So funktioniert eine Wärmepumpe
Eine Wärmepumpe ist ein Gerät, das Wärmeenergie aus der Umgebung eines Ortes mit niedrigerer Temperatur zu einem Ort mit höherem Temperaturbedarf transportiert. Oder umgekehrt. Das Prinzip kennst Du garantiert, denn ein Kühlschrank arbeitet genau nach diesem Prinzip. Er „pumpt“ die Wärme aus seinem Inneren nach außen und kühlt dadurch den Kühlraum ab. Der Hauptzweck einer Wärmepumpe besteht darin, ein Gebäude zu heizen und je nach Konstruktion der Anlage beispielsweise im Sommer auch zu kühlen. Der Vorgang, durch den eine Wärmepumpe funktioniert, kann für Laien am besten durch die folgenden Schritte erklärt werden:
Melde dich zum Newsletter an!
- Wärmeaufnahme im Verdampfer: Die Wärmepumpe beginnt im außerhalb des Gebäudes aufgestellten Geräteteils ihren Zyklus im Verdampfer, wo eine Flüssigkeit (das Kältemittel) zirkuliert. Dieses Kältemittel hat die Eigenschaft, bei sehr niedrigen Temperaturen zu verdampfen. Wenn die Umgebungsluft (oder eine andere Wärmequelle wie Erdwärme oder Grundwasser) um den Verdampfer zirkuliert, gibt sie ihre Wärme an das Kältemittel ab. Beim Verdampfen nimmt das Kältemittel diese Wärme auf, sprich es wird wärmer. Trotz der niedrigen Außentemperatur ist die Luft immer noch warm genug, um das Kältemittel vom flüssigen in den gasförmigen Zustand zu überführen.
- Kompression des Kältemittels: Das jetzt gasförmige Kältemittel wird von einem Kompressor angesaugt und komprimiert, sprich, der Druck des Gases wird erhöht. Dabei wird die physikalische Tatsache ausgenutzt, dass durch das Komprimieren auch die Temperatur des Gases ansteigt. Das kannst Du einfach selbst ausprobieren: Nimm eine Fahrradluftpumpe und hallte das Ventil zu. Dann drück die Pumpe zusammen und Du wirst merken, dass die Pumpe dort wärmer wird, wo die Luft zusammengedrückt wird. Genau das ist quasi die Kernfunktion der Wärmepumpe. Durch diese Kompression erhöht sich die Temperatur des Kältemittels erheblich, da die Energie (in Form von Wärme) in einem kleineren Volumen konzentriert wird. Die Temperatur wird sozusagen hochgepumpt.
- Wärmeabgabe im Kondensator: Das heiße, komprimierte Trägergas strömt durch die Leitungen in das innen im Haus aufgestellte Gerät und dort in den Kondensator. In dem Kondensator geht das Kältemittel von seinem gasförmigen wieder in den flüssigen Zustand über. Das ist der genau umgekehrte Vorgang. Dabei gibt das Kältemittel seine aufgenommene und durch die Kompression erhöhte Wärme an den Heizkreislauf ab. Sprich, das in den Leitungen und Heizkörpern zirkulierende Wasser wird aufgeheizt und gibt seine Wärme wiederum über die Heizkörper an die Raumluft ab.
- Entspannung des Kältemittels: Bevor das jetzt wieder flüssige Kältemittel wieder in den Verdampfer zurückkehrt, durchläuft es ein Expansionsventil, das den Druck des Kältemittels reduziert. Diese Druckreduzierung führt zu einer weiteren Abkühlung des Kältemittels, wodurch es erneut bereit ist, Wärme aus der Umgebung aufzunehmen. Das Kältemittel fließt wieder zurück in das Außengerät und damit ist der Kreislauf geschlossen und beginnt von vorn.
Durch diesen Prozess kann die Wärmepumpe effizient Wärme von außen nach innen (für Heizzwecke) oder von innen nach außen (für Kühlzwecke) transportieren. Der Schlüssel zur Effizienz einer Wärmepumpe liegt in der Nutzung von Umgebungswärme und der mechanischen Arbeit (meist durch Elektrizität angetrieben), um Wärme über ihr natürliches Temperaturgefälle hinweg zu bewegen.
Wärmepumpe stellt jede konventionelle Heizung in Sachen Effizienz in den Schatten
Was die Wärmepumpe so unglaublich attraktiv macht, ist ihre beeindruckende Effizienz. Denn die liegt bei 300 bis 500 Prozent. Du sagst jetzt vielleicht „Wie das?“ oder “ Geht doch garnicht!“ Doch, es geht und ich erkläre die warum. Nehmen wir zunächst eine Gasheizung. In der wird die Wärme erzeugt, indem Gas verbrannt wird. Könnte man also die Energie, die im Gas steckt, vollständig in Wärme verwandeln, hätte eine Gasheizung maximal einen Wirkungsgrad von 100 Prozent. Aber das geht nicht, denn die Energie im Gas wird nur zum Teil als Wärme frei gesetzt. Auch das Licht der brennenden Flamme ist ein Teil dieser Energie. Daher liegt der Wirkungsgrad eine Gasheizung typischerweise bei 90 bis 95 Prozent.
Aber wie schafft es die Wärmepumpe jetzt, eine Effizienz von 300 oder mehr Prozent zu erreichen? Eigentlich ganz einfach. Die primäre eingespeiste Energie, also der elektrische Strom wird nicht als Heizquelle benutzt, sondern nur zum Antrieb der Maschine. Die eigentliche Wärme wird durch den oben beschriebenen Prozess erzeugt. Mit 1000 Watt Strom können so durch das „Wärme pumpen“ Wärmeleistungen von 3000, 4000 oder 5000 Watt erzeugt werden. Damit machst Du aus der eingesetzten Primärenergie eben deutlich mehr Heizenergie.
Das ist das „Geheimnis“ der Wärmepumpe. Würdest Du mit den 1000 Watt Strom sozusagen einen Heizlüfter – also einen Glühdraht durch den ein Ventilator Luft hindurch pustet – betreiben, wäre auch hier maximal eine Effizienz von 100 Prozent möglich, abzüglich der Leistung die der Motor des Ventilators verbraucht. Aber in der Wärmepumpe ist der elektrische Strom eben NICHT die Wärmequelle.
Wärmepumpe und COP oder JAZ
Die Effizienz einer Wärmepumpe wird oft durch die Leistungszahl (Coefficient of Performance, COP) oder die Jahresarbeitszahl (JAZ) ausgedrückt, die das Verhältnis der abgegebenen Heiz- oder Kühlleistung zur aufgenommenen elektrischen Energie darstellen. Ein hoher COP oder eine hohe JAZ bedeutet, dass die Wärmepumpe effizient arbeitet, indem sie mehr Wärmeenergie liefert, als sie an elektrischer Energie verbraucht.
Wärmepumpen sind besonders effizient, weil sie Wärme anstatt von elektrischer Energie direkt zu erzeugen, lediglich von einem Ort zum anderen transportieren. Ihre Effizienz hängt jedoch stark von den äußeren Bedingungen ab, wie z.B. der Außentemperatur bei Luft-Wasser-Wärmepumpen oder der Temperatur des Erdreichs bei Erdwärmepumpen. Im Allgemeinen können Wärmepumpen bei optimalen Bedingungen und moderner Technologie COP-Werte von über 3 erreichen, was bedeutet, dass für jede Einheit elektrischer Energie, die verbraucht wird, mehr als das Dreifache an Heiz- oder Kühlleistung bereitgestellt wird. Dies macht Wärmepumpen zu einer der effizientesten Methoden zur Raumheizung und -kühlung, insbesondere in Gegenden mit mäßigen Klimabedingungen.
Noch besser mit Strom aus erneuerbaren Quellen
Wenn der Strom für die Wärmepumpe aus konventionellen Kraftwerken, also Gas- oder Kohlekraftwerken kommt, trübt das indirekt natürlich diese Rechnung, denn die Stromerzeugung hat ja schon fossilen Brennstoff verbraucht. Richtig gut wird das Ganze aber, wenn der Strom aus Sonnen- oder Windenergie kommt, also aus erneuerbaren Quellen. Und für Dich als Hausbesitzer am allerbesten ist es, wenn dieser Sonnenstrom von der Photovoltaikanlage auf deinem Dach kommt. Dann kostet dich der Strom deutlich weniger, als wenn Du diesen aus dem öffentlichen Netz einkaufen musst.
