Wärmepumpe

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Eine Wärmepumpe nimmt Energie aus einer bestimmten Umgebung auf (in der Regel Grundwasser oder Luft) und überträgt sie mithilfe technischer Arbeit als thermische Energie auf ein Heizsystem. Der Wärme-Kraft-Prozess wird dabei umgekehrt. Das Verfahren ist sehr effizient und damit umweltfreundlich. Sein Umkehrprinzip ist der Kühlschrank.
heat-pump-2904632_640Der Betrieb von Wärmepumpen
In der Regel werden Wärmepumpen mit Medien betrieben, welche unter Wärmezufuhr bei niedrigem Druck verdampfen. Dann werden sie verdichtet und kondensieren danach wieder aus, wenn sie den höheren Druck abgeben. Dabei entsteht Wärme. Die ausgenutzte Energie basiert auf dem Temperatureffekt beim Verdampfen und Verflüssigen des Mediums. Ein solches Medium kann unter anderem Propan sein. Dieses wird als Gas durch eine Kompression sehr heiß und kühlt sich bei seiner Entspannung sehr ab, wobei es die Hitze an die Umgebung abgibt. Propan ist bei einer Außentemperatur von 5 °C und Normaldruck gasförmig. Nach der Komprimierung bleibt es ein Gas, das aber heiß wird. Wenn dieses Gas auf Zimmertemperatur abgekühlt wird, verflüssigt es unter Absinken des Drucks, nach noch weiterer Entspannung wird es wieder gasförmig und dabei sehr kalt. Dann beginnt der Prozess von vorn. Die erste Abkühlung auf Zimmertemperatur lässt sich zur Wärmegewinnung ausnutzen. Natürlich ist für den Betrieb der Wärmepumpe elektrische Energie nötig, nämlich für den Umlauf des Mediums und für die Kompression. Wenn aber nur eine geringe Temperaturdifferenz zwischen der Ausgangstemperatur (meistens der Erdtemperatur) und der Vorlauftemperatur der Heizung zu überwinden ist, fällt der Energiebedarf nicht sehr hoch aus. Das lässt sich mithilfe von Niedertemperaturheizungen realisieren. Solche Heizungen eignen sich am besten für Fußbodenheizungen oder für die Warmwasseraufbereitung. Das sind auch die bevorzugten Einsatzgebiete von Wärmepumpen.

Effizienz einer Wärmepumpe
Pauschal lässt sich die Effizienz von Wärmepumpen nicht quantifizieren, weil es von ihnen zu viele verschiedene Auslegungen gibt. Unter anderem spielt eine Rolle, aus welcher Umgebung und mit welcher Temperatur die Ausgangsenergie aufgenommen wird. Doch grob geschätzt reduzieren Wärmepumpen den Heizenergieaufwand um etwa 30 bis 50 Prozent. Das ist sehr viel, wobei sich diese Effizienz durch die Koppelung mit Solarstrom noch deutlich steigern lässt. Es sinken damit einerseits die Kosten und andererseits die Kohlendioxidemissionen. Beim vollständigen Einsatz von Solarstrom arbeiten Wärmepumpen emissions- und kostenfrei bis auf den Wartungsaufwand. Solche Systeme amortisieren sich je nach Auslegung in rund fünf bis acht Jahren vollständig. Die exakte Effizienz von Wärmepumpen wird für jeden einzelnen Fall mit der Jahresarbeitszahl angegeben. Diese Zahl ist die Relation zwischen der nutzbaren Wärmeenergie und der aufgewendeten elektrischen Energie für den Betrieb. Gute Anlagen (Direktverdampfungsanlagen) weisen eine Jahresarbeitszahl von über 5,0 auf. Das bedeutet, dass die eingesetzte elektrische Energie zu einer fünffachen energetischen Wärmeausbeute führt. Natürlich sind die Energiearten (kWh für Strom und kJ für Wärme) ineinander umzurechnen. Außerdem ist zu berücksichtigten, dass die Jahresarbeitszahl ein theoretischer Wert ist, der nicht Speicherverluste und Nebenverbräuche berücksichtigt. Da diese jedoch bei jeder technischen Anlage für die gleiche Menge an Wärmegewinnung in etwa der gleichen Höhe anfallen, ist die Jahresarbeitszahl eine gute Kenngröße für den Vergleich einzelner Wärmepumpen untereinander.
Was ist bei der Anschaffung von Wärmepumpen zu beachten?
Wärmepumpen verlangen einen hohen apparativen Aufwand, was sich in den Anschaffungs- und Wartungskosten niederschlägt. Je wirkungsvoller sie arbeiten – etwa mit Energie aus erdverlegten Flächenverdampfern (Erdsonden) –, desto teurer sind sie. Die Wartungskosten sind zwar geringer als für Gas- oder Ölheizungen, dennoch müssen Eigenheimbesitzer oder Gewerbetreibende genau kalkulieren, ab wann sich die Investition amortisiert. Das lässt sich bei einem bekannten Heizbedarf unter der Annahme gleichbleibender Strompreise gut kalkulieren. Von dieser Annahme können wir allerdings nicht ausgehen. Die Strompreise steigen meistens im Verlauf von Jahren und Jahrzehnten. Dementsprechend ist mit einer längeren Amortisation zu rechnen.
Welche Kältemittel kommen heute in Wärmepumpen zum Einsatz?
Vom Klimakiller FCKW hat man sich weltweit nach 1990 verabschiedet, es galt seit den 1930er Jahren als Medium der Wahl. Eigentlich eignet es sich aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften sehr gut für Wärmepumpen. Heute verwendet man bevorzugt reine Kohlenwasserstoffe, darunter Propan und Propylen. Diese sind allerdings brennbar. Alternativen sind Ammoniak, Kohlendioxid und sogar Wasser, diese Medien wirken allerdings nicht ganz so effizient. Dennoch setzt man in jüngster Zeit verstärkt unter anderem auf Ammoniak und Kohlendioxid.