Luft Wasser Wärmepumpen - eine erneubare Energie

Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Eine Wärmepumpe funktioniert wie ein „umgestülpter“ Kühlschrank. Beim Kühlschrank wird dem innen liegenden Kühlraum Wärme entzogen. Auf der Rückseite des Kühlschranks geben Blechlamellen diese Wärme bei höherer Temperatur an die Umgebung ab. Auch eine Wärmepumpe für die Hausheizung hebt („pumpt“) Wärme von einem niedrigen auf ein höheres Temperaturniveau. Bei ihr geht es aber nicht darum, Medien wie die Luft und Nahrungsmittel im Kühlschrank zu kühlen, sondern ein Medium zu heizen. Die Wärmepumpe entzieht dazu der Umgebung Wärme und gibt sie bei höherer Temperatur über die Raumheizung an das Gebäude ab. Als Wärmequelle dienen Erdreich, Wasser, Luft, Abluft oder auch Abwärme aus z.B. kommunalem Abwasser. Bei Kühlschrank und Wärmepumpe wird ein Arbeitsmedium (auch Kältemittel genannt) über vier Funktionseinheiten, nämlich Verdampfer, Verdichter, Wärmetauscher (Verflüssiger) und Expansionsventil, im Kreislauf geführt: Im Verdampfer nimmt das flüssige Arbeitsmedium die erforderliche Verdampfungswärme aus der Umgebung auf und geht in den gasförmigen Zustand über. Beim Kühlschrank ist der Verdampfer im Kühlraum; bei der Wärmpumpe besteht er zum Beispiel aus Erdkollektoren, die Wärme aus der Erde aufnehmen. Der Verdichter bringt das aufgewärmte, gasförmige Arbeitsmedium auf einen höheren Druck und erhöht damit dessen Temperatur, so dass man die Wärme im Gebäude nutzen kann. In der Regel treibt ein Elektro- oder Gasmotor den Verdichter mechanisch an. Sogenannte „thermische Verdichter“, die mit Erdgas, Fern- oder Abwärme angetrieben werden, sind noch selten anzutreffen. Der Verflüssiger (Kondensator) überträgt die Wärme als Nutzwärme an das Heizungswasser (Kühlschränke geben sie als Abwärme an der Rückwand in den Raum ab). Dabei gibt das gasförmige Arbeitmedium Wärme ab und kondensiert (es wird wieder flüssig). Danach entspannt das Expansionsventil das nun flüssige, aber noch unter Druck stehende Arbeitsmedium. Dadurch kühlt es sich weiter ab und strömt wieder in den Verdampfer. Der Kreislauf beginnt von neuem. Für die Umweltauswirkungen von Wärmepumpen ist es bedeutsam, wie der Verdichter angetrieben wird: Bei Kompressions-Wärmepumpen ist es ein Elektromotor (dieser braucht elektrischen Strom – man spricht dann von einer elektrischen Wärmepumpe) oder ein Gasmotor. Absorptions-Wärmepumpen nutzen vor allem Erdgas, aber auch Fernwärme oder Abwärme als Antriebsenergie für ihren thermischen Verdichter. Während man in Kühlschränken und Gefriertruhen in der Regel FCKW-freie Kältemittel wie CO2 oder Iso-Butan verwendet, arbeitet der größte Anteil elektrischer Wärmepumpen mit teilfluorierten Arbeitsmitteln (HFKW, allgemein auch F-Gase genannt), die zwar die Ozonschicht nicht angreifen, jedoch den Treibhauseffekt begünstigen. Wenn sie in die Atmosphäre gelangen, beeinflussen diese fluorierten Arbeitsmittel den Treibhauseffekt etwa 1500-mal bis 3000-mal stärker als CO2, so dass sie trotz ihrer geringen Menge eine große Auswirkung auf den Treibhauseffekt haben. Wärmepumpen im „monovalenten Betrieb“ decken den Wärmebedarf eines Gebäudes vollständig das ganze Jahr über ab. Man spricht von einem „bivalenten Betrieb“, wenn bei sehr tiefen Außentemperaturen noch ein zweites, zusätzliches Heizungssystem (z.B. die alte, noch vorhandene Ölheizung oder ein Elektroheizstab) verwendet wird. Nachfolgend werden nur elektrische Wärmepumpen im monovalenten Betrieb näher betrachtet, weil sie in Deutschland momentan die größte Bedeutung haben. Andere Wärmepumpenarten wie „Kompressions-Wärmepumpe mit Gasmotor“ und „Gasbetriebene Absorptions-Wärmepumpe“ werden nur zum Vergleich mitgeführt.