Moderne Ölthermen kommen auf eine Energieeffizienz von rund 80 bis 90 Prozent. Eine Gastherme neuester Bauart bietet etwa 90 Prozent Effektivität. Abhängig davon, welche Art von Wärmepumpensystem installiert ist, ist bei diesen Anlagen eine Effizienz von 250 bis 500 Prozent möglich.
Generelle Funktionsweise einer Wärmepumpe
Abgesehen vom Einsatzgebiet ist das Prinzip technisch dasselbe – ganz gleich, ob die Pumpe zum Heizen oder zum Kühlen eingesetzt wird. Deshalb werden Wärmepumpen in Heizungsanlagen, Klimaanlagen und zur Kühlung eingesetzt.
Im Inneren der Wärmepumpe gibt es einen geschlossenen Kreislauf, in dem die Flüssigkeit zirkuliert. Diese Flüssigkeit ist ein Kältemittel und das Arbeitsmedium der Wärmepumpe. Der geschlossene Kreislauf besteht aus vier Hauptkomponenten: einem Verdampfer, einer Drosselklappe, einem Kondensator und einem Kompressor. Das Kältemittel kondensiert und verdampft bei unterschiedlichen Temperaturen. Auf diese Weise wird die Wärme durch den Kreislauf transportiert.
Um zu verstehen, wie das Kältemittel im Kreislauf zirkuliert, muss man die folgenden drei physikalischen Gesetze kennen:
- Gesetz von Druck und Temperatur
- Gesetz des Siedepunkts
- Gesetz über Flüssigkeiten und Gase
Diese Gesetze kommen zum Tragen, wenn man auf einen Berg wandert und die Straße, auf der man geht, viele Meter in die Höhe steigt. Mit jedem Kilometer Höhenunterschied sinkt die Temperatur um etwa sechs Grad Celsius. Dies passiert, weil der Luftdruck mit zunehmender Höhe geringer wird. Je niedriger der Druck ist, desto niedriger ist die Temperatur und umgekehrt. Hier kommt das Siedepunktgesetz ins Spiel, denn je niedriger der Druck ist, desto niedriger ist der Siedepunkt. Auf dem heimischen Herd kocht Wasser bei 100 Grad Celsius, auf dem Gipfel des Mount Everest tut es dies bereits bei 68 Grad Celsius.
Das Gesetz von Gas und Flüssigkeit besagt, dass Flüssigkeit zu Gas verdampft, wenn ihr Wärme zugeführt wird. Wenn man dies umdreht, kann man sagen, dass Flüssigkeit der Umgebung Wärme entzieht und die Umgebung kühlt. Schweiß kühlt beispielsweise den Körper und senkt die Körpertemperatur. Hier spielt der Kühleffekt bei Verdunstung eine Rolle. Bei der Verflüssigung von Gas findet ein gegenteiliger Prozess statt, bei dem Wärme freigesetzt wird und die Umgebung erwärmt. Indem man die Gesetze der Physik auf den Wärmepumpenkreislauf anwendet, lässt sich verstehen, was in der Wärmepumpe passiert.
Das Kältemittel wird dem Kompressor in Form von Kaltgas zugeführt. Im Kompressor steigt der Druck und damit auch der Siedepunkt. Dabei wird das Kältemittel von gasförmig in flüssig umgewandelt. Im Kondensator kühlt sich das Kältemittel ab und geht wieder in seine flüssige Form über, die Wärme an die Umgebung abgibt.
Anschließend strömt die Flüssigkeit in einem dünnen Strahl durch das Expansionsventil, auch Drosselventil genannt, wobei der Druck und damit auch der Siedepunkt wiederum sinkt. Dadurch verdampft das Kältemittel erneut, und dieser Vorgang erfordert Wärme. Dabei wird das Kältemittel zu einem Gemisch aus Gas und Flüssigkeit abgekühlt, das zum Verdampfer strömt.
Die Umgebung erhitzt das Kältemittel, bis alles verdampft, die Umgebung kälter wird, der Druck sinkt und das Kältemittel kälter wird. Das kalte Gas erreicht die Kompressoröffnung, und der Anfang des Prozesses ist erneut erreicht. Um zu kühlen, statt zu heizen, kann eine reversible Wärmepumpe die Richtung des Kältemittels im Kreislauf ändern. Eine Erdwärmepumpe kann auch Kälte aus dem Grundgestein beziehen.
Welche Wärmepumpen gibt es?
- Steinwärmepumpe, auch Tiefenwärmepumpe genannt
- Erdwärmepumpe
- Luft-Wasser-Wärmepumpe
- Abluftwärmepumpe
- Luft-Luft-Wärmepumpe
Um eine Tiefenwärmepumpe, eine Erdwärmepumpe, eine Luft-Wasser-Wärmepumpe oder eine Abluftwärmepumpe zu installieren, muss eine wasserbasierte Heizungsanlage vorhanden sein.
Steinwärme- oder Tiefenwärmepumpe
Es werden ein bis zwei tiefe Löcher in den Boden gebohrt, wobei zwischen 70 und 200 Meter erreicht werden. Über diese Löcher nutzt die Steinwärmepumpe die im Boden gespeicherte Sonnenwärme. Ein Schlauch mit Flüssigkeit, die vom Gestein erhitzt wird, wird in das Bohrloch abgesenkt und dann zum Haus hochgepumpt. Die Tiefenwärmepumpe entzieht dem Boden seine Wärme, wodurch sich die Temperatur im Schlauch auf 35 bis 70 Grad Celsius erhöht. Über die Flüssigkeit wird die Wärme an das Heiz- und Warmwassersystem des Hauses weitergeleitet. Anschließend wird die Flüssigkeit zur erneuten Erwärmung in den Grund zurückgepumpt. Das System ist auch umgekehrt einsetzbar. Die Wärme des Gebäudes wird in den Untergrund geleitet, die Temperatur der Flüssigkeit im Schlauch sinkt. Die abgekühlte Flüssigkeit wird zur Kühlung des Hauses verwendet.
Erdwärmepumpe
Das heiße, gasförmige Kältemittel gelangt in den Kondensator, wo es seine Wärme an das Heizsystem des Gebäudes abgibt und dabei wieder verflüssigt wird. Das flüssige Kältemittel wird durch ein Expansionsventil geleitet, wodurch Druck und Temperatur sinken. Danach wird es wieder in den Verdampfer zurückgeführt, und der Kreislauf beginnt von neuem. Durch diesen Prozess kann die Erdwärmepumpe die Temperatur auf 35 bis 70 Grad Celsius erhöhen und die Wärme an das Heiz- und Warmwassersystem des Hauses abgeben. Diese Methode ist besonders effizient und umweltfreundlich.
Luft-Wasser-Wärmepumpe
Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe nutzt die Wärmeenergie aus der Umgebungsluft, um ein Gebäude zu heizen und Warmwasser zu erzeugen. Sie wird außerhalb des Hauses platziert und entzieht der Außenluft gespeicherte Sonnenenergie. In der Wärmepumpe zirkuliert eine Flüssigkeit, die über einen Verdampfer die Wärme der Außenluft aufnimmt und verdampft. Das gasförmige Kältemittel wird in einen Kompressor geleitet, wo es verdichtet und dadurch erhitzt wird. Anschließend gibt es die Wärme im Kondensator an das Heizsystem des Gebäudes ab und verflüssigt sich wieder.
Abluftwärmepumpe
Eine Abluftwärmepumpe belüftet, erwärmt und reinigt die Raumluft. Sie gewinnt die Wärme der Luft zurück, bevor sie abgeführt wird. Damit dies funktioniert, ist ein mechanisches Belüftungssystem – sprich: eine Klimaanlage – die Voraussetzung.
Luft-Luft-Wärmepumpe
Eine Luft-Luft-Wärmepumpe besteht aus einem Außenteil und einem Innenteil, die durch Kupferrohre miteinander verbunden sind. Die Luft-Luft-Wärmepumpe entzieht der Außenluft Energie und wandelt sie mithilfe der Kompressortechnik in Wärme oder Kälte um. Im Kupferrohr wird ein Kältemittel transportiert, das den Schlüssel zur Energiegewinnung darstellt. Der innere Teil verteilt Wärme oder Kälte. Darüber hinaus reinigt es die Raumluft.
Wasser-Wasser- oder Grundwasserwärmepumpe
Bei der Grundwasserheizung wird die im Grundwasser enthaltene Energie genutzt. Grundwasser besitzt ganzjährig eine relativ stabile Temperatur von etwa 12 Grad Celsius. Grundwasser wird aus dem Gestein nach oben gepumpt, und die Energie wird von der Wärmepumpe aufgenommen, die das Wasser dann zurück ins Gestein befördert. Das Prinzip der Grundwassererwärmung ist weitgehend das gleiche wie bei der Gesteins- und der Erdwärme. Der große Unterschied besteht darin, dass ein Brunnen mit Zugang zum Grundwasser vorhanden sein muss.
Welche Wärmepumpe ist für welche Häuser ideal?
Wärmepumpen, die das Grundwasser nutzen, bieten in der Regel den höchsten Wirkungsgrad. Zudem ist der Energiebedarf für das gesamte Wärmepumpensystem relativ gering. Es ist notwendig, die Konstruktion eines Gebäudes zu prüfen, wobei die Größe und Anzahl der Räume eine entscheidende Rolle spielen. Erst danach kann ein erfahrener Energieberater oder ein Spezialist für Wärmepumpen ein konkretes System empfehlen. Besonders häufig werden Grundwasserwärmepumpen genutzt. Sie besitzen einen hohen Wirkungsgrad, verursachen geringe Energiekosten und sind relativ einfach zu installieren.
