unerschöpfliche Umweltwärme nutzbar machen

Wärmepumpen bieten die Möglichkeit aus verschiedenen Quellen Wärme zum Heizen zu gewinnen. Am häufigsten werden Luft, Erdreich und Wasser angezapft. Mit der Wärmepumpentechnik ist es dabei möglich mehr Wärme zu erzeugen, als aus der Quelle aufgenommen wird. Was klingt als würde es gegen die Physik verstoßen, macht sich ganz im Gegenteil einen speziellen physikalischen Effekt zunutze, den Joule-Thomson-Effekt.

Funktionsprinzip der Wärmepumpe

Die einfachste Erklärung für das Funktionsprinzip einer Wärmepumpe ist eine Analogie zu einem allseits bekannten Haushaltsgerät: Der Kühlschrank basiert auf dem gleichen technischen Prinzip wie die Wärmepumpe. Ein Kühlschrank entzieht seinem Innenraum Wärme und gibt diese nach Außen ab. Die Wärmepumpe entzieht der Umwelt außerhalb des Hauses Wärme und gibt diese in den Heizkreislauf des Hauses ab, aber schauen wir noch ein wenig genauer hin.

1. Verdampfen - Wärme aus der Umwelt aufnehmen
Hierzu werden Flüssigkeiten eingesetzt, die bei sehr geringen Temperaturen bereits verdampfen. Die notwendige Wärmenergie zum Übergang von flüssig zu gasförmig stammt dabei aus der jeweiligen Umweltquelle. Das gasförmige Kältemittel ist dann wärmer als es vorher im flüssigen Zustand war.

2. Verdichten - mehr Wärme erzeugen
Gase lassen sich auf einfache Weise noch wärmer machen: man drückt sie zusammen. Ein Beispiel zum selber ausprobieren funktioniert mit einer Luftpumpe. Halten Sie einen Finger auf die Öffnung und pumpen Sie ein paar Mal. Am Finger spüren Sie die Wärme, die durch das Pumpen erzeugt wird. In einer Wärmepumpe wird dafür ein Verdichter eingesetzt, der in der Regel mit Strom betrieben wird.

3. Verflüssigen - Wärme in den Heizkreislauf abgeben
Um die Wärme aus dem Kältemittel-Gas wieder herauszubekommen wird ein Wärmetauscher eingesetzt. Ohne dass sich das Wasser aus dem Heizkreislauf und das Kältemittel berühren, wird die Wärme übertragen. Das Kältemittel kühlt sich ab, was zur Kondensation führt. Wie die Luftfeuchtigkeit an einer kalten Flasche verflüssigt sich das Kältemittel wieder.

4. Entspannen - den Druck rausnehmen
Das Kältemittel ist abgekühlt und wieder flüssig, steht aber noch unter hohem Druck. Die Verdichtung im zweiten Schritt kann nur erfolgen, wenn der noch vorhandene hohe Druck verringert wird. Das Kältemittel strömt dazu durch eine Drossel. Die Entspannung sorgt gleichzeitig für eine Abkühlung des Kältemittels, was die Wärmeaufnahme und damit die Verdampfung in Schritt eins ermöglicht.

Der "Trick" der Wärmepumpe liegt im zweiten Schritt, der Erzeugung von Wärme durch Verdichtung. Gleichzeitig wird an dieser Stelle Energie verbraucht, um den Verdichter anzutreiben. Wie effizient eine Wärmepumpe insgesamt ist, hängt aber vor allem vom Temperaturunterschied zwischen der Wärmequelle und der Zieltemperatur ab. Je größer dieser Unterschied ist, desto schlechter ist die Effizienz oder anders gesagt: Je tiefer die Quelltemperatur ist, desto niedriger ist das Temperaturniveau, das durch die Verdichtung erreicht werden kann.

Niedrige Heizwassertemperaturen erhöhen die Effizienz

Das Temperaturniveau, das eine Wärmepumpe erzeugen kann, ist zudem begrenzt. Optimal für Wärmepumpen sind Heizsysteme mit niedrigen Vorlauftemperaturen zwischen 25 und 30 Grad Celsius. Mittlerweile gibt es auch effiziente Wärmepumpen, die bis zu 55 Grad Celsius erzeugen können, so dass Wärmepumpen auch Warmwasser bereitstellen können. Die heute noch oft üblichen 70 Grad Celsius für den Vorlauf eines Heizsystems sind aber nicht effizient zu schaffen. Der Einbau einer Wärmepumpe in ein bestehendes Gebäude bedingt daher in den meisten Fällen auch den Austausch der alten Heizkörper gegen Niedertemperatur-Heizkörper oder Flächenheizungen.

Die drei gängigsten Wärmequellen

Luft-Wärmepumpen saugen Außenluft an, um ihr Kältemittel zu verdampfen. Gerade im Winter ist hier der Temperaturunterschied zwischen Quelle und Zieltemperatur groß. Selbst, wenn nur 30 Grad Celsius erzeugt werden müssen, steht dem Außenluft von zeitweise minus zehn Grad oder noch weniger gegenüber. Es müssen also insgesamt 40 Grad Celsius Temperaturunterschied überwunden werden. Im Sommer dagegen erreicht die Effizienz Spitzenwerte, da die Außenluft auf Temperaturen von 30 Grad Celsius und höher stiegen kann.

Erdwärmepumpen entziehen dem Boden Wärme. Dazu können Flächenkollektoren zum Einsatz kommen, die nur wenig mehr als einen Meter tief verlegt werden. In dieser Tiefe haben Umweltfaktoren nur noch wenig Einfluss, sodass Schwankungen in der Quelltemperatur gering sind. Geht man noch tiefer, häufig wird 20 Meter tief gebohrt, verschwindet der Einfluss des Wetters und der Jahreszeiten komplett. Noch tiefere Bohrungen machen die Wärme aus dem Erdkern nutzbar. Dafür werden Sonden in bis zu 100 Meter tiefen Bohrungen eingesetzt.

Außerhalb von Wasserschutzgebieten kann auch Grundwasser als Wärmequelle genutzt werden. In diesem Fall muss auch gebohrt werden und es braucht eine Entnahmestelle sowie eine Rückführung des Grundwassers, um kein Ungleichgewicht im Grundwasserleiter anzurichten. Hier ist ähnlich zur Erdwärme ein Vorteil, dass die Quelltemperatur meist weniger stark schwankt als bei der Außenluft.