Yeah – pump it up!

Die Wärmepumpe bringt die Wärme aus der Umwelt auf ein höheres, nutzbares Temperaturniveau.

Eine Wärmepumpe arbeitet im Prinzip wie ein umgekehrter Kühlschrank. Der Kühlschrank entzieht seinem Innenraum die Wärme und leitet sie an seiner Rückseite nach außen ab. Die Wärmepumpe wiederum holt sich Wärme von außen – etwa aus der Luft, dem Erdreich oder dem Grundwasser – und gibt sie als Heizenergie an das Haus ab. Dabei macht sie sich zunutze, dass Wärme immer von der höher temperierten Stelle zur weniger temperierten Stelle strömt, sie bedient sich also der natürlichen Fließrichtung von warm nach kalt. Auch das physikalische Prinzip des so genannten Joule-Thomson-Effekts ist wichtig für das Funktionsprinzip der Wärmepumpe. Dieser tritt auf, wenn ein Gas oder Gasgemisch durch Drosselung (=Druckänderung) eine Temperaturänderung erfährt. Besonders praktisch: Durch die Umkehrung des Prozesses kann die Wärmepumpe gleich zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen und auch zur Kühlung eingesetzt werden – also ein echter Joker für die Klimawende.

HÄ – und was ist, wenn draußen Minusgrade herrschen?

Auch im Winter muss mit einer Wärmepumpe niemand frieren. Denn grundsätzlich gilt: Jede Wärmepumpe kann ihrer Umgebung Wärme entziehen, solange die Temperatur der Wärmequelle höher ist als der Siedepunkt des Kältemittels. Und die liegen bei unseren herkömmlichen Kältemitteln bei -57 bis -12 °C. Selbst Außenluft hat im Winter noch immer Wärmeenergie, die eine Luft-Wärmepumpe nutzen kann, denn das Kältemittel, das bei der Luft-Wärmepumpe verwendet wird, nimmt selbst bei zweistelligen Minusgraden einen gasförmigen Aggregatzustand an, so dass es im Kompressor verdichtet und auf das notwendige Temperaturniveau gehoben werden kann. Bei der Energiegewinnung aus Erdwärme und Grundwasser ist die Wärmequelle noch ergiebiger, da ab einer Tiefe von 10 m ganzjährig sogar eine Temperatur von mindestens 10 °C herrscht. Dadurch muss die Wärmepumpe im Winter eine geringere Temperaturdifferenz zur Vorlauftemperatur des Heizungswassers überbrücken als bei Luft als Wärmequelle. Aus diesem Grund haben Erd- und Grundwasser-Wärmepumpen einen höheren Wirkungsgrad und benötigen weniger Strom als Luft-Wärmepumpen.

Schritt für Schritt durch den Wärmepumpen-Kreislauf

Eine Wärmepumpen-Heizungsanlage besteht aus drei Teilen:

• 1. der Wärmequellenanlage, die der Umgebung die benötigte Energie entzieht,
• 2. der eigentlichen Wärmepumpe, die diese Umweltwärme nutzbar macht,
• 3. dem Wärmeverteil- und Speichersystem, das die Wärmeenergie im Haus verteilt oder zwischenspeichert.

Die Wärmepumpe selbst ist also im Prinzip eine Art "Transportgerät", das die Wärme aus der Umwelt auf ein höheres, nutzbares Temperaturniveau bringt. Da Wärme nur von einem Körper hoher Temperatur auf einen Körper mit niedrigerer Temperatur übergehen kann, muss die Wärmepumpe die Umweltenergie unter Einsatz von Strom für den Antriebsmotor auf das Temperaturniveau bringen, das zum Heizen und zur Warmwasserbereitung notwendig ist. Im Wärmepumpen-Kreislauf selbst gibt es vier wesentliche kältetechnische Komponenten: den Verdampfer, den Verdichter, den Verflüssiger und das Expansionsventil.

Und so arbeiten diese vier zusammen: 1. Verdampfer: Im Verdampfer wird die Umweltwärme aus der Luft, dem Erdreich oder dem Grundwasser auf ein flüssiges Kältemittel übertragen, das bereits bei relativ niedrigen Temperaturen verdampft. Die Wärmequelle aus der Umwelt gibt also Energie ab, wodurch ihre Temperatur sinkt. Das Kältemittel nimmt unterdessen Energie auf, erwärmt sich und geht in den gasförmigen Zustand über. 2. Verdichter: Hier handelt es sich um einen Kompressor, der das verdampfte Kältemittel verdichtet. Dazu benötigt er Strom. Der Kompressor saugt den Kältemitteldampf an und presst ihn zusammen. Weil sich dabei das Volumen des Dampfes verringert, steigt sein Druck an. Mit zunehmendem Druck erhöht sich auch die Temperatur des Kältemittels. So kann die mitgeführte Wärme im nächsten Schritt an das Heizungswasser weitergegeben werden. 3. Verflüssiger: Das erwärmte Kältemittel wird nun in den Kondensator (=Verflüssiger) weitergeleitet. Genau wie der Verdampfer ist auch der Verflüssiger ein Wärmeübertrager. Er führt den heißen Kältemitteldampf am Heizungswasser vorbei und ermöglicht die Wärmeübertragung von einem Medium auf das andere. Das Kältemittel gibt dabei Energie ab, wodurch seine Temperatur sinkt. Dabei verflüssigt es sich wieder. Das Heizungswasser nimmt diese Energie auf und erhitzt sich. 4. Expansionsventil: Das Kältemittel ist wieder flüssig, steht aber noch unter hohem Druck. Um diesen wieder "abzulassen", benötigt man ein Expansions-, Entspannungs- oder Drosselventil. Es setzt den Druck des Kältemittels herab und sorgt dafür, dass es sich ausdehnen und vollständig verflüssigen kann. Zudem wird so gewährleistet, dass immer ausreichend Kältemittel durch den Verdampfer strömt. Hat das Kältemittel seinen Ausgangszustand wieder erreicht, beginnt der Kreislauf von vorn. Man nennt dies deshalb auch einen thermodynamischen Kreisprozess.

Im Boden, zu Wasser und in der Luft

Wärmepumpen sind heute überall voller Energie am Werk und es gibt eine Vielzahl an Modellen und Kombinationsmöglichkeiten, um für jede Kundenanforderung – angefangen vom Budget bis hin zu den objektspezifischen Gegebenheiten – die passende Lösung zu finden. Die Arten unterscheiden sich in erster Linie dadurch, woher sie ihre Energie beziehen. Die Luft/Wasser-Wärmepumpe ist ganz klar die beliebteste Wärmepumpenart, da vergleichsweise günstig sowie einfach und schnell installiert und einsatzbereit. Sie entzieht der Umgebungsluft Energie, die sie dem Heizsystem zuführt. Die Sole/Wasser-Wärmepumpe wird zur Nutzung von Erdwärme eingesetzt, was über Erdsonden oder Erdkollektoren funktioniert. Die Wasser/Wasser-Wärmepumpe nutzt die Energie eines Grundwasserreservoirs, das über das gesamte Jahr eine nahezu konstante Temperatur von über 10 °C aufweist.

Welche Betriebsweise: Monovalent, monoenergetisch oder bivalent?

Bei der Auslegung einer Wärmepumpe ist mit Blick auf die Anschaffungs- und Betriebskosten vor allem auf die Betriebsweise zu achten. Hier unterscheidet man drei verschiedene Möglichkeiten: Monovalenter Betrieb: Im monovalenten (monothermischen) Betrieb sorgt die Wärmepumpe ganz alleine für die Bereitstellung der gewünschten Raum- und Warmwassertemperatur und muss daher ausreichend groß ausgelegt sein, um Spitzenlasten allein abdecken zu können. Monoenergetischer Betrieb: Hier ist die Wärmepumpe ebenfalls Haupt-Wärmeerzeuger, jedoch lässt sich mit dem integrierten elektrischen Heizstab ein "zweiter" Wärmeerzeuger zuschalten, wenn Spitzenlasten abgedeckt werden müssen. Da es meist nur wenige Tage im Jahr mit deutlichen Minusgraden gibt, ist diese Betriebsweise meistens wirtschaftlicher als der monovalente Betrieb. Die Anlagen sollten hierbei so ausgelegt sein, dass die Wärmepumpe etwa 95 Prozent der Heizlast und Warmwasserbereitung eigenständig abdecken kann und fünf Prozent durch den elektrischen Zuheizer geleistet wird. Bivalenter Betrieb: Der bivalente Betrieb basiert auf zwei Wärmeerzeugern. Neben der Wärmepumpe ist beispielsweise ein Gas-Brennwertgerät für die Abdeckung von Spitzenlasten zuständig. Diese Betriebsart wird häufig bei Mehrfamilienhäusern für die Warmwasserbereitung, aber auch bei Altbau-Sanierungen verwendet.