Funktionsweise einer Wärmepumpe

Während die Technologie der Wärmepumpe bereits im beginnenden 19. Jahrhundert entwickelt wurde und in Form des Kühlschranks seitdem aus deutschen Haushalten nicht mehr wegzudenken ist, dauerte es noch viele Jahrzehnte, bis die Wärmepumpe ihren ersten Boom erlebte.

Erst die knapper werdenden fossilen Ressourcen und explosionsartigen Preisanstiege während der Weltwirtschaftskrise in den 30er-Jahren des letzten Jahrhunderts sorgten für ein erneut aufblühendes Forschungsinteresse an regenerativen Energien.

Kurz nach dem Zweiten Weltkrieg begann die Wärmepumpe dann langsam populärer zu werden, wobei es weitere Jahrzehnte dauern sollte, bis sie 2017 in Deutschland erstmals zur meistverkauften Heizung im Neubau wurde. Aufgrund ihrer Funktionsweise handelt es sich bei der Wärmepumpe um eine Niedertemperaturheizung, weswegen sie effizienter ist, je besser das Gebäude gedämmt ist, in dem sie eingesetzt wird.

Wie funktioniert eine Wärmepumpe? Das grundlegende Prinzip ist leicht erklärt. Jedes Objekt enthält eine bestimmte Menge Energie in sich gespeichert. Das kann kinetische, chemische oder eben thermische, also Wärmeenergie sein.

Die Wärmepumpe tut nichts weiter, als die thermische Energie nutzbar zu machen, die in der Wärmequelle vorliegt. Zum Vergleich: Eine Ölheizung tut letzten Endes auch nichts weiter, als die chemische Energie des Öls umzuwandeln und nutzbar zu machen.

Die Frage, die man sich nun stellen mag, ist: „Wieso funktioniert das im Winter, wenn die Luft oder der Boden kalt sind?” Die Antwort ist einfach. Die Wärmepumpe macht sich nicht die tatsächliche Temperatur der Wärmequelle zunutze, sondern die relative Temperatur, also den Temperaturunterschied zwischen der Quelle und dem Wärmemedium. Zudem spielt die Außentemperatur nur bei Luft-Wärmepumpen eine Rolle, denn sowohl das Grundwasser als auch das Erdreich haben ab einer gewissen Tiefe rund ums Jahr eine konstante Temperatur.

Je nachdem, welche Wärmepumpe man nutzt, wird eine andere Wärmequelle angezapft. Bei den meisten Modellen gibt der erste Teil des Namens darüber Aufschluss, welche Quelle genutzt wird.

Die am häufigsten eingesetzte Variante ist die Luft-Wasser-Wärmepumpe. Bei diesem Modell wird die Umgebungsluft als Wärmequelle genutzt und ist damit die Wärmepumpe, die nahezu überall eingesetzt werden kann.

Die Erdwärmepumpe beziehungsweise Sole-Wasser-Wärmepumpe nutzt eine in Rohren durch das Erdreich gepumpte Salzlösung (Sole) als Wärmequelle. Somit handelt es sich um die Nutzung von Geothermie. Die Sole nimmt die Wärme des Erdreichs auf und transportiert sie zur Wärmepumpe. Dort wird ein Wärmetauscher genutzt, um die Wärme auf den Heizwasserkreislauf zu übertragen. Bei der Wasser-Wasser-Wärmepumpe wird für gewöhnlich eine Sonde ins Grundwasser gelegt und dieses direkt ins Haus gepumpt. Andere Wasserquellen sind möglich, werden aber selten genutzt. Die konstante Temperatur des Grundwassers ermöglicht es der Wärmepumpe, rund ums Jahr verlässlich Wärme zu gewinnen.

Eine weitere Möglichkeit Luft als Wärmequelle zu nutzen, ist die Nutzung einer Luft-Luft-Wärmepumpe. In diesem Fall wird nicht die Außenluft, sondern die Abluft des Hauses selbst genutzt. Das bedeutet im gleichen Atemzug aber, dass diese Wärmepumpe zwingend ein zentrales Lüftungssystem benötigt, um zu funktionieren. Damit recycelt die Luft-Luft-Wärmepumpe andernfalls ungenutzte Abluft. Aufgrund ihrer Besonderheit im Einbau kommt diese Wärmepumpe vor allem in neugebauten Passivhäusern zum Einsatz.

Weitere, alternative Wärmequellen sind Solar-Eisspeicher und Abwasser. Der Solar-Eisspeicher ist dabei eine Weiterführung der Solarthermie-Technologie. Über Solarpanels wird ein unterirdischer Speicher voll Kühlflüssigkeit dauerhaft erwärmt. Diese Zisterne fungiert ihrerseits als Wärmequelle für die Wärmepumpe. Die Abwasser-Wärmepumpe wiederum führt die Idee der Luft-Luft-Wärmepumpe fort. Auch über das Abwasser verlässt täglich eine große Menge Wärmeenergie deutsche Haushalte. Durch die Nutzung dieser Wärmequelle kann man also nicht nur Haushalte effizient und emissionsfrei mit Wärme versorgen, sondern gleichzeitig ein Abfallprodukt recyceln.

Wärmemedium im Haus

Im Namen aller Wärmepumpen gibt es immer noch einen zweiten Teil der beschreibt, auf welches Medium die gesammelte Wärme übertragen wird. Die meisten Wärmepumpen nutzen Wasser als Wärmemedium, wie man es von herkömmlichen Heizungen mit Öl oder Gas kennt. Das bedeutet, dass beim Anschluss einer Wärmepumpe ein ganz normaler Heizwasser-Kreislauf installiert wird und im Altbau ein bestehender Kreislauf samt Heizkörpern weiter genutzt werden kann.

Da die Wärmepumpe eine Niedertemperaturheizung ist, funktioniert sie besser, je größer die Oberfläche der Heizkörper ist. In der Folge sind normale Heizkörper wie im Altbau eher suboptimal, obgleich auch sie zusammen mit einer Wärmepumpe funktionieren. Besser sind jedoch großflächige Fußboden- oder Wandheizungen.

Die Luft-Luft-Wärmepumpe ist beim Wärmeträger ein Spezialfall. Anders als alle anderen Wärmepumpen nutzt sie nicht Wasser, sondern Luft als Wärmemedium. Das bedeutet, dass man bei Nutzung einer Luft-Luft-Wärmepumpe keine Heizkörper oder Fußbodenheizung im Haus hat, sondern die Heizenergie direkt über den eingehenden Luftstrom der Lüftungsanlage in die Räume geleitet wird.

Die Funktion einer Wärmepumpe beruht grundlegend immer auf zwei voneinander abgetrennten, aber aneinander vorbei fließenden Gas- oder Flüssigkeitskreisläufen - dem Prinzip des Wärmetauschers.

Nach dem Gesetz der Entropie werden zwei nahestehende Objekte unterschiedlicher Temperatur solange einander angeglichen, bis kein Unterschied mehr besteht. Selbstverständlich reicht dieser Umstand nicht aus, um Heizwärme zu erzeugen. Eine Wärmepumpe kann zum Beispiel auch aus einer Wärmequelle unter dem Gefrierpunkt noch Energie ziehen, um das Haus zu heizen.

Aus diesem Grund nutzen Wärmepumpen ein Kältemittel, welches bei sehr geringer Temperatur seinen Aggregatzustand wechselt. Das Kältemittel nimmt die Energie der Umgebung auf, erwärmt sich dadurch und verdampft. Der Dampf wird dann in einem Kompressor unter Druck gesetzt. Dieser Druck erhöht die Temperatur des gasförmigen Kältemittels extrem, diese Wärme wird dann an den Heizkreislauf abgegeben und das Gas kondensiert erneut. Für diesen Prozess wird Strom benötigt, aber im Vergleich mit Direkt-Elektroheizungen nur sehr wenig.

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Die Wärmepumpe ist, obwohl sie mit Strom betrieben wird, keine Elektroheizung. Das liegt darin begründet, dass der Strom nicht zum Heizen genutzt wird, sondern nur zum Betrieb der Wärmepumpe. Die Wärmeenergie hingegen wird im Normalbetrieb aus der Umgebung gewonnen.

Heizstab bei extremer Kälte

Die Ausnahme aus diesem Normalbetrieb stellt der Betrieb der Wärmepumpe bei extremen Minusgraden dar. Während eine Luft-Wasser-Wärmepumpe um den Gefrierpunkt herum noch verlässlich genug Wärme aus der Umgebungsluft ziehen kann, ist ihre Leistungsgrenze bei rund -20 Grad Celsius. In diesem Fall wird die Wärme ganz oder teilweise durch einen elektrischen Heizstab erzeugt.

Solange ausschließlich mit dem Heizstab geheizt wird, entspricht die Funktion der Wärmepumpe einer Elektroheizung. Das bedeutet, dass die Heizkosten während des Notbetriebs extrem steigen, sofern der Strom nicht selbst produziert wird (ca. 22 Cent pro Kilowattstunde statt ca. 5 Cent pro Kilowattstunde im Wärmepumpenbetrieb).

Ökostrom?

Die Wärmepumpe entzieht der Umgebung Wärme und nutzt damit erneuerbare Energien. Trotzdem läuft sie im Betrieb mit elektrischem Strom. Wie sinnvoll ist das aus ökologischer Sicht? Wenn Sie Ihren Strom aus dem öffentlichen Netz beziehen, ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass der genutzte Strom aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe stammt. Damit ist zwar die Wärmepumpe selbst dann immer noch ökologisch sinnvoll, ihr Betrieb aber letztlich nicht emissionsfrei.

Ein Schritt in die richtige Richtung ist der Bezug des Stroms über einen Ökostromanbieter. Damit unterstützen Sie den Ausbau erneuerbarer Energien in der Stromerzeugung. Wirklich „grün“ kann der Strom allerdings nur dann sein, wenn man ihn selbst produziert. Im Heimbereich bedeutet das den Betrieb einer Photovoltaik-Anlage. Auch wenn dies eine weitere Investition bedeutet, macht es Sie langfristig unabhängig vom Strommarkt und den schwankenden Preisen. Die Förderung für Stromeinspeisung (Einspeisevergütung) existiert zwar noch, ist heute allerdings viel weniger lohnenswert als noch vor einigen Jahren.

Der Trend geht langsam aber sicher in Richtung Eigenverbrauch. Die dafür benötigten Stromspeicher werden günstiger, damit senkt sich ihre Amortisationszeit. Eine Alternative zum Stromspeicher stellt die sogenannte Stromcloud dar. Bei dieser handelt es sich um ein Angebot verschiedener Anbieter, über das man für eine monatliche Grundgebühr Strom einspeisen und abrufen kann, wann immer er benötigt wird. Dass Sie damit anders als mit einem Stromspeicher natürlich nicht „Ihren“ Strom verbrauchen, muss Ihnen klar sein. Trotzdem bietet Ihnen die Stromcloud die Möglichkeit, unabhängig vom Netzbetreiber zu sein.

Was ist Wärmepumpenstrom?

Als die Technologie Wärmepumpe ihren Durchbruch erlebte, wurden die Energieanbieter gesetzlich dazu verpflichtet, für deren Betrieb besonders preiswerte Stromtarife anzubieten. Diese Pflicht besteht heute zwar nicht mehr, die Tarife sind aber zum Teil erhalten geblieben. Es lohnt sich also, die Preise zu vergleichen!

Den speziellen Wärmepumpenstrom gibt es, weil elektrisch betriebene Wärmepumpen eine große Belastung für das Stromnetz sein können. Zu Spitzenzeiten können die Energieanbieter die Wärmepumpen deshalb von der Stromversorgung abschneiden. Für diese erhöhte Flexibilität „belohnen“ sie die Kunden mit günstigen Preisen.

Die Steuerung einer Wärmepumpe kann auf verschiedene Arten funktionieren. Zum einen lässt sie sich über Thermostate manuell bedienen und unterscheidet sich damit nicht von einer herkömmlichen Heizung. Dabei wird die gewünschte Raumtemperatur festgelegt, die Heizkörper oder Fußbodenheizung heizen dann automatisch.

Einen Schritt weiter geht man, wenn man eine smarte Einzelraumregelung einrichtet. Bei einem Smart Home, das über einen Computer gesteuert wird, lassen sich so für jeden Raum individuell Heizprofile erstellen. Zusätzlich lassen sich Faktoren wie Uhrzeit, Wetter und Eigenstromproduktion über die Photovoltaik-Anlage mit einbeziehen, um die Effizienz zu maximieren.

Fassen wir also zusammen: Die Wärmepumpe ist einfach zu installieren, kompakt, ökologisch sinnvoll und spart langfristig Geld. Ist die Wärmepumpe damit allen anderen Heizungen überlegen? Aus technischer Sicht schon. Trotzdem sollte man andere Heizungen noch nicht vollständig abschreiben.

Während die Wärmepumpe zwar saubere, erneuerbare Wärme liefern kann, erledigt sie ihren Job am besten, wenn die baulichen Voraussetzungen am Haus erfüllt werden. Das bedeutet, dass in einer Welt, in der alle Häuser ideal gedämmt sind und eine geplante Infrastruktur existiert, alle Verbrennungsheizungen obsolet werden.

In dieser Welt leben wir aber noch nicht. In Häusern mit hohem Heizbedarf funktioniert eine Verbrennungsheizung oftmals einfach besser, bzw. günstiger als eine Wärmepumpe. Die Wärmepumpe ist somit definitiv eine Heizung mit Zukunft, sollte aber trotzdem nicht blind und als Selbstzweck eingesetzt werden, sondern mit Bedacht dort, wo es Sinn ergibt.