Wärmepumpe:
Aufbau & Funktion
Wie funktionieren Wärmepumpen?
Grundsätzlich strebt die Natur nach Ausgleich. So auch die Wärme: Wenn es in einem Raum sehr warm ist und die Tür zu einem sehr kalten Raum geöffnet wird, gleicht sich die Temperatur in beiden Räumen nach kurzer Zeit an.
Genauso ist es mit dem Inneren eines Hauses und der Außenwelt. Jedoch kann man technisch dort, wo es schon warm ist, noch mehr Wärme hinziehen. Genau das macht eine Wärmepumpe: Sie „pumpt“ wortwörtlich Wärme nach Innen. Das gelingt auch dann, wenn es draußen kälter ist als drinnen, denn selbst bei Minusgraden ist noch Restwärme vorhanden.
Die Temperatureinheit Celsius gibt nur ein Verhältnis zum Gefrier- und Siedepunkt von Wasser an und nicht die tatsächliche Temperatur mit absolutem Nullpunkt. Der absolute Nullpunkt liegt bei null Kelvin oder -273°C. Alles darüber hat eine gewisse Restwärme. Moderne Wärmepumpen können daher noch bei -20°C Außentemperatur Wärme aus der Luft, aus der Erde und aus dem Grundwasser nach Innen befördern.
Das Prinzip
Das Prinzip einer Wärmepumpe ist wie das eines Kühlschrankes, nur umgekehrt. Dieser soll innen kalt und nicht warm sein. Dafür entzieht er dem Inneren die Restwärme und gibt sie auf der Rückseite an die Umgebungsluft ab. Die Wärmepumpe arbeitet genauso, bloß zieht sie die Wärme nicht von innen nach außen, sondern von außen nach innen.
Als Antrieb der Wärmepumpe wird Strom verwendet und keine fossilen Brennstoffe. Das macht die Wärmepumpe umweltfreundlicher als konventionelle Heizmethoden, umso mehr durch die Energiewende und dem damit verbundenen steigenden Anteil erneuerbarer Energien im deutschen Strommix.
Das Grundprinzip ist ein völlig anderes als bei einer Gas- oder Ölheizung. Die Energie, die eine Wärmepumpe zum Heizen benötigt, kommt zu 75% aus der Restwärme von außen und zu 25% aus dem zugeführten Strom. Es bietet sich an, diesen Stromanteil selbst zu erzeugen, beispielsweise über eine Photovoltaikanlage auf dem eigenen Dach. So kann bereits heute zu 100% C02-Neutral geheizt werden.
Kältekreislauf: Wie funktioniert eine Wärmepumpe?
In der Wärmepumpe zirkuliert ein Kältemittel, das bereits bei -30°C siedet (so wie Wasser bei 100°C). Somit wird es gasförmig. Die zugeführte Wärme aus der Umwelt (Luft, Erde oder Grundwasser) reicht also aus, um es zu verdampfen.
Dieses Gas wird dann so stark komprimiert, dass dabei Wärme entsteht, mit der geheizt werden kann. Das komprimierte Gas wird in einen Kondensator geleitet, indem es seine Wärme an das Heizsystem weitergibt. Somit kühlt es ab und verliert am Expansionsventil an Druck. Wenn der Druck wie ursprünglich und das Gas wieder flüssig ist, kann es den Kreislauf auch erneut durchlaufen.
Der Aufbau
Eine Wärmepumpen-Heizungsanlage besteht aus drei Teilen: der Wärmequellenanlage, die der Umgebung die 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.
Am Kondensator wird die Energie an das Wärmeverteilsystem weitergeleitet. Das können alle gängigen Varianten sein, also z.B. die bestehenden Heizkörper einer Gasheizung. Auch bestehende Fußbodenheizungen können mit der Wärme gespeist werden.
Verschiedene Wärmequellen, verschiedene Wärmepumpen
Es gibt drei Wärmequellen auf die jeweils unterschiedlichen Wärmepumpen zurückgreifen: Luft, Erde und Grundwasser. Wir erklären wo die Unterschiede liegen.
Luftwärmepumpe
Es gibt zwei Möglichkeiten Heizenergie aus der Außenluft zu gewinnen.
Beim klassischen Heizen mit einem Wasserkreislauf in den Heizkörpern, wird durch einen Ventilator Außenluft angesaugt und an einen Verdampfer geleitet. Dort wird die Wärme vom Kältemittel aufgenommen und die Luft wieder nach außen geführt.
Die andere Möglichkeit besteht darin, direkt mit der Luft zu heizen und diese in die Räume zu leiten. Dabei gibt es eine stetige Frischluftzufuhr, die die Wärme der eigenen Abluft (Luft, die wieder aus dem Haus rausgepumpt wird) aufnimmt bevor sie in das Haus gelangt. So wird stetig sehr effizient „gelüftet“. Sie haben frische Luft im Haus und verlieren dabei keine Wärme durch ein offenes Fenster.
Erdwärmepumpe
Um Wärme aus dem Erdreich zu ziehen, gibt es zwei verschiede Ansätze: Erdkollektoren und Erdsonden.
Erdkollektoren werden oberflächennah und breitflächig vergraben. Meist in Schleifen gezogene Rohre leiten von dort die Erdwärme, die von einer frostsicheren, zirkulierenden Flüssigkeit aufgenommen wird, an einen Verdampfer weiter. Dann wird sie vom Kältemittel aufgenommen.
Erdsonden werden tief ins Erdreich eingelassen. Sie sind platzsparender als die Kollektoren, bedürfen jedoch einer Bohrung. Eine frostsichere, zirkulierende Flüssigkeit in der Sonde nimmt die Erdwärme auf und leitet sie ebenfalls am Verdampfer an das Kältemittel weiter.
Wasserwärmepumpe
Da das Grundwasser das ganze Jahr über eine konstante Temperatur von ca. 10 °C hat, ist diese Wärmequelle die effizienteste.
Um Wärme aus dem Grundwasser zu ziehen, werden zwei Brunnen gebohrt. Durch den einen wird Grundwasser angesaugt (wie bei einer Gartenpumpe) und am Verdampfer entlanggeführt. Dort gibt es die Wärme an das Kältemittel ab und wird dann durch den zweiten Brunnen wieder ins Erdreich zurückgeführt.
Kennzahlen in der Welt der Wärmepumpen
COP (Coefficient of Performance): Effizienz der im Gerät integrierten Aggregate
COP-Werte werden von unabhängigen, akkreditierten Prüfstellen nach DIN EN 255 ermittelt und haben sich international als Qualitätskriterium für Wärmepumpen durchgesetzt. Desto höher der Wert, desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe. Gute Werte sind größer als 3,5.
JAZ (Jahresarbeitszahl): Heizleistung im Verhältniss zum aufgewanden Strom
Kennwert für das Verhältnis zwischen der abgegebenen Leistung an das Heiz- und Warmwassersystem und der aufgenommenen elektrischen Leistung. Der Normalbereich der JAZ liegt zwischen 3-5.
