Wärmepumpen

Funktionsweise von Wärmepumpen

Eine Wärmepumpe ist eine kosten- und umwelteffiziente Heizungstechnologie. Ständig steigende Heizkosten haben der Wärmepumpe in den letzten Jahren zum Durchbruch verholfen. Im Jahr 2008 wurden nach Angaben des Bundesverband Wärmepumpe e.V. 62.500 Anlagen in Deutschland verkauft, fast 20.000 Anlagen mehr gegenüber 2007. Insgesamt werden damit über 350.000 Wärmepumpen in Deutschland betrieben, mit steigender Tendenz.
Fast jeder Haushalt hat, ohne es zu wissen, eine Art Wärmepumpe in Gebrauch. Denn, ein Kühlschrank basiert auf der Technologie einer Wärmepumpe. Während der Kühlschrank die Wärme dem Innenraum entzieht und mit höherer Temperatur nach Außen abgibt, wird das Prinzip für die Nutzung als Heizungssystem umgekehrt. Die Umgebungsluft wird auf einem höheren Temperaturniveau an den Innenraum abgegeben. Dabei erzeugt die Wärmepumpe aus etwa 25 Prozent der eingesetzten Energie eine Heizleistung von 100 Prozent. Allerdings ist dieses Verhältnis von verschiedenen Faktoren abhängig. Wärmequelle, Wärmepumpe und Heizung müssen optimal zusammenpassen. Ist dies nicht der Fall, wird häufig ein deutlich höherer Energieaufwand benötigt um die richtige Wärmeleistung, zu erlangen. Der Vorteil der Wärmepumpe schmilzt dann schnell dahin.
Während in herkömmlichen Heizungsanlagen Verbrennungsprozesse stattfinden, basiert die Wärmepumpe auf einem thermodynamischen Kreisprozess. Dieser Kreisprozess im Inneren einer Wärmepumpe besteht aus vier Komponenten: einem Verdampfer, einem Verdichter, einem Verflüssiger und einem Entspannungsventil. In der Wärmepumpe zirkuliert ein Kältemittel mit sehr niedrigem Siedepunkt. Durch die aufgenommene Umgebungswärme verdampft das Kältemittel und wird durch Kompression stark verdichtet. Der sich dabei erhöhende Druck sorgt für einen Anstieg der Temperatur. Das Kältemittel wird durch Kondensation wieder verflüssigt und an das Heizungssystem abgeben. Im nächsten Schritt wird durch ein Entspannungsventil der Druck vermindert und der Kreislauf geschlossen, bevor er von neuem beginnt.
Während die Funktionsweise einer Wärmepumpe bei allen Anlagen kongruent ist, unterscheiden sie sich in ihrer Betriebsweise. Der übliche Einsatz ist der sogenannte monovalente Betrieb. In diesem Fall wird der Heizbedarf ausschließlich über die Wärmepumpe gewährleistet. Im monoenergetischen Betrieb wird der Heizbedarf überwiegend gedeckt und nur bei niedrigen Außentemperaturen durch einen elektrischen Heizstab unterstützt. Wird die Wärmepumpe zusätzlich zu einer herkömmlichen Heizungsanlage betrieben, spricht man vom bivalenten Betrieb.

Die Primärenergiequellen

Neben einer Stromquelle für den Betrieb der Wärmepumpe wird eine Primärwärmequelle für den thermischen Kreisprozess benötigt. In Frage kommen Erde, Wasser und Luft als mögliche Energiespender. Mit einem Marktanteil von 45 Prozent haben Wärmepumpen die Luft als Wärmequelle nutzen die größte Verbreitung. Werden sie zur Erwärmung des Trinkwassers eingesetzt, spricht man von einer Luft-/Wasser-Wärmepumpe. Der übliche Einsatz ist jedoch die Klimatisierung der Raumluft über Luft-/Luft-Wärmepumpen. Ihr Vorteil: Luft ist überall und uneingeschränkt verfügbar. Ihr Nachteil: Die stark schwankenden Temperaturen im Jahresverlauf können zu einer nicht optimalen Nutzung der Anlage führen. Bei einigen Geräten lässt sich der thermische Kreislauf auf Kaltluftzufuhr umstellen. Derartige Wärmepumpen lassen sich in den Sommermonaten als Klimaanlage einsetzen und verfügen somit über einen weiteren Produktvorteil.
Die Nutzung der Wärmequellen Erde und Wasser sind stark von der geologischen Struktur der nahen Umgebung abhängig. Der Vorteil beider Quellen ist ihre konstante Temperatur im Jahresverlauf. Dadurch lassen sich Anlagen genauer planen. Das beste energetische Resultat bietet eine Wasser-/Wasser-Wärmepumpe. Nahezu unerschöpfliche Ressourcen bietet die Erde für eine Nutzung durch Wärmepumpen. Im privaten Bereich werden dafür die oberflächennahen Erdschichten von wenigen Metern bis zu 100 Meter Tiefe genutzt. Aufgenommen wird die Wärme über einen Erdwärmekollektor oder über eine Erdwärmesonde. Die Nutzung tieferer Erdschichten bis zu 2000 Meter Tiefe ist aufgrund der hohen Erschließungskosten nur für Großprojekte geeignet.
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