Wärmepumpen: Das Kühlschrankprinzip als Heizung!

Wärmepumpen nutzen u.a. die natürliche Umweltwärme (Sonne) und rechnen somit zu den regenerativen Energiequellen. Die Wärmepumpe entzieht ihrer direkten Umgebung Wärme, die vor allem zum energiesparenden Heizen und Warmwasserbereiten genutzt wird. Die Wärme wird in einem in sich geschlossenen Kreislauf von einem Energieträgermedium transportiert.

Zum leichteren Verständnis kann man die Wärmepumpe vom Funktionsprinzip mit einem Kühlschrank vergleichen. Ein Kühlschrank entzieht den Lebensmitteln die Wärme und gibt diese nach außen ab. Nach diesem Prinzip arbeitet auch eine Wärmepumpe, sie nimmt Wärme aus der Erde, dem Wasser oder der Luft auf und wandelt diese zur Heizwärme um.

Funktionsschema einer Wärmepumpe, Quelle: Wikipedia

Jeder Wärmepumpenprozess kann in 4-Stufen eingeteilt werden, in denen das Kältemittel verschiedenen Zustandsänderungen eingeht: Verdampfung, Verdichtung, Kondensation (verflüssigen) und Expansion (entspannen).

1. Verdampfung
   Als Verdampfer bezeichnet man den Wärmetauscher, in dem Kältemittel vom flüssigen Zustand in dampfförmigen übergeht. Die Verdampfung erfolgt unter Zufuhr von Wärmeenergie, die der Umgebung - Grundwasser, Erdreich oder Außenluft - entzogen wird.
   
2. Verdichtung
   Das gasförmige Kältemittel wird vom Kompressor angesaugt und durch die Verdichtung auf hohen Druck und hohe Temperatur gebracht. Zusätzlich nimmt das Kältemittel noch die Wärme auf, die der Antriebsenergie des Kompressors entspricht.
   
3. Kondensation
   Das dampfförmige Kältemittel wird mit hoher Temperatur in den Kondensator - wiederum ein Wärmetauscher - gedrückt und gibt dort seine Wärme an das Heizungswasser ab. Dabei wird der Kältemitteldampf kondensiert.
   
4. Expansion
   Um den Kältekreislauf wieder zu schließen, muss das Kältemittel vom hohen Druck auf den Ausgangsdruck entspannt werden. Dabei wird das Kältemittel kalt und kann dann im Verdampfer wieder Energie aufnehmen.
   

Ebenso wie ein Kühlschrank benötigt auch eine Wärmepumpe Antriebsenergie, welche meist durch elektrischen Strom geliefert wird. Der Unterschied zwischen Kühlschrank und Wärmepumpe liegt also nur darin, dass beim einen die Kälte und beim anderen die Wärme genutzt wird.
Es gibt unterschiedliche Techniken/Ausführungen von Wärmepumpen. In Einfamilienhäuser und Eigentumswohnungen eingesetzte Kleinwärmepumpen zur Brauchwassererwärmung und Heizung sind in der Regel Kompressionswärmepumpen. Sie werden durch Elektromotoren angetrieben (größere Anlagen oftmals von leistungsstarken Gasmotoren).

Es gibt drei Arten von Wärmepumpen:

• Luft/Wasser Wärmepumpe
  Die Luft/Wasser - Wärmepumpe, gebraucht die rundherum liegende Außenluft als Wärmequelle. Auch bei Temperaturen bis - 15° entzieht sie der Luft noch Energie zum Heizen. Sie ist zwar die im Preis-/Leistungsverhältnis effektivste Pumpe, erreicht aber auch nicht die Leitzahlen der Sole/Wasser oder Wasser/Wasser Wärmepumpe. Diese Wärmepumpe bezieht ca. zwei Drittel der zum Heizen erforderlichen Energie kostenfrei aus der Umwelt, für das restliche Drittel wird Strom als Antriebsenergie beansprucht.
  
  
• Sole/Wasser – Wärmepumpe
  Die Sole/Wasser-Wärmepumpe verwendet die im Erdreich lagernde Wärme. Auch dort ist ähnlich wie im Grundwasser das ganze Jahr über eine nahezu unveränderliche Temperatur gegeben.
  Hier gibt es zwei Varianten, um der Erde die Wärme zu entziehen:
  
  a) Kollektoren werden horizontal im Boden in einer Tiefe von mindestens 1,2 - 1,4 m verlegt. In ihnen zirkuliert Wasser mit einem Frostschutzmittel. Für dieses System werden allerdings große Flächen benötigt (für ein Niedrigenergiehaus mit 150 m² Wohnfläche müssen ca. 300 m² für die Absorberschläuche eingeplant werden. Im Vergleich zur Erdwärmesonde ist die Verlegung der Absorber zwar billiger, doch es ergeben sich dauerhafte Einschränkungen bei der Nutzung des Grundstücks, es darf z.B. nicht überbaut oder asphaltiert werden. Der Boden kühlt nämlich während des Betriebs der Wärmepumpe aus und muss sich regenerieren können. Zudem entscheiden die Bodenverhältnisse darüber, wie viel Wärmeleistung sich ihnen entziehen lässt.
  
  b) Sonden werden in ein Bohrloch senkrecht in den Boden eingelassen. Sie reichen in der Regel Tiefen bis 99 m. Ab Bohrungen über 100 m Tiefe greift nämlich das deutsche Bergrecht. Die Wärmeleistung, die dem Boden entzogen werden kann, hängt von der Art des Untergrundes ab. Im Mittel werden für Erdsonden 50 bis 60 Watt pro Meter angesetzt. Eine Wärmepumpe mit 6 kW Heizleistung (Niedrigenergiehaus, 150 m²) bräuchte demnach 120 m Erdsonden. Hier würden also üblicherweise 2 Bohrungen á 60 m niedergebracht.
  
  
• Wasser/Wasser – Wärmepumpe
  Die Wasser/Wasser - Wärmepumpe zieht die Heizwärme aus dem Grundwasser. Voraussetzung zum Betrieb ist hinlänglich verfügbares und nicht aggressives Grundwasser, das für den Wärmepumpenbetrieb zugänglich ist. Erforderlich ist dabei, die Genehmigung des zuständigen Wasserwirtschaftsamtes. Die Wasser/Wasser- Wärmepumpe erreicht die besten Arbeitszahlen. Sie ist aber auch in der Anschaffung die kostspieligste Variante. Für den Betrieb einer Grundwasserwärmepumpe werden zwei Brunnen benötigt (Förderbrunnen, Schluckbrunnen), der Grundwasserspiegel sollte nicht tiefer als 15 m liegen.