Wie funktioniert die Wärmepumpe?
Wärmepumpen schonen das Klima, denn sie beziehen je nach Konfiguration rund dreiviertel der Energie zum Heizen aus der Umwelt. Die gängigsten Wärmequellen sind Luft, Erdreich und Grundwasser. Um die kostenlose Umweltwärme nutzbar zu machen, benötigen Wärmepumpen lediglich einen kleinen Anteil Strom für Antrieb und Pumpe. Technik, rechtliche Vorgaben und Kosten unterscheiden sich danach, ob die Energie der Luft, Erde oder dem Wasser entzogen wird.
Wärmepumpe: Umgekehrtes Prinzip eines Kühlschranks
Wenn es draußen richtig kalt wird, ist es nur eine Frage der Zeit, bis man auch drinnen friert. Denn Wärme bewegt sich immer entlang eines Temperaturgefälles, vom Wärmeren zum Kälteren. Diesem scheinbar unumgänglichen Naturgesetz schlägt die Wärmepumpe ein Schnippchen. Mit ihr ist es möglich, Wärme entgegen dem Temperaturgefälle zu verschieben, also vom Kalten ins Wärmere. Wie das geht? Die Funktionsweise einer Wärmepumpe ist im Prinzip identisch mit der eines altbekannten Alltagsgerätes: dem Kühlschrank. Während der Kühlschrank allerdings seinem Innenraum die Wärme entzieht und nach draußen abgibt, entzieht die Wärmepumpe dem Außenbereich die Wärme und gibt sie als Heizenergie an das Haus ab. Die Wärmepumpe macht sich dafür ein physikalisches Prinzip, den so genannten Joule-Thomson-Effekt zunutze. Neben der Heizfunktion vermag es die Wärmepumpe in Verbindung mit einer Flächenheizung aber auch Gebäude zu kühlen und daher ist sie der Joker für die Wärmewende.
Sonstige
Wärmepumpe: Geniale Technik - einfach erklärt!
Eine Wärmepumpen-Heizungsanlage besteht aus drei Teilen: der Wärmequellenanlage, die der Umgebung der benötigte Energie entzieht; der eigentlichen Wärmepumpe, die die gewonnene Umweltwärme nutzbar macht; sowie dem Wärmeverteil- und Speichersystem, das die Wärmeenergie im Haus verteilt oder zwischenspeichert. Der technische Prozess läuft dabei in drei Schritten ab.
Historie der Wärmepumpe
Die Entwicklung der Wärmepumpentechnologie geht bis ins 19. Jahrhundert zurück: Der Franzose Nicolas Carnot veröffentlichte 1824 erste Grundsätze zum Wärmepumpenprinzip. Gut 100 Jahre später gingen in Zürich die ersten größeren Wärmepumpenanlagen zur Beheizung von Gebäuden in Betrieb. Im Jahr 1969 schloss Klemens Oskar Waterkotte die erste Erdwärmepumpe in Deutschland an. Seitdem haben sich Wärmepumpen zur Raumheizung und für die Warmwasserbereitung zu einer ebenso zuverlässigen wie umweltfreundlichen Heizungsvariante entwickelt. Dank der jahrelangen Erfahrungen wird die Technologie zudem durch Innovationen ständig weiter entwickelt.
Schritt 1: Gewinnung
In der Wärmequellenanlage zirkuliert eine Flüssigkeit, häufig eine Sole, d.h. Wasser, das mit Frostschutzmittel versetzt ist. Die Flüssigkeit nimmt die Umweltwärme, z.B. aus dem Erdreich oder dem Grundwasser, auf und transportiert diese zur Wärmepumpe. Eine Ausnahme bilden Luft-Wärmepumpen. Diese saugen über einen Ventilator die Außenluft an, die der Wärmepumpe die Umgebungswärme zuführt.
Schritt 2: Nutzbarmachung
In der Wärmepumpe befindet sich ein weiterer Kreislauf, in dem ein so genanntes Kältemittel zirkuliert. In einem Wärmetauscher, dem Verdampfer, wird die Umweltenergie von dem ersten Kreislauf auf das Kältemittel übertragen, das dadurch verdampft. Bei Luftwärmepumpen erhitzt die Außenluft das Kältemittel. Der Kältemitteldampf wird nun zu einem Verdichter/Kompressor weitergeleitet. Dadurch hebt sich das Temperaturniveau des gasförmigen Kältemittels, es wird also heißer. In einem weiteren Wärmetauscher, dem so genannten Verflüssiger, wird das unter hohem Druck stehende, heiße Kältemittelgas nun kondensiert, wobei es seine Wärme wieder abgibt. Anschließend wird das verflüssigte Kältemittel zu einer Drossel, in der der Druck des Kältemittels wieder verringert wird, geleitet. Das nun flüssige, entspannte Kältemittel wird schließlich zum Verdampfer zurückgeführt.
Schritt 3: Beheizung
In dem zu beheizenden Gebäude befindet sich nun das Wärmeverteil- und Speichersystem. Darin zirkuliert als Heizmedium in der Regel Wasser. Dieses Wasser nimmt die Wärme, die das Kältemittel im Verflüssiger abgibt, auf und leitet dieses entweder zu einem Verteilersystem, wie z.B. Flächenheizungen oder Heizkörpern, oder zu einem Heizungspuffer- bzw. Warmwasserspeicher.
„Hinweis: Bei niedriger Vor- und Rücklauftemperatur und einer daraus resultierenden angemessenen Temperaturspreizung kann die Wärmepumpe besonders energieeffizient, d.h. mit möglichst hoher Jahresarbeitszahl (JAZ) arbeiten. Insbesondere Niedertemperaturheizungen arbeiten daher ideal in Verbindung mit einer Wärmepumpe, da sie die Wärme auf wirtschaftliche Art und Weise zur Verfügung stellen und dadurch niedrige Vorlauftemperaturen zwischen 30 und 35 °C nutzen. Zudem kann in Verbindung mit dem Flächenheizsystem auch gekühlt werden (siehe „Kühlen mit der Wärmepumpe“). Erkundigen Sie sich hier über innovative Flächenheiz- und –kühlsysteme. Zudem hängen mit der JAZ auch die Fördermöglichkeiten für Ihre Wärmepumpe zusammen, d.h. je besser die JAZ ausfällt, desto wahrscheinlicher ist eine Förderung. Nutzen Sie gerne für weitere Informationen zu Ihrem Wärmepumpenprojekt den Förderrechner des BWP.“
Buchempfehlung
- Dipl.-Ing. (FH) Hans-Jürgen Seifert erstellt als zertifizierter Sachverständiger Privat- und Gerichtsgutachten für Wärmepumpenanlagen. Er ist EU-zertifizierter Wärmepumpeninstallateur und Mitglied im Beirat Handwerk des Bundesverbands Wärmepumpe sowie Mitglied im Bundesverband Geothermie.
2. Ratgeber Wärmepumpe. Klimaschonend, effizient, unabhängig (2023)
- Frank-Michael Baumann ist promovierter Physiker und hat über viele Jahre hinweg die EnergieAgenturNRW geleitet. Er ist Mitglied im Vorstand des Bundesverbands Wärmepumpe e.V. und war lange Jahre Mitglied im VDI-Fachausschuss Regenerative Energien.
3. Wärmepumpen. Heizen - Kühlen - Umweltenergie nutzen (2013)
- Dr.-Ing. Marek Miara arbeitet als Forscher am Fraunhofer-Institut für Solarenergiesysteme ISE seit über 15 Jahren Jahren. Sein Schwerpunkt liegt u.a. auf der Ermittlung und Bewertung der Effizienz von Wärmepumpensystemen und Gebäuden mit geringem Energieverbrauch.
Lohnt sich für mich als (potenzieller) Wärmepumpen-Besitzer die Installation einer Photovoltaikanlage?
24.02.2021Egbert Tippelt
Für Heizungswärmepumpenbesitzer lohnt sich die Investition in eine PV-Anlage bei der derzeitigen Energiepreisentwicklung zunehmend. Wenn Sie sich für die Installation einer Solaranlage entscheiden, sparen Sie einen guten Teil der Strombezugskosten für den Betrieb der Wärmepumpe und verbessern ihre Umweltbilanz maßgeblich, da der selbst erzeugte Sonnenstrom keine CO2-Emissionen verursacht. In Kombination mit ausreichenden Pufferspeichern lässt sich der Stromverbrauch zudem so verlagern, dass er sich optimal mit der Stromerzeugung deckt – das erhöht den lukrativen Eigenverbrauch.
Dabei eignet sich die Kombination mit einer Photovoltaikanlage insbesondere für die Warmwasserbereitung, denn hier wird der Sonnenstrom doppelt effizient in Wärmeenergie umgewandelt. Dies gilt für Heizungswärmepumpen ebenso wie für spezielle Brauchwasser-Wärmepumpen.
Generell sollten Sie sich vor der Investition von einem Fachbetrieb beraten lassen und die Kosten der Photovoltaikanlage den Wärmepumpenstrompreisen und den aktuellen Vergütungen gegenüberstellen.
Sven Kersten
In Nordrhein-Westfalen sind 2012 12.000 Wärmepumpen neu installiert worden, sodass mittlerweile über 100.000 Gebäude in NRW mit Wärmepumpen beheizt werden. Bundesweit sind es 500.000. Neben der Nutzung der Erdwärme mithilfe von Sonden oder Flächenkollektoren, haben sich in letzter Zeit Luft-Wasser-Wärmepumpen in der Heizungssanierung durchgesetzt. Diese können aus einem Teil Strom bis zu drei Teile Wärme produzieren und lassen sich einfach in das vorhandene Heizsystem einbinden. Wird dann noch eine Photovoltaikanlage installiert, können zwischen 30 bis 50 % des benötigten Stroms für den Betrieb der Wärmepumpe selber produziert und direkt verbraucht werden. Ein multifunktionaler Wechselrichter steuert die Wärmepumpe in Abhängigkeit zum momentanem Solarertrag aus der Photovoltaikanlage und kann auch einen Batteriespeicher einbinden.
Arno Pöhlmann
Diese Frage kann eindeutig mit "ja" beantwortet werden. Strom für Wärmepumpen kostet heute je nach Versorger zwischen 18 und 22 Ct/kWh. Strom aus der PV-Eigenerzeugung jedoch weniger als 10 Ct/kWh. Dabei habe ich Gestehungskosten der PV-Anlage von etwa 1400€/kWpeak, 2,5% Zinssatz bei der Bank und eine 20-jährige Benutzungsdauer zugrunde gelegt.
Allerdings muss darauf geachtet werden, dass eine PV-Anlage nach heutigem Recht nur entweder auf den Haushaltzähler oder auf den Wärmepumpenzähler geschaltet werden darf. Deswegen ist es aus Gründen der wirtschaftlichsten Fahrweise eventuell doch sinnvoller, die PV-Anlage mit dem Haushalt zu verknüpfen: Haushaltstrom kostet im Durchschnitt etwa 25 Ct/kWh. Abzüglich der Kosten für die PV-Eigenerzeugung bleiben 15 Ct/kWh, die man einsparen kann. Wärmepumpen-Strom kostet ca. 20 Ct/kWh. Minus Kosten Eigenstromerzeugung bleibt ein Vorteil von 10 Ct/kWh.
Eine Wärmepumpe und den Haushalt quasi als eine Anlage mit nur einem Zähler zu betreiben, gestatten die allermeisten Netzbetreiber und Vertriebe wegen der unterschiedlichen Lastprofile für Haushalt- und Wärmestrom nicht. Zudem würden damit die bei den meisten Netzbetreibern anzutreffenden vergünstige Netznutzungsentgelte (im Durchschnitt ca. 1,5Ct/kWh gegenüber etwa 5-6 Ct/kWh für Haushaltstrom) verloren gehen.
Eine Lösung könnte sein, eine PV-Anlage auf dem Dach in 2 kleinere Anlagen aufzuteilen; eine für den Haushalt und eine für die Wärmepumpe. Hier muss man jedoch individuell überlegen, wie die größte Eigenverbrauchsnutzung erreicht wird.
Bei Passivhäusern mit einem sehr niedrigen Strombedarf für die Heizung und einer Wärmepumpen-Anschlussleistung von kleiner als 2 kW steht die Überlegung an, Haushalt und Wärmepumpe über eine gemeinsame Messeinrichtung zu betreiben. Ob dies wirtschaftlich ist, muss über eine Rechnung mit den beim jeweiligen Versorger geltenden Preisen ermittelt werden.
Eine weitere - aber von den Verteilnetzbetreibern wahrscheinlich weniger gerne gewünschte - Variante wäre die Installation eines allpoligen Umschalters, mit dem die PV-Anlage entweder fest dem Haushaltsstromkreis oder andererseits dem WP-Stromkreis zugeordnet würde. Das bedeutet aber, dass Haushalt und WP-Zähler als 2-Richtungszähler ausgelegt werden müssten. Der Verteilnetzbetreiber müsste dann bei der Abrechnung der Einspeisevergütung die Einspeisung beider Zähler addieren.
Wir stehen am Beginn der Energiewende. Modelle zur sinnvollen Nutzung von eigen erzeugtem Strom werden sich wohl in den nächsten Jahren zügig entwickeln.