Wärmepumpen » Heizen mit Wärmeenergie aus der Umgebung
Veröffentlicht: 01.08.2023 | Lesedauer: 8 Minuten
Erderwärmung, Klimawandel, CO2-Emissionen und Treibhauseffekt sind dramatisch klingende Schlagwörter, die in den aktuellen Nachrichten leider immer öfter zu hören sind.
Deshalb ist es unbedingt erforderlich, dass Treibhausgase wie beispielsweise fluorierte Gase, Methan, Distickstoffoxid und Kohlendioxid (CO2) eingespart werden müssen. Speziell das Kohlendioxid, das viele Heizungen beim Verbrennen von fossilen Brennstoffen wie Kohle, Öl oder Erdgas ausstoßen, trägt u.a. zur Erderwärmung und zum Klimawandel bei.
Aus diesem Grund sind dringend umweltfreundliche bzw. klimaneutrale Alternativen aus erneuerbaren Energien gefragt. Wenn es um das Thema Heizung geht, fällt immer wieder der Begriff „Wärmepumpe“. Doch was sind Wärmepumpen, wie funktionieren sie und sind sie wirklich das Allheilmittel gegen die Klimakrise? Diese Fragen wollen wir gerne klären und Ihnen dabei weitere interessante Informationen rund um dieses wichtige Thema geben.
In der Luft, in der Erde und auch im Wasser ist reichlich Wärme enthalten, die im Idealfall auch zum Heizen genutzt werden könnte. Die Ursache dafür ist die Sonneneinstrahlung beziehungsweise der heiße Kern der Erde. Wenn man von den kochenden Geysiren in Island einmal absieht, ist die vorhandene Wärmeenergie aber leider nicht direkt zum Heizen geeignet. Denn oft sind während der Heizperiode die Temperaturen der Luft, des Wassers oder der Erde deutlich niedriger, als die erforderlichen 20 Grad Celsius (°C).
Da bedarf es schon etwas technisches Know-how, damit der Heizvorgang trotzdem funktioniert und dabei effizient und umweltschonend ist. So werden beispielsweise Luft-Wasser-Wärmepumpen (1) eingesetzt, um die vorhandene thermische Energie (2) der Luft auf ein deutlich höheres Niveau (3) zu heben.
Die so erreichte hohe Temperatur bzw. Temperaturerhöhung wird dann auf den Wasserkreislauf einer Heizung (4) übertragen. Einzelne Räume, ganze Gebäude oder auch komplette Schwimmbäder können so leicht und effizient beheizt werden.
Der geniale Trick dabei ist, dass ein Großteil der gewonnenen Heizenergie direkt aus der Umwelt stammt. Lediglich die erforderliche elektrische Energie für die Pumpe (5), die im Idealfall aus erneuerbaren Energien erzeugt wurde, schlägt kostentechnisch zu Buche.
Wärmepumpen sind keine neue Erfindung aus dem 21. Jahrhundert. Nein, Wärmepumpen gibt es bereits seit über 100 Jahren. Denn im Prinzip ist jeder Kühlschrank oder Gefrierschrank eine Wärmepumpe. Nur dass bei diesen Kühlgeräten die erzeugte Temperaturverringerung im Innenraum und nicht die dabei entstehende Abwärme an der Rückseite genutzt wird. Um die Funktionsweise einer Wärmepumpe leichter verstehen zu können, wollen wir zunächst auf die Funktion eines Kompressor-Kühlschranks genauer eingehen.
Funktion eines Kompressor-Kühlschranks
Ein Kühlschrank hat einen geschlossenen Kühlkreislauf, in dem sich ein gasförmiges bzw. flüssiges Kältemittel, wie beispielsweise Isobutan, befindet. Isobutan oder auch R600a hat einen sehr niedrigen Siedepunkt und verdampft bereits bei einer Temperatur von -11,5 °C.
Das gasförmige Kältemittel (1) wird mit Hilfe eines Verdichters bzw. Kompressors (2), der sich außerhalb des zu kühlenden Innenraumes (Outside) befindet, unter Druck gesetzt. Dabei erhitzt sich das Kältemittel durch den Joule-Thomson-Effekt auf rund 60 bis 100 °C. Das heiße und unter Druck stehende Kältemittel wird weiter zu einer Kühlschleife bzw. Wärmetauscher (3) an der Rückwand des Kühlschranks geleitet. Dort wird die Wärmeenergie einfach an die Umgebungsluft abgegeben.
Da die Siedetemperatur bei dem unter Druck stehenden Kältemittel deutlich höher als -11,5 °C ist, kondensiert es in der Kühlschleife und wird flüssig. Deshalb bezeichnen Fachleute die Kühlschleife auch als Kondensator oder Verflüssiger.
Das flüssige Kältemittel fließt anschließend über ein Kapillarrohr in den Innenraum des Kühlschranks (Inside). Das Kapillarrohr dient als Drosselorgan bzw. Entspannungsventil (4), das den Druck reduziert und das Kältemittel fein zerstäubt. Die Rohrleitungen des nachgeschalteten Verdampfers (5) bieten dem Kältemittel genügend Raum, damit es durch die Druckreduzierung wieder in den gasförmigen Zustand übergehen kann. Die für die Verdunstung erforderliche Wärmeenergie (Verdunstungskälte) entzieht der Verdampfer als Wärmetauscher den Innenraum des Kühlschranks. Nach dem Verdampfer wird das gasförmige Kältemittel wieder dem Verdichter zugeführt, damit der Kreislauf von vorne beginnen kann. Die Temperaturregelung übernimmt ein Thermostat, der innerhalb eines bestimmten Temperaturbereiches den Kompressor ein- oder ausschaltet.
Funktion einer Wärmepumpe
In einer Wärmepumpe befindet sich ebenfalls ein geschlossener Kühlkreislauf mit Kältemittel, zwei Wärmetauschern und einem Kompressor. Doch im Gegensatz zu einem Kühlschrank wird bei einer Wärmepumpe die Temperaturerhöhung und nicht die Temperaturabsenkung genutzt.
Dazu wird mit einem Kompressor (1) das gasförmige Kältemittel (2) verdichtet. Das heiße und unter Druck stehende Kältemittel wird dem ersten Wärmetauscher bzw. Verflüssiger (3) zugeführt.
Dieser Wärmetauscher hat neben den Rohrleitungen für das Kältemittel noch Rohrleitungen für einen Heizkreislauf (4).
Beide Leitungssysteme sind thermisch miteinander verbunden. So kann die Wärme des komprimierten Kältemittels effizient an den Heizkreislauf mit Wärmeverteil- und Speichersystem abgegeben werden.
Das abgekühlte und nun flüssige Kältemittel wird über eine Drossel (5) an den zweiten Wärmetauscher, dem Verdampfer bzw. der Wärmequellenanlage (6) geleitet. Neben den Rohrleitungen für das Kältemittel befinden sich im Verdampfer auch noch thermisch gekoppelte Rohrleitungen für den Kühlkreislauf (7). Der Kühlkreislauf ist im Regelfall mit Frostschutzmittel und Wasser befüllt und kann die bei der Verdunstung entstehende Kälte im Verdampfer mit Umweltwärme wieder ausgleichen. So gesehen wird als positiver Nebeneffekt die Umwelt durch eine Wärmepumpe abgekühlt. Das nun wieder gasförmige Kältemittel wird dem Verdichter zugeführt, wodurch sich der Kreislauf wieder schließt.
Je nachdem, aus welchem Medium die Energie zum Heizen entnommen wird, gibt es unterschiedliche Arten von Wärmepumpen. Die gängigsten Typen wollen wir hier einmal genauer vorstellen:
Luft-Wasser-Wärmepumpe
Bei einer Luft-Wasser-Wärmepumpe oder auch Luft-Wärmepumpe (siehe Skizze A) dient die Umgebungsluft als Wärmequelle. Zum Teil werden Split-Geräte verbaut, bei denen sich der Kompressor, Verdampfer und der Lüfter außen und der Verflüssiger mit Umwälzpumpe und Regelungstechnik innen im Haus befinden. Bis zu einer Lufttemperatur von -20 °C können Luft-Wasser-Wärmepumpen wirtschaftlich betrieben werden.
Unsere Produktempfehlungen für Luft-Wasser-Wärmepumpen
Sole-Wasser-Wärmepumpe
Sole-Wasser-Wärmepumpen werden auch als Erd-Wärmepumpen oder Sole-Wärmepumpen bezeichnet und nutzen die natürliche Erdwärme als Energiequelle. Dazu werden entweder nah an der Oberfläche Erdkollektoren (siehe Skizze B) vergraben oder Tiefenbohrungen (40 – 100 m) durchgeführt (siehe nachfolgende Skizze C). Auch wenn der Installationsaufwand deutlich höher ist, ermöglichen die höheren Erdtemperaturen in der Regel einen höheren Wirkungsgrad der Wärmepumpe.
Wasser-Wasser-Wärmepumpe
Bei einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe (siehe Skizze D) dient in der Regel das Grundwasser als Wärmequelle. Dazu benötigen Grundwasser-Wärmepumpen einen Saugbrunnen zur Wasserentnahme und einen Sickerbrunnen für die Rückführung des Grundwassers.
Da die Grundwassertemperatur das ganze Jahr über unabhängig von der Jahreszeit konstant ist, können diese Systeme sehr effizient arbeiten. Allerdings ist die Nutzung des Grundwassers vielerorts genehmigungspflichtig.
Luft-Luft-Wärmepumpen
Eine Luft-Luft-Wärmepumpe nutzt die Außenluft oder auch die Abluft des Hauses als Wärmequelle. Im Gegensatz zu einer Luft-Wasser-Wärmepumpe wird die Wärme nicht an einen mit Wasser gefüllten Heizkreislauf, sondern an ein Lüftungssystem abgegeben. Luft-Luft-Wärmepumpen eignen sich ideal für Passivhäuser und energietechnisch effiziente Gebäude, bei denen ein Lüftungssystem mit Wärmerückgewinnung installiert werden soll.
Warmwasser-Wärmepumpen
Eine Warmwasser-Wärmepumpe bzw. Brauchwasser-Wärmepumpe ist speziell darauf ausgelegt, mit Hilfe der Raumluft und der Wärmepumpentechnologie warmes Brauchwasser zu erzeugen. Dabei bilden Wärmepumpe und Wasserbehälter oftmals eine Einheit. Zum Teil besitzen Warmwasser-Wärmepumpen zusätzliche Heizelemente, um im Bedarfsfall die ohnehin schon hohe Brauchwassertemperatur von rund 65 °C noch einmal deutlich zu erhöhen. Alternativ dazu gibt es auch Warmwasser-Wärmepumpen mit zusätzlichen Anschlüssen für Sonnenkollektoren.
Unsere Produktempfehlungen für Warmwasser-Wärmepumpen
Ergänzung einer Wärmepumpe durch Sonnenkollektoren
Selbstverständlich besteht die Möglichkeit, eine Wärmepumpe mit Sonnenkollektoren effektiv zu ergänzen und zu unterstützen. Dabei können die Sonnenkollektoren entweder direkt zur Gewinnung von warmem Wasser genutzt oder bei niedrigen Temperaturen zur Anhebung des Energieniveaus der Wärmequelle eingesetzt werden. Die Möglichkeiten diesbezüglich sind so vielfältig, dass es in jedem Fall sinnvoll ist, Fachleute mit der Planung zu beauftragen.
Die Wärmepumpentechnik kann sowohl zum Heizen, als auch zum Kühlen von Wohnungen und Gebäuden genutzt werden. In Verbindung mit den immer heißer werdenden Sommern sind deshalb vermehrt nachgerüstete Klimaanlagen mit Wärmepumpen-Technologie an den Hauswänden zu finden. Selbst der mobile Einsatz in Fahrzeugen hat sich seit Jahrzehnten bestens bewährt.
Mittlerweile arbeiten sogar Haushaltsgeräte mit dieser cleveren Technik. Wäschetrockner beispielsweise sind einerseits komfortabel und nützlich, benötigen andererseits aber auch relativ viel elektrische Energie. Um den Stromverbrauch bei gleichbleibender Trockenleistung zu reduzieren, arbeiten moderne Wäschetrockner mit einer Wärmepumpe. Bei einem Wärmepumpen-Wäschetrockner muss nicht ständig neue Luft erhitzt werden, die dann nach dem Trocknungsvorgang einfach in den Raum oder an die Umwelt abgegeben wird. Vielmehr wird die Luft zum Trocknen in einem Kreislauf immer wieder verwendet und durch die integrierte Wärmepumpe gezielt aufgeheizt und abgekühlt.
So wie die beiden Seiten einer Medaille, haben auch Wärmepumpen viele Stärken, aber auch einige Schwächen, die wir nicht verschweigen wollen. Der wohl größte Vorteil ist einerseits, dass der wesentliche Anteil der gewonnenen Wärmeenergie der Umwelt entnommen wird und somit in unbegrenzter Menge zur Verfügung steht. Wenn der Strom für den Antrieb des Kompressors aus regenerativen Quellen erzeugt wird, sind Wärmepumpen umweltfreundliche Energielieferanten. Auf der anderen Seite sind die Investitionskosten, trotz staatlicher Förderung, nicht unerheblich. Zudem ist eine Integration in Bestandsbauten aufgrund der teilweise geringen Vorlauftemperatur schwierig.
Vor- und Nachteile von Wärmepumpen im Überblick
Vorteile:
✓ Umweltfreundlicher Energielieferant
✓ Hohe Effizienz
✓ Nahezu unerschöpfliche Wärmequellen
✓ Hohe Flexibilität bei den Energiequellen
✓ Geringe Betriebskosten, schnelle Amortisation
✓ Nahezu wartungsfreier Betrieb
✓ Heiz- und Kühlbetrieb möglich
Nachteile:
✗ Hohe Anschaffungskosten
✗ Begrenzte Vorlauftemperatur
✗ Gute Gebäudedämmung erforderlich
✗ Optimale Effizienz nur bei Fußbodenheizungen
✗ Betrieb mit Heizkörpern schwierig
✗ Separates System für Warmwasser erforderlich
✗ Planung und Projektierung nur durch Fachleute
Der Wirkungsgrad einer Heizung gibt das Verhältnis von zugeführter Energie und nutzbarer Wärme an. Wenn eine Gasheizung aus 10.000 kWh Erdgas rund 9.000 kWh Wärme erzeugt, liegt der Wirkungsgrad der Heizung bei 0,9. Bei Wärmepumpen wird ein Wirkungsgrad zwischen 2 und 5 angegeben! Das bedeutet, dass aus einer Kilowattstunde (1 kWh) Strom, der am besten aus erneuerbarer Energie gewonnen wurde, rund 2 – 5 kWh Wärme erzeugt werden.
Doch Wärmepumpen sind keine Zaubermaschinen, die auf wundersame Weise aus dem Nichts Energie vermehren können. Vielmehr liegt der hohe Wirkungsgrad daran, dass in diesem Fall lediglich der erforderliche Strom und nicht auch die zugeführte Umweltenergie in die Berechnung mit eingeflossen sind.
Das ist aber letztendlich nicht relevant, da die erforderliche Umweltenergie unbegrenzt zur Verfügung steht und auf keiner Energiekostenabrechnung erscheinen wird. Im Idealfall fallen keine Betriebskosten an, wenn der Betreiber der Wärmepumpe noch eine Photovoltaik-Anlage besitzt und so der Strom für Kompressor, Lüfter und Pumpen von der PV-Anlage erzeugt wird. Dank der regenerativen Energien kann dann komplett CO2-frei geheizt werden.
