Was ist eine Wärmepumpe?
Eine Wärmepumpe ist eine Heizung, die einem in der Regel kälteren Medium, das heißt ihrer natürlichen Umgebung, etwa der Luft, dem Erdreich oder dem Grundwasser Wärme entzieht, diese dann auf ein höheres Temperaturniveau hebt und sie für die Erzeugung von Energie für Heizzwecke nutzbar macht. Sie nutzt somit erneuerbare Energien und zieht für ihren Betrieb eine zweite Energiequelle (Strom oder Gas) heran. Die Wärme wird im Anschluss an das Heizsystem, zum Beispiel eine Zentralheizung, übertragen.
Diese Funktionsweise ist auch umgekehrt möglich, deshalb dient hierfür als Beispiel oft der Kühlschrank. Dabei wird Energie in Form von Wärme aus dem Innenraum des Kühlschranks aufgenommen, heruntergekühlt und als Abwärme und Antriebsenergie an die Umgebung abgegeben.
Der Einsatz einer Wärmepumpe ist für die Beheizung von Gebäuden oder anderen Einrichtungen auf Dauer kostengünstig und vor allem emissionsarm, denn sie greift zu rund drei Viertel auf kostenlose Wärmequellen aus der Umgebung zurück und lediglich zu einem Viertel auf Antriebsenergie. Die entstehenden Betriebs- und Verbrauchskosten sind ebenfalls sehr gering.
Auch die Notwendigkeit eines Schornsteins entfällt. Lediglich die anfänglich anfallenden Investitionen in Wärmepumpenanlagen sind höher als die für herkömmliche Kessel, in denen Gas oder Öl verwendet wird. Durch ihre effiziente Funktionsweise amortisieren sich diese jedoch schnell.
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Wie funktioniert eine Wärmepumpe?
Wärmepumpenanlagen werden für gewöhnlich mit Kühlmitteln (Gasen oder Flüssigkeiten) betrieben, die unter niedrigem Druck sowie unter der Zufuhr von Wärme verdampfen. Nach der Verdichtung durch einen höheren Druck kondensieren die genutzten Fluide dann wieder. Die Wärme, die im Rahmen dieses Prozesses abgegeben wird, steht so als Nutzenergie beziehungsweise Nutzwärme zur Verfügung. Die Pumpen können hierbei auf Außenluft, Abluft, Grundwasser, Oberflächenwasser, Erdwärme, Abwasser (Abwasserwärmerückgewinnung) und Abwärme von industriellen Anlagen zurückgreifen.
Kältekreisprozess
Der sogenannte Kältekreisprozess ist bei allen Bauformen von Wärmepumpenanlagen gleich, egal welche Wärmequelle (Luft, Wasser, Umgebung etc.) herangezogen wird. Er besteht aus vier Schritten:
1. Verdampfen
Im Verdampfer wird dem flüssigen Kältemittel Energie in Form von Wärme hinzugefügt, bis dieses schließlich in den gasförmigen Zustand übergeht, respektive verdampft.
2. Verdichten
Der Druck auf das Gas wird erhöht, es wird im Kompressor verdichtet. Dabei steigt die Temperatur weiter an.
3. Verflüssigen
Durch Kondensation wird der Wasserdampf wieder in den flüssigen Aggregatzustand überführt. Bedingt durch den Energieerhaltungssatz geht zuvor im Prozess hinzugefügte Energie dabei nicht verloren und wird wieder freigesetzt. Das Kältemittel wird wieder flüssig.
4. Entspannen
Auch der zuvor erhöhte Druck wird nun langsam durch ein Expansionsventil wieder abgesenkt, was zu niedrigeren Temperaturen führt. Auf dem ursprünglichen Druckniveau angelangt, wird das Fluid zurück in den Verdampfer geleitet.
Dieser Ablauf wird kontinuierlich im geschlossenen Kreislauf der Pumpe wiederholt. Mithilfe eines Kältemittels wird der Wärmetransport realisiert, da dieses bereits bei sehr niedrigen Temperaturen verdampft. Dadurch können auch negative Temperaturen aus Luft oder Erdreich genutzt werden, um sie mittels hohem Druck auf eine Temperatur von bis zu 100 Grad Celsius zu erhöhen. Danach wird der Dampf des Kühlmittels kondensiert, wobei er Wärme an das Heizsystem abgibt, das diese zum Heizen nutzbar macht. Anschließend wird der Druck des Kühlmittels stark abgesenkt und der Prozess kann von Neuem beginnen.
Luft-Wasser-Wärmepumpe
Luft-Wasser-Wärmepumpen können der Umgebungsluft auch bei Temperaturen von bis zu minus 20 Grad Celsius Wärme entziehen. Bei dieser Bauform wird Umgebungsluft mit Hilfe eines Ventilators angesaugt und an einen Wärmetauscher (Verdampfer) weitergegeben.
In diesem zirkuliert ein Kühlmittel, das bereits bei sehr niedrigen Temperaturen verdampft. Das ermöglicht die Nutzung der geringen Umgebungstemperatur, denn es erwärmt sich, sobald es mit der wärmeren Umgebungsluft in Berührung kommt.
Im weiteren Prozess der stetigen Erwärmung beginnt es, zu verdampfen. Der entstandene Dampf wird in einen Verdichter geleitet, der wiederum den Druck des Gases erhöht, sodass dessen Temperatur ansteigt. Mit Erreichen des entsprechenden Temperaturniveaus strömt es nun zum Verflüssiger weiter.
Dieser fungiert als weiterer Wärmeüberträger, leitet die Wärme an das Heizsystem weiter und kondensiert. Ein Expansionsventil senkt Druck und Temperatur des Kältemittels auf das Ausgangsniveau und der Vorgang startet erneut.
Vorteile:
- effizient und platzsparend
- niedrige Wartungskosten
- geringe Betriebskosten
- umweltschonend, besonders mit Ökostrom
- kombinierbar mit Photovoltaikanlage
- Einsparung von Heizkosten
- förderbar durch KfW oder BAFA
Nachteile:
- verhältnismäßig hohe Anschaffungskosten
- Effizienz abhängig von Außentemperatur
Wasser-Wasser-Wärmepumpe
Wasser-Wasser-Wärmepumpen (oder Grundwasserwärmepumpen) gelten als die effizientesten Pumpen zum Heizen oder zur Warmwasseraufbereitung. Sie beziehen die thermische Energie mithilfe zweier Brunnen aus Grundwasserreservoirs. Diese haben den Vorteil, dass ihre Temperaturen das ganze Jahr über weitgehend konstant sind. Das ermöglicht eine hohe Heizleistung egal zu welcher Jahreszeit.
Das Heizprinzip ist dem der Luft-Wasser-Wärmepumpe sehr ähnlich. Es unterscheidet sich lediglich darin, dass es thermische Energie aus dem Grundwasser bezieht und sich einige wenige bauliche Komponenten unterscheiden. Diese Bauart von Pumpen arbeitet mit zwei Brunnen – einem sogenannten Saugbrunnen und dem Schluckbrunnen. Der Saugbrunnen dient der Wärmeentnahme und der Schluckbrunnen bringt das gekühlte, genutzte Wasser zurück ins Erdreich. Die Leistung ergibt sich dabei aus der zur Verfügung stehenden Wassermenge.
Vorteile:
- hohe Effizienz
- sehr wartungsarm
- geringer Platzbedarf
- überschaubare Betriebskosten
- förderbar durch KfW oder BAFA
- konstante Wärmeübertragung
Nachteile:
- hohe Anschaffungskosten
- nicht in Wasserschutzgebieten möglich
- verhältnismäßig hoher Planungsaufwand
- Abhängigkeit vom Grundwasserspiegel
Absorptionswärmepumpe
Eine weitere Bauform ist die Absorptionswärmepumpe, beziehungsweise ihre Variante, die Adsorptionswärmepumpe. Sie benötigt keinen mechanischen Antrieb, die Verdichtung des Fluides wird auf thermischem Wege durchgeführt. Das hat den Vorteil, dass so auch Abwärme für diesen Prozess genutzt werden kann.
Kompressionswärmepumpe
Für das Heizen von Gebäuden werden zumindest im unteren Leistungsbereich für gewöhnlich Elektro-Kompressions-Wärmepumpen genutzt. Wie auch bei der Luft-Wasser-Wärmepumpe zirkuliert in ihnen ein Kältemittel in einem Kreislauf, das abwechselnd in die Aggregatzustände flüssig und gasförmig übergeht. In Elektro-Kompressions-Wärmepumpen wird dieses Kühlmittel elektrisch angetrieben.
Gasmotorwärmepumpe
In höheren Leistungsbereichen kommen gelegentlich auch Gasmotorwärmepumpen zum Einsatz, die, wie auch die Elektrowärmepumpen, mit einem mechanischen Kompressor arbeiten. Im Gegensatz zur Elektro-Kompressions-Wärmepumpe wird bei dieser Bauform für den Antrieb des Kompressors jedoch ein Gasmotor verwendet, der dementsprechend Erdgas nutzt. Gaswärmepumpen können sowohl zum Heizen und Kühlen genutzt werden, da beide Funktionen in einem System gekoppelt sind.
Vorteile von Wärmepumpentechnik
Wärmepumpen nutzen erneuerbare Energien, sind umweltschonend und werden deshalb zusehends beliebter. Außerdem haben sie viele weitere Vorteile:
Einsparung von Heizkosten
Wärmepumpenanlagen benötigen wenig Strom und haben deutlich geringere Verlustraten als Öl- oder Gasheizungen. Auf lange Sicht führt das auch bei steigenden Strompreisen zu Einsparungen für den Verbraucher.
Lukrative Fördermittel
Für Um- und Neubauten gibt es verschiedene Förderprogramme der KfW und des BAFA. Diese können als Kredite und Zuschüsse beantragt werden und helfen, die höheren Investitionskosten zu decken.
Niedrige Emissionen
Wärmepumpentechnik ist umweltfreundlich, da sie zum Großteil Energie aus erneuerbaren Energiequellen nutzt. Diese wird aus Luft, Wasser, Erde oder der Umgebung bezogen, während lediglich ein kleiner Teil der Zusatzenergie (Strom) für ihren Betrieb notwendig ist. Das macht sie besonders ökonomisch. Hinzu kommt, dass bei ihrem Betrieb keine Emissionen verursacht werden, da kein Verbrennungsvorgang stattfindet. Lediglich der für den Betrieb notwendige Strom verursacht geringfügige CO2-Emissionen, solange er nicht regenerativ erzeugt wird.
Einsparung der Schornsteinfegerkosten
Da kein Verbrennungsvorgang beim Heizen mit Wärmepumpentechnik stattfindet, entfallen die Kosten führ regelmäßiges Kehren und die jährliche Abgaskontrolle durch den Schornsteinfeger. Während der bestehende Schornstein bei Bestandsbauten nicht mehr notwendig ist, kann bei Neubauten komplett auf seinen Bau verzichtet werden.
Multifunktionalität
Wärmepumpenanlagen können aus technischer Sicht zum Heizen wie auch zum Kühlen verwendet werden. Aufwändige Umbaumaßnahmen sind dazu nicht erforderlich. Während zum Heizen die Temperatur aus der Umwelt erhöht wird, um sie ins Heizsystem einzuspeisen, wird dieser Prozess zum Kühlen einfach umgekehrt. Als Wärmequelle dient in diesem Fall die warme Raumluft, deren Hitze an den jeweiligen Wärmeträger zurückgeführt wird.
Geringer Wartungsaufwand
Fast alle Wärmepumpenvarianten sind nahezu durchwegs wartungsfrei, da die überschaubaren mechanischen Komponenten sehr verschleißfrei arbeiten. Einzig die Luft-Wasser-Wärmepumpe muss regelmäßig auf einen einwandfreien Kältemittelkreislauf überprüft werden und Luft-Luft-Wärmepumpen brauchen ab und an einen Filterwechsel.
Was versteht man unter der Jahresarbeitszahl?
Die Jahresarbeitszahl (JAZ) beschreibt die Leistungsfähigkeit beziehungsweise die Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpen. Sie setzt dafür das Verhältnis von erzeugter Wärme und benötigter Antriebsenergie (Strom) ins Verhältnis. Damit lässt sie Rückschlüsse auf die Effizienz der Heizung zu und wird individuell nach Gebäude und Heizanlage ermittelt. Die Jahresarbeitszahl von 3 bedeutet beispielsweise, dass eine Heizanlage 3 Kilowattstunden (kWh) Wärme bereitstellt und dazu 1kWh Strom verbraucht. Je nach Wärmequelle ist die JAZ unterschiedlich. Faktoren wie Wärmedämmung und Heizverhalten beeinflussen sie.
Die Jahresarbeitszahl berechnet sich nach folgender Formel:
JAZ = abgegebene thermische Energie / zugeführte elektrische Energie
Je höher die Zahl, desto effizienter ist die Pumpe. Auch Stromverbrauch und Heizkosten fallen infolgedessen geringer aus. In der Praxis sind zur Ermittlung beider Werte sowohl ein Wärmemengenzähler als auch ein zusätzlicher Stromzähler notwendig. Die Werte lassen sich zwar mit Simulationsprogrammen schätzen, sind aber nicht ausreichend für die Beantragung staatlicher Förderungen nach Richtlinien der Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG).
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