1850. Fossile Brennstoffe waren vor und während des Zweiten Weltkriegs knapp; gleichzeitig gab es reichlich elektrische Energie aus Wasserkraft. So konnte sich die Schweiz als Pionierin in der Entwicklung und Implementierung von Wärmepumpen positionieren. Im Zürcher Rathaus wurde bereits 1938 die erste europäische Wärmepumpe erfolgreich in Betrieb genommen. Die dafür benötigte Umweltenergie bezog man direkt aus der Limmat. Drei Jahre später, 1941, wurde im neu erbauten Hallenbad in Zürich eine weitere Wärmepumpe installiert. Als Energiequelle nutzte man dafür die Abwärme einer Trafostation und das Wasser aus dem Schanzengraben. Die beiden Projekte waren wegweisend und wurden von der Maschinenfabrik Escher Wyss realisiert. Seit 2013 versorgen Wärmepumpen den Swiss Life Hauptstandort und das nahegelegene FIFA-Museum. Die Wärme beziehen sie direkt aus dem Zürichsee.

Da sie ohne fossile Brennstoffe auskommen und laut Martin Zogg im Vergleich zu herkömmlichen Stromheizungen bis zu 80% elektrische Energie einsparen, befinden sich Wärmepumpen in Zeiten des wachsenden Interesses an der Dekarbonisierung im Aufwind. So verzeichnete die Fachvereinigung Wärmepumpen Schweiz im Jahr 2022 einen Absatz von circa 41 200 Einheiten in der Schweiz. In Deutschland lag die Zahl der verkauften Heizungswärmepumpen laut Statista sogar bei rund 236 000, was einem beeindruckenden jährlichen Wachstum von über 20% bzw. über 50% entspricht.

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