Wärmepumpe

Mit Hilfe von Wärmepumpen kann Niedertemperaturwärme, die aus dem Erdboden, dem Grundwasser oder aus der Luft gewonnen wird, auf ein höheres nutzbares Temperaturniveau gebracht werden. Für diese "Wärmeverschiebung" muss elektrische Energie aufgewendet werden, umso mehr je größer der Temperaturhub sein soll. Deshalb eignen sich für ein Heizsystem mit Wärmepumpe auch Fußbodenheizung besser als Heizkörper .

Die Arbeitsweise einer Kompressionswärmepumpe entspricht der einer Kältemaschine (Kühlschrank): In einem geschlossenem Kreislauf zirkuliert ein leicht siedendes Kältemittel. Flüssiges Kältemittel verdampft bei niedrigem Druck im Verdampfer und nimmt dabei Wärmeenergie aus der Umgebung auf. Im elektrisch angetriebenen Kompressor wird der Kältemitteldampf verdichtet. Bei diesem Vorgang erhöht sich die Temperatur auf ein nutzbares Niveau. Im Kondensator gibt das Arbeitsmedium Wärme ab. Das Kältemittel kühlt sich ab und geht in den flüssigen Aggregatszustand über. Dabei wird neben der fühlbaren Wärme auch latente Wärme frei. Diese Energie wird für Raumheizung, Warmwasserbereitung etc. genutzt. In einem Expansionsventil entspannt sich das Kältemittel, der Kreislauf beginnt von Neuem.

Wie hoch der Anteil der aufzuwendenden Energie ist, gibt die sogenannte Leistungszahl an. Eine Leistungszahl von 4 bedeutet, dass unter definierten Temperaturbedingungen mit 1 kWh elektrischem Energieeinsatz der Umwelt 3 kWh Wärmeenergie entzogen werden, so dass 4 kWh Wärme für die Heizung zur Verfügung stehen. Wärmepumpen mit Luft als Wärmequelle weisen schlechtere Leistungsziffern aus als jene, die ihre Wärme aus dem Grundwasser oder über einen Erdreichwärmetauscher beziehen. Bei letzterer dient die Sole, ein Wasser-Frostschutzgemisch, als Wärmeträger. Die Leistungszahl als Momentanwert hängt vom Temperaturniveau der Wärmequelle und des Verbrauchers ab und ist somit während der Heizperiode erheblichen Schwankungen ausgesetzt. So arbeitet eine Luftwärmepumpe sehr uneffektiv bei kalten Außentemperaturen, deshalb werden diese System dann durch eine elektrische Direktheizung unterstützt. Aussagekräftiger als die Leistungsziffer ist die Jahresarbeitszahl. Sie kann als Ausnutzungsgrad verstanden werden, denn sie bezeichnet das Verhältnis zwischen abgegebener Wärmemenge (Heizwärme) und zugeführter Antriebsenergie über ein ganzes Jahr hinweg und sollte auch Hilfsenergien für Pumpen und Ventilatoren berücksichtigen.

Etwas mehr als die Hälfte der eingesetzten Wärmepumpen in Deutschland sind Sole-Wasser-Wärmepumpen, die dem Erdboden durch horizontal oder vertikal verlegte Sonden Wärme entziehen und ihn dadurch auskühlen. Die Sonne liefert die Bodenwärme im Sommer sukzessive wieder nach. Häufig wird in diesem Zusammenhang der Begriff „oberflächennahe Geothermie“ verwendet, ein Begriff der die elektrisch betriebene Wärmepumpe in den Zusammenhang regenerativer Energiequellen stellen soll. Ökologisch gesehen ist sie in Wahrheit nur dann eine Alternative, wenn sie eine Jahresarbeitszahl von über vier besitzt, der zusätzliche Strom aus CO2-freiem Ökostrom stammt und zudem die Wärmepumpe mit einem klimafreundlichem (H)FKW-freien Kältemittel betrieben wird. Neben höherer Leistungsziffern liegt der Vorteil von Erdreichwärmepumpen gegenüber Luftwärmepumpen darin, dass sie über das Jahr bei relativ konstanter Heizleistung betrieben werden können, da die Erdtemperatur nur wenige Grad um den Nullpunkt schwankt. Es sind allerdings aufwändige Erdarbeiten zur Verlegung des Kollektors erforderlich und etwa der im Vergleich zur Wohnfläche doppelte Platzbedarf im Garten. Das Wachstum der Pflanzen im Frühjahr dürfte durch die Auskühlung des Bodens nicht unwesentlich beeinträchtigt werden. Eine Alternative sind vertikal verlegte Erdsonden, wenn die geologischen Gegebenheiten es zulassen (Genehmigung einzuholen).

Aktuelle Messungen in Niedrigenergiehäusern mit Flächenheizsystem haben ergeben, dass Sole-Wasser-Wärmepumpen mit Erdreich-Wärmetauscher im Durchschnitt Jahresarbeitszahlen von etwa 3,5 (2,7…4,3) erreichen, die von Luft/Luft und Luft/Wasser-Wärmepumpen sogar nur 2,5 bis 3,4. Dieses Verhältnis von Nutzenergie zu eingesetzter Energie spiegelt sich aber gegenwärtig bei der Bereitstellung elektrischer Energie im europäischen Netzverbund in umgekehrter Richtung wieder: Etwa zwei Drittel der eingesetzten Rohenergie geht bei der Umwandlung in den Großkraftwerken und im Leitungsnetz verloren. Wenn man also die Primärenergiebilanz einer Wärmepumpe „außerhalb der Steckdose“ betrachtet, ist sie nicht besser als bei einer Öl- oder Gasheizung. Hinzukommt, dass das Heizen mit Wärmepumpen im Stromnetz zu einer Erhöhung der Spitzenlast im Winterhalbjahr beiträgt. Dies wiederum zieht eine Kapazitätserweiterung des Kraftwerkparks nach sich, die im Sommer nicht genutzt werden kann und deshalb höhere Strombezugskosten verursacht.

Um Niedertemperaturwärme für die Raumheizung bereitzustellen, sind bei der Wärmepumpe - im Gegensatz zur Solarthermieanlage - komplizierte und verlustbehaftete Kreisprozesse erforderlich.

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