Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Die Wärmepumpe ist eine thermodynamische Heizung, die es ermöglicht Umweltwärme (gleich gespeicherte Solarenergie) nutzbar zu machen. Ca. 3 bis 4 Anteile Umweltenergie und 1 Anteil elektrische Energie werden als Heizenergie bereitgestellt Die elektrische Energie ist erforderlich, die bei niedriger Temperatur vorliegende Umweltenergie von -20°C bis +35°C (Luft) auf ein für die Heizung (Warmwasser) nutzbares Temperaturniveau zu "pumpen".

Das Funktionsprinzip der Wärmepumpe ist identisch dem eines Kühlschrankes. Diese unterscheiden sich im wesentlichen nur durch das heizen und kühlen. Während man den Lebensmitteln über den Verdampfer Wärme entzieht um diese zu kühlen, wird über den Verflüssiger an der Rückseite des Kühlschrankes Wärme abgegeben. Bei der Wärmepumpe hingegen wird über den Verdampfer die Wärme aus der Umwelt (Wasser, Erdreich, Außenluft oder Abluft) entzogen und über den Verflüssiger dem Heizsystem zugeführt. Die Wärmepumpe ist mit angepassten Komponenten und mit mehr Sicherheitseinrichtungen sowie einer intelligenten, witterungsgeführten Regelung ausgestattet.

Was versteht man unter einem Kreisprozess?

Als Kreisprozess bezeichnet man den thermodynamischen Kreislauf der Wärmepumpe. Ein Arbeitsmedium (nachfolgend Kältemittel genannt) durchläuft in einem Kreislauf verschiedene Aggregatszustände. Das Kältemittel wird nacheinander verdampft, verdichtet, verflüssigt und entspannt.


Dem Wärmequellenmedium Sole, Wasser oder Luft wird auf einem niedrigen Temperaturniveau mit Hilfe eines Wärmeaustauschers (Verdampfer) Wärme entzogen. Diese Wärme wird zusammen mit der vom Verdichter aufgenommenen Energie (Strom) auf ein höheres Temperaturniveau "gepumpt" und über den Verflüssiger an das Heizungswasser abgegeben. Damit dieser Kreislauf funktioniert, arbeitet die Wärmepumpe mit einem Kältemittel, auch Arbeitsmedium genannt. Durch die Verdampfung des Kältemittels wird Wärme aus der Umgebung entzogen und anschließend mit Hilfe des Kompressors verdichtet und die Temperatur erhöht. Bei der Nutzung der Wärme wird das Gas verflüssigt und die Energie an das Heizungswasser übertragen. Um das Kältemittel von dem Verflüssigungs- auf den Verdampfungsdruck zu entspannen ist ein Drosselorgan (Expansionsventil) notwendig.

Auch wenn man der Meinung ist, Luft mit -20°C hat nicht viel Energie, muss berücksichtigt werden, dass der absolute Nullpunkt bei -273°C liegt.
Somit ist nur die Energie erforderlich, um auf +35°C zu kommen, also nur 55°C Differenz. Deshalb ist es auch wichtig, dass man eine Flächenheizung einsetzt, damit die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmenutzung (Heizung) und damit die aufzuwendende elektrische Arbeit.

Welche Wärmequellen kann ich nutzen?

Im Großen und Ganzen unterscheidet man folgende Wärmequellen:

» Außenluft
» Erdreich (Erdkollektor- oder Erdsondenanlage)
» Wasser (Grund- oder Oberflächenwasser)

Des weiteren können Sie auch die Abluft Ihrer Wohnungslüftungsanlage mit einer Wärmepumpe (Abluftwärmepumpe) nutzen. Da der Energiegehalt der Abluft in Abhängigkeit vom Volumenstrom Ihrer Lüftungsanlage begrenzt ist, eignet sich diese Art von Wärmepumpe jedoch nur für Wohnhäuser mit guter Wärmedämmung.

Bei der Wahl Ihrer Wärmepumpe ist die Auswahl der Wärmequelle entscheidend. Mit Hilfe der folgenden Punkte erhalten sie einen Überblick über die jeweilige Wärmequellen.

Außenluft (Luft/Wasser-Wärmepumpe)

• große Temperaturschwankungen über das Jahr (-18°C bis +30°C)
• Heizleistung bei tiefster Außentemperatur am geringsten
• Leistungszahl bei niedriger Außentemperatur am kleinsten
• Abtauen des Verdampfers bei Außentemperaturen von -10°C bis +7°C
• kleinere Jahresarbeitszahl im Vergleich zu Sole/Wasser- und Wasser/Wasser-Wärmepumpen
• einfache Installation der Wärmepumpe ohne Erdarbeiten
• keine Anforderungen an die Größe des Grundstücks
• keine behördlichen Genehmigungen erforderlich

Erdreich (Sole/Wasser-Wärmepumpe)

• geringe Temperaturschwankungen über das Jahr (Soletemperatur zwischen -5°C und +5°C)
• Heizleistung über das Jahr nahezu konstant
• Leistungszahl über die Außentemperaturen nahezu konstant
• kein Abtauen des Verdampfers erforderlich
• hohe Jahresarbeitszahl
• Erdarbeiten bei der Installation der Wärmepumpe notwendig
• Erdreichkollektor erfordert großes Grundstück (1,5 bis 2,5-fache der beheizten Fläche)
• Erdwärmesonde anzeige- bzw. genehmigungspflichtig

Grundwasser (Wasser/Wasser-Wärmepumpe)

• geringe Temperaturschwankungen über das Jahr (Wassertemperatur zwischen 7°C und 12°C)
• Heizleistung über das Jahr nahezu konstant
• Leistungszahl über die Außentemperaturen nahezu konstant
• kein Abtauen des Verdampfers erforderlich
• hohe Jahresarbeitszahl
• Nutzung des Grundwassers erfordert einen Saug- sowie Schluckbrunnen
• Grundwassernutzung ist genehmigungspflichtig (im Allgemeinen bei dem Wasserwirtschaftsamt)
  

Welche Betriebsweise sind mit einer Wärmepumpe möglich?
 

monovalent

Hier ist die Wärmepumpe alleiniger Heizwärmeerzeuger im Gebäude. Diese Betriebsart ist geeignet für alle Niedertemperaturheizungen bis maximal 60°C Vorlauftemperaturen.

monoenergetisch

Bei dieser Betriebsart wird die Elektrowärmepumpe durch eine elektrische Zusatzheizung unterstützt. Dies ist vor allem bei Luft/Wasser-Wärmepumpen notwendig, um bei tieferen Außentemperaturen genügend Heizleistung zur Verfügung zu stellen.

bivalent-alternativ

Die Wärmepumpe liefert bis zu einer festgelegten Außentemperatur (z.B. 0°C) die gesamt Heizwärme. Sinkt die Temperatur unter diesen Wert, schaltet sich die Wärmepumpe ab und der zweite Wärmeerzeuger übernimmt die Heizung.

bivalent-parallel

Bis zu einer bestimmten Außentemperatur erzeugt allein die Wärmepumpe die notwendige Wärme. Bei niedrigeren Temperaturen schaltet sich der zweite Wärmeerzeuger zu. Im Gegensatz zum bivalent-alternativen Betrieb ist der Anteil der Wärmepumpe an der Jahresleistung deutlich größer.
 

Eignet sich die Wärmepumpe auch zur Heizungssanierung?
 

Bei der Sanierung ist die maximale Vorlauftemperatur besonders wichtig.
Häufig wurden nachträgliche Maßnahmen zum Wärmeschutz bereits durchgeführt, so dass die installierten Heizflächen mit niedrigeren maximalen Vorlauftemperaturen betrieben werden können.
Besonders unkompliziert ist der nachträgliche Einbau einer Luft/Wasser-Wärmepumpe, z.B. als Außenaufstellung.

[Außenaufstellung Luft/Wasser-Wärmepumpe]

Ein paar Tipps zur Heizungssanierung:

Unveränderte Heizflächen können mit reduzierter Vorlauftemperatur betrieben werden, wenn der Heizwärmebedarf durch verschiedene Maßnahmen vermindert wird:

• Haus wurde nachträglich wärmegedämmt
• neue Fenster wurden eingebaut
• die Rohrleitungen der Heizung wurden wärmegedämmt

Wurden die alten Rippengussradiatoren gegen neue (oft zweireihige) Radiatoren ausgetauscht, sinkt die Vorlauftemperatur aufgrund der höheren Wärmeübertragungsfläche und der Einsatz einer Wärmepumpe wird begünstigt.

Sind Wärmepumpen ökologisch sinnvoll?

Derzeit werden 95% der Heizwärme durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe bereitgestellt. Mit dem Einsatz einer Wärmepumpe können Sie direkt zur Reduzierung des eingesetzten Primärenergiebedarfs durch die effiziente Nutzung von Umweltwärme beitragen.

Primärenergieeinsatz für 1 kWh Heizwärme:

Gleichzeitig trägt Ihre Wärmepumpe zur Verminderung des CO2 - Ausstoßes und damit zur Reduktion des Treibhauseffektes bei.

CO2-Emission für 1 kWh Heizwärme:

Primärenergieeinsatz und CO2-Emissionen für 1kWh Heizwärme
[Dr. Ing. Kai Schiefelbein; "Neue Entwicklungen bei Luft/Wasser-Heizungswärmepumpen" KI Ausgabe 9/2000]

Welche Potentiale bieten Wärmepumpen?

Der Primärenergieaufwand zur Stromerzeugung in Deutschland ergibt sich heute aus dem Faktor 3. Eine Stromproduktion mit Gas-Kombikraftwerken ist heute sogar mit dem Faktor 2 möglich. Bei Einsatz von regenerativ erzeugtem Strom durch Wasserkraft, Windkraft oder Photovoltaik reduziert sich der Primärenergieanteil drastisch. Eine Verbesserung der Kraftwerke kommt automatisch der Primärenergiebilanz der Wärmepumpe zugute.



Vergleich des Energieflusses von Wärmepumpe und Brennstoffheizung.

Neben generellen Verbesserungen in der Haustechnik, die insbesondere durch einen verbesserten Wärmeschutz zu einer niedrigeren Heizlast führen, können beispielsweise Flächeheizungen die maximale Vorlauftemperatur niedrig halten, so dass die Wärmepumpe deutlich bessere Leistungszahlen erzielt. Die Wirkungsgradverbesserung (Brennwert) bei Gasheizungen ist hier nur marginal möglich.

Entwicklungen bei der Wärmepumpentechnologie sind in Bezug auf den Carnot-Prozess (Kreisprozess der Wärmepumpe) noch möglich, da neue Verfahren im Kreisprozess die Effizienz verbessern können und Komponentenlieferanten bei höheren Stückzahlen deutlich mehr Entwicklungspotential für einzelne Bauteile aufwenden können. Bei Gasbrennwertgeräten wird der Heizwert überschritten (>100%) und tendiert zum Brennwert, der ca. 7% höher als der Heizwert liegt. Dies ist möglich, da die im Heizwert nicht berücksichtigte Latentwärme des Wasseranteils durch niedrigere Abgastemperaturen genutzt wird.