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.
Wofür werden CO2-Wärmepumpen eingesetzt?
27.02.2018Harald Henikl
CO2-Wärmepumpen bestechen vor allem durch die Umweltverträglichkeit des eingesetzten Kältemittels, durch eine hohe Effizienz und durch hohe Vorlauftemperaturen. Gleichzeitig sparen sie im Betrieb elektrische Energie, da kein Antrieb für den Kältemittelkreislauf benötigt wird. Speziell in Übergangszeiten wie Frühling und Herbst, wenn der Wärmebedarf zurück geht, moduliert der Kompressor runter und durch höhere Verdampfungstemperaturen wird ein gewisser Anteil Gratisenergie erzeugt.
Trotz all dieser Vorteile werden CO2-Wärmepumpen vornehmlich im Bereich Warmwasserbereitung und in Industrieanwendungen genutzt. Der Grund dafür ist, dass hohe Druckverhältnisse geschaffen werden müssen und dadurch die Investitionskosten für die Anlage steigen. Gleichzeitig ist für den Einsatz von CO2 eine große Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauf auf der Abnehmerseite erforderlich, was hauptsächlich bei der Warmwasserbereitung der Fall ist. Da CO2-Wärmepumpen Systeme außerdem sehr komplex sind, ist die Installation fehleranfällig.
Egbert Tippelt
Zu CO2-Wärmepumpen ist allgemein zu sagen, dass sie im Wohnsektor fast ausschließlich für die Warmwasserbereitung und ansonsten eher bei Industrieanwendungen eingesetzt werden. Für ein normales Wohnobjekt kommt eine CO2-Wärmepumpe meistens nicht in Frage, da diese nur dann effizient arbeitet, wenn eine hohe Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauftemperatur (Delta T) realisiert wird – so wie es beispielsweise bei der Brauchwasserbereitung ist. Für die herkömmliche Beheizung von Wohnräumen ist das Delta T allerdings zu klein und damit der Betrieb einer CO2-Wärmepumpe unwirtschaftlich. Desweiteren muss der Kreisprozess auf Grund der kältetechnischen Eigenschaften von CO2 für den Heizfall unter einem sehr hohen Druckniveau ablaufen. Man erreicht daher eher schlechte COP Werte.
Sven Kersten
CO2 als Kältemittel wird mittlerweile in einigen Wärmepumpen eingesetzt. Es ist ein sehr umweltfreundliches Kältemittel, welches im Kompressor mit einem etwas höheren Druck komprimiert wird und die Wärmepumpe kann deshalb höhere Temperaturen erzeugen. In sogenannten Hochtemperaturen wird CO2 als Kältemittel eingesetzt.
Bei der CO2-Sonde oder auch Heatpipe wird als Kältemittel das umweltfreundliche CO2 genutzt. In einer Bohrung wird ein Kunststoffrohr eingebracht, welches im oberen Teil an einen Wärmetauscher aus Kupfer angeschlossen wird. Das Kältemittel erwärmt sich in dem Rohr, und wechselt unter Energieaufnahme seinen Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig. Am oberen Wärmetauscher wird die Wärme an das Heizsystem abgeben. Dabei kühlt sich das CO2 stark ab und verflüssigt sich wieder. Durch das Kunststoffrohr gelangt es dann wieder nach unten, wo es erneut Wärme aus dem Erdreich aufnimmt und gasförmig wieder aufsteigt. Bei der CO2-Sonde wird keine Solepumpe benötigt.