Wärmepumpe: Funktion und Vorteile der einzelnen Wärmequellen

Wärmepumpen und ihre Funktion. Die Technologie der Wärmepumpe soll Klimaneutralität bis 2030 bringen. Ihr großer Vorteil: Mit ihr benötigt man nur Strom, keine fossilen Energien fürs Heizen. Solange die elektrische Energie für ihren Betrieb aus erneuerbaren Energien kommt, ist Heizen bei Netto-Null-CO2-Ausstoß möglich.

Im Unterschied zu fossilen Brennstoffen wie Gas oder Öl stehen Erneuerbare Energien unendlich zur Verfügung und können nachwachsen.

Wärmepumpen nutzen die kostenlose Umwelt-Wärme, auch thermische Energie genannt, fürs Heizen. Doch wie funktioniert das, wenn die Temperaturen im Winter draußen, auch thermische Energien genannt, viel kälter sind als im Haus?

Prinzip der Wärmepumpen- Funktion

Das Prinzip der Funktionsweise ist einfach: Die Wärmepumpe erntet die Wärme aus dem Grundwasser, dem Erdreich oder der Umgebungsluft. Diese Wärme überträgt sie auf ein sogenanntes Kältemittel, eine Flüssigkeit, die dadurch schon bei niedrigen Temperaturen verdampft. Die geerntete Wärme reicht im System völlig aus, um den Verdampfer zu bedienen.

Danach drückt die Pumpe das gasförmige Kältemittel stark zusammen, wobei Temperaturen bis zu 100 Grad Celsius entstehen. Den so erzeugten Kältemitteldampf lässt man kondensieren, wobei etwa Wasser in einem Heizkessel erhitzt werden kann. Dieses simple Prinzip ist nur der Kern ihrer Funktionsweise. Welche komplexen Prozesse laufen innerhalb des geschlossenen Kreislaufs genau ab?

So funktioniert die Wärmepumpe: Prototyp einer Luft-Wasser-Wärmepumpe

Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe erntet aus der Luft der Umgebung Wärme. Luftwärmepumpen gibt es meist in Split-Bauweise: Teile des Geräts stehen meist draußen an der Hauswand, weitere Teile im Heizungs-Keller. Draußen steht der sichtbare Ventilator, der Außenluft anzieht. Die Luft wird zu einem sogenannten Wärmetauscher geleitet, der ihre Wärme ans Kältemittel abgibt, zum sogenannten Verdampfer.

Der Verdampfer überträgt die Wärme der Außenluft an das Mittel, wodurch es zu einem gasförmigen Kältemittel wird. Ein Kompressor übt hohen Druck auf das Kältemittel aus, wobei es sich verdichtet und stark erhitzt. Die Wärme der Außenluft wird so auf ein höheres Temperatur-Niveau angehoben und die so gewonnene Wärme abgegeben an das Heizsystem. Dies geschieht an einem weiteren Wärmetauscher, dem Kondensator. Dadurch kühlt sich das Kältemittel ab, kondensiert also wieder, und läuft zur Wärmepumpe zurück. Über ein Ventil wird der Flüssigkeit noch der Druck entzogen. Dadurch kühlt sich des Kältemittel in der Luftwärmepumpe endgültig auf die ursprüngliche Temperatur ab. Der Kreislauf der Luft-Wasser-Wärmepumpe beginnt von neuem.

Das Kältemittel kann im Kreislauf selbst im Winter an kalten Tagen in der Luftwärmepumpe nicht einfrieren. Es hat zudem den Vorteil, viel Wärme übertragen zu können. Der Kompressor ist eine Pumpe, der das Kältemittel zusammendrückt. Das funktioniert genauso, wie wen man Lauf in einen Fahrradreifen pumpen würde. Durch diese Funktion hat die Wärmepumpe ihren Namen. Diese Pumpe braucht Strom, um das Kältemittel zusammenzudrücken und somit zu erhitzen.

Das physikalische Prinzip, das ihrer Funktionsweise zugrunde liegt nennt man Joule-Thomson-Effekt. Er besagt, dass Gase bei Expansion ohne Zuführung von Arbeitsleistung von außen ihre Temperatur verändern.

Luft-Wasser-Wärmepumpe, Wasser-Wasser-Wärmepumpen, Erd-Wärmepumpen

Die verschiedenen Pumpen-Arten unterscheiden sich je nach genutzter Wärmequelle. Durch ihre Funktion unterscheiden sie sich dagegen kaum. Luft-Wasser-Wärmepumpen, kurz Luft-Wärmepumpen genannt, ernten aus der Luft der Umgebung die Wärme.

Erdwärmepumpen, auch Sole-Wasser-Wärmepumpen genannt, ernten Wärme durch Bohrungen tief in der Erde. Diese Sole-Wasser Systeme können dies aber auch mit einem Flächenkollektor tun, der großflächig im Boden verlegt wird.

Die Wärmequelle Grundwasser wird durch die sogenannte Wasser-Wasser-Wärmepumpen nutzbar gemacht, die auch Wasser-Wärmepumpe oder Grundwasser-Wärmepumpe genannt wird. Der Kältemittelkreislauf funktioniert ähnlich und unterscheidet sich bei den drei Typen der neuen Wärmepumpen.

Wärmepumpe Funktion: Effizienz, Vorteile und Nachteile der verschiedenen Arten von Wärmequellen

Wie viel Strom fürs Verdichten man braucht, hängt allerdings davon ab, wie stark die Temperatur im Kessel der Heizung von der Temperatur der Wärmequelle abweicht. Grundsätzlich gilt: Je höher die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Heizungs-Kessel ist, desto stärker muss der Verdichter, die eigentliche Pumpe, arbeiten. Desto weniger Strom benötigt er also, um hohe Temperaturen im Kessel zu erreichen, die auch Vorlauftemperaturen genannt werden.

Die Wärmequelle Erde von Erde-Wasser-Pumpen sowie die Wärmequelle Grundwasser von Wasser-Wasser-Pumpen zeigen ein geringeres Temperaturgefälle zum Heizkesselwasser. Sie brauchen weniger Strom. Man sagt auch: Sie laufen effizienter als die anderen Typen, die Luft als Wärmequelle nutzen.

Ein Maß dafür, wieviel Strom benötigt wird, ist die Jahresarbeitszahl. Sie gibt an, wie viel Energie nötig ist, um aus einer Kilowattstunde Strom (kWh) eine kWh Wärme (Kilowattstunden Wärme) zu machen. Sie sagt also aus, wie effizient die Pumpe arbeitet, ist ein Maß für Effizienz, auch Wirkungsgrad genannt. Die Effizienz hängt nicht nur davon ab, ob Luft, Wasser oder Sole die Quelle der Wärme ist, sondern auch von (1) der Pumpentechnik und (2) vom Heizbedarf im Gebäude. Deshalb wird die Technik für niedrigen Druck der Pumpen ständig verbessert und Energieberater stehen für individuelle Beratungen zur Gebäudedämmung bereit. Gut gedämmte Gebäude brauchen niedrige Vorlauftemperaturen, Gebäude mit viel Wärmeverlust brauchen hohe Vorlauftemperaturen.

Der Bund fördert die Beratung mit kostenlosen Angeboten. Die Kosten für die Energieberater übernimmt er im Bedarfsfall komplett. Wie effizient die Pumpe arbeitet, spiegelt sich schnell in den jährlichen Stromkosten für die Heizung wider. Je nach Effizienz können die Heizkosten im Vergleich zu anderen Heizsystemen mit Gas stark sinken. Vor allem angesichts von Preiserwartungen für Gas wird das Heizen mit Luft-Wasser-Wärmpumpen oder anderen Typen günstiger. Weitere Energie fürs Heizen lässt sich durch eine Photovoltaik-Anlage auf dem Dach sparen. Die erzeugte Energie aus einer PV-Anlage reicht zwar nicht, um eine Luft-Wasser-Wärmepumpe zu betreiben und somit die Heizung in Gang zu halten. Anhand dieser Energie lässt sich aber zumindest meist das warme Wasser fürs Haus aufbereiten oder ein Wärmespeicher, der Wärme für Heizen später nutzbar macht. Ausgaben für beide Anlagen, Wärmespeicher und Warmwasseraufbereitung, mit Energie vom Solardach betrieben, fallen unter förderfähige Kosten.

Funktion bei konstanten Temperaturen und niedrige Außentemperaturen

Weil sich durch die Technik der Tiefenbohrung das ganze Jahr hindurch konstante, hohe Temperaturen ernten lassen, ist das Funktionsprinzip der Sole-Wasser-Wärmepumpe effizienter als das der anderen Arten. Besonders die Flächen-Erdkollektoren laufen sehr effizient. Hohe Effizienz durch konstante, hohe Außentemperaturen zeichnet auch die Wasser-Wasser-Wärmepumpe aus. Sie läuft jedoch in der Regel weniger effizient als die Sole-Wasser-Pumpe. Die Luftwärmepumpe hat demgegenüber den Nachteil, solche konstanten, hohen Außentemperaturen nicht nutzen zu können. Sie läuft weniger effizient.

Der Vorteile der Luftwärmepumpe zeigt sich beim Aufwand und Platz: Es überrascht daher nicht, dass Luft-Wasser-Wärmepumpen, auch Luftwärmepumpen genannt, am häufigsten verbaut werden. Denn es geht meist, aber nicht immer nur um Effizienz. Wer keinen Garten hat, um große Sole-Kollektoren mit großen Flächen zu verbauen oder tief in die Erde nicht bohren darf, was mancherorts von der Wasserbehörde nicht genehmigt wird, der muss sich zwingend für die Luftwärmepumpe entscheiden. Luft für den Betrieb der Luftwärmepumpe steht überall bereit, während man für Wasser-Wasser-Systeme mindestens zwei Brunnen im Garten bohren muss. Je nach Tiefe können sich hier versteckte hohe Anschaffungskosten verbergen, wie auch bei den Sole-Wasser-Systemen.

Demnach ist die Investition für Luftwärmepumpen im Vergleich auch niedriger, weil für Bohrungen und Verlegen der beiden anderen Arten zusätzliche Kosten anfallen. Eine Luftwärmepumpe lässt sich dagegen mit geringerem Aufwand einbauen. Gleich, wie man sich entscheidet: Die laufenden Kosten fürs Heizen sinken mit einer Wärmepumpe im Vergleich zu anderen Heizungen erheblich. 

Split-Wärmepumpen: Funktion bei Luft-Wasser-Wärmepumpen und anderen Typen

Vor allem die Luft-Wasser-Wärmepumpe fällt meist durch die typische Split-Bauweise auf. Die riesigen Ventilatoren von Luft-Wasser-Wärmepumpen stehen neben dem Verdichter und Verdampfer an der Hauswand. Im Haus stehen die restlichen Teile der modernen Wärmepumpe: Verflüssiger, Umwälzpumpe, Regelungs- und Sicherheitstechnik, die das Heizsystem komplett machen. Der Vorteil von Split bei Luft-Wasser-Wärmepumpen: Es sind nur geringe Eingriffe in die Gebäudeaußenwand nötig. Allerdings muss ein Fachmann ran, um die Kältemittelleitungen zu erstellen und zu kontrollieren, wenn die eingesetzte Kältemittelmenge hoch ist.

Bei Luft-Wasser-Wärmepumpen und anderen Systemen findet man sehr viel seltener auch die Monoblock-Bauweise. Alle Komponenten sind in einem Gerät vereint. Das senkt die Installationskosten.

Weitere Informationen zu förderfähigen Energieberatern, die unter anderem Tipps zum geeigneten einbaufährigen Typ geben und nicht immer zur Luft-Wasser-Wärmepumpe raten, finden Sie unter https://www.energie-effizienz-experten.de jg

Wärmepumpe im Altbau: Macht das Sinn?