Wärmepumpe – Eine Übersicht einfach erklärt

Wir alle wissen unseren Komfort zu schätzen und möchten ihn nicht missen. Dazu gehört im eigenen Heim vor allem eine angenehme Wärme im Winter und eine gute Kühlung an heißen Sommertagen. Aber die meisten von uns sind an das gebunden sind, was wir uns leisten können oder was wir eben in unserem gemieteten oder gekauften Haus vorfinden. Wärmepumpen erfordern eine hohe Investition und sind relativ aufwendig einzubauen. Außerdem benötigen sie Platz im Garten. Aber langfristig können sie Kosten senken und sich daher durchaus finanziell lohnen. Hinzu kommt, dass sie für die Umwelt deutlich besser sind als konventionelle Systeme. Also erklären wir dir hier einfach das Prinzip Wärmepumpe, damit du Bescheid weißt.

Vielleicht hast du dich schon mal mit dem Thema Wärmepumpe auseinandergesetzt, es dann aber wieder links liegen lassen, weil es doch ziemlich komplex und unübersichtlich erscheint. Um es dir ein wenig einfacher zu machen, haben wir diesen Artikel erstellt, der dir die wichtigsten Infos zu den verschiedenen Arten von Wärmepumpen gibt und deren Funktionsweise erläutert.

dein heimmeister-team

Das Heizen und Kühlen unserer Arbeitsplätze und Wohnungen sind ein wichtiger Teil unseres Lebens. Die Auswirkungen der Verbrennung fossiler Brennstoffe werden jedoch zu einem riesigen Problem, wie wir nicht erst seit der „Fridays for Future“- Bewegung wissen. Die Menschheit ist potenziell bedroht durch den Verbrauch der fossilen Brennstoffe. Daher hat die Bundesregierung erklärt, bis 2050 einen klimaneutralen Gebäudebestand erreichen zu wollen. Bis dahin ist es aber noch ein weiter Weg.

Laut „Erneuerbare-Energien-Wärme-Gesetz“ sind momentan bei Neubauten mindestens 15 Prozent der Energie aus erneuerbaren Quellen abzudecken. Mit konventionellen Heizungen ist das kaum möglich. Deshalb fördert die Bundesregierung umweltfreundliche Systeme wie die Wärmepumpe mit bis zu 5.500 Euro.

Was sind Wärmepumpen?

Einer der größten Kostenfaktoren für Heizung und Kühlung ist die Energie, die zur Änderung der Lufttemperatur erforderlich ist. Wenn es draußen 40 Grad hat, muss Energie eingesetzt werden, um die Temperatur der Luft im Inneren zu senken. Bei winterlichen Temperaturen ist natürlich das Gegenteil der Fall und die eingesetzte Energie muss den Raum aufheizen.

Eine Möglichkeit, die mit diesem Prozess verbundenen Energiekosten zu senken, besteht darin, einen nahen gelegenen Standort zu erschließen, der im Sommer kühler und im Winter wärmer bleibt. Auf diese Weise muss die Temperatur möglicherweise nur um 5 -10 Grad anstatt um 15-20 Grad geändert werden. Wärmepumpen können diese Veränderung erreichen, indem sie sich die Temperaturunterschiede zwischen den Umgebungen zunutze machen.

Nehmen wir den Fall des Heizens im Winter: Eine Wärmepumpe kann die höheren Temperaturen tief unter der Erde nutzen und sie aus dieser Quelle in ein oberirdisches Haus transportieren.

Für diesen Prozess ist nach wie vor eine externe Energiequelle erforderlich. Aber da die Temperaturen unter der Erde nicht so stark schwanken wie über der Erde im Freien, spart dieser Prozess die Energie, die zur Erwärmung der Luft benötigt wird.

Das klappt sogar bei Minusgraden. Dafür muss das Gebäude allerdings wirklich gut isoliert sein und am besten eine Fußbodenheizung haben. Dann kann die Wärmepumpe effizient genug arbeiten.

Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Im Allgemeinen enthalten die meisten Wärmepumpen einige wenige Elemente:

• Kondensator – Ein Gerät, das Gas zu einer Flüssigkeit kondensiert. Der Prozess kühlt das Material und ermöglicht die Abgabe von Wärme an die Umgebung.
• Expansionsventil – Regelt den Fluss des in den Verdampfer eingespritzten Materials.
• Verdampfer – Kehrt den Kondensator um, indem Flüssigkeit in Gas umgewandelt wird. Dieser Prozess bewirkt, dass das Material Wärme aus der Umgebung aufnimmt.
• Kompressor – Reduziert das Volumen der Gase und/oder bewegt die Flüssigkeit durch das System.
• Kältemittel – Die Flüssigkeit/das Gas bewegt sich durch das System.

Im Grunde genommen ist das System darauf ausgelegt:

• Das Kältemittel in den Rohren zu kondensieren; Wärme an die erste Umgebung abzugeben.
• Das Kältemittel in die zweite Umgebung zu befördern.
• Dann verdampft das Kältemittel und nimmt dabei Wärme aus der zweiten Umgebung auf.
• Verdichten des Dampfes, wodurch eine weitere Erwärmung durch Erhöhung des Innendrucks erreicht wird.
• Das Kältemittel zurück in die erste Umgebung zu befördern, um den Prozess erneut zu starten.

Dieses Verfahren wird im Prinzip genauso bei Kühlschränken und Klimaanlagen angewandt. Eine Wärmepumpe kann jedoch so konstruiert sein, dass sie Wärme aus der wärmeren Umgebung aufnimmt und dann Wärme an die kältere Umgebung abgibt.

Seit wann gibt es Wärmepumpen?

Wie oben angedeutet, haben Wärmepumpen ihren Ursprung im Prozess der Kälteerzeugung. Der erste aufgezeichnete Kälteprozess wurde 1748 von William Cullen geschaffen. Es dauerte mehr als ein Jahrhundert, bis Peter von Rittinger diese Technologie bis 1857 in Wärmepumpen umsetzte. Ein zweites Jahrhundert später schuf die Royal Festival Hall in London die erste reversible Wärmepumpe in großem Maßstab.

In den letzten Jahren werden Wärmepumpen auch aus Sorge um die Umwelt zunehmend populär.

Wo kannst du dich informieren?

Verbraucherzentralen beraten in Energiefragen (verbraucherzentrale-energieberatung.de) und bieten an, Experten zur Beratung vor Ort bereitzustellen. Energieberater lassen sich auch über die Deutsche Energieagentur finden: energie-effizienz-experten.de.  Zum Thema Förderprogramme gibt es Informationen auf der Internetseite des Bundesministeriums für Wirtschaft.

Arten von Wärmepumpen

In unserer modernen Heiz- und Kühlindustrie gibt es verschiedene Arten von WäEs gibt verschiedene Arten von Wärmepumpen. Im Folgenden stellen wir die drei grundlegenden Kategorien vor:

• Außenluft-Wärmepumpen oder Luft-Luft-Wärmepumpen
• Erdwärmepumpen oder Geothermie (auch Untergrund/Unterwasser)
• Hybrid-Wärmepumpen

Bevor wir uns diese Kategorien näher ansehen, sind aber noch zwei weitere Kategorien zumindest kurz erwähnenswert:

1. Die Reversible Wärmepumpe

Reversible Wärmepumpen sind in der Lage, sowohl Heiz- als auch Kühlprozesse in denselben beiden Umgebungen durchzuführen. Beim Heizen nutzen sie die externen Rohre, um Wärme zu absorbieren und diese Wärme an das Innenklima abzugeben. Beim Kühlen nehmen sie die Wärme aus den Innenräumen auf und geben diese Wärme dann an die Außenumgebung ab.

Die meisten Wärmepumpentypen sind mit der reversiblen Option erhältlich. Die lokalen Klimabedürfnisse entscheiden darüber, welche Pumpe benötigt wird. Da reversible Pumpen teurer sind, solltest du gut überlegen, welches System am besten geeignet ist und was du wirklich benötigst.

Einige Systeme erfordern eine umfangreiche Installation, wie z. B. unterirdische oder Unterwassertypen. Bei diesen Systemen muss eine Hälfte der Einheit tief unter der Erde oder auf dem Grund eines nahegelegenen Gewässers platziert werden. Auf lange Sicht kann es kostengünstiger sein, ein reversibles System zu installieren, um spätere Neuinstallationskosten zu vermeiden.

2. Festkörper-, thermoelektrische und  thermoakustische Wärmepumpen

Festkörper-Wärmepumpen werden zwar im Allgemeinen nicht zum Heizen von Gebäuden verwendet, wir möchten sie aber dennoch an dieser Stelle der Vollständigkeit halber erwähnen. Wärmepumpen auf magnetischer Basis nutzen die Eigenschaften starker Magnetfelder auf bestimmten Metallen. Die Felder können dazu neigen, Metalle wie Eisen oder Gadolinium bis zu 10 Grad zu erwärmen. Wenn das Metall dann in eine Umgebung ohne dieses Feld gebracht wird, gibt es die zusätzliche Wärme an die Umgebung ab. Dieser Prozess ist nicht so energieeffizient wie Systeme, die flüssige oder gasförmige Alternativen verwenden.

Thermoelektrische Pumpen verwenden Spannung, um Wärme zwischen zwei Bereichen zu übertragen. Diese Systeme haben ebenfalls einen niedrigen Wirkungsgrad und haben außerhalb kleiner Kühlvorrichtungen kaum Verwendung. In ähnlicher Weise haben thermoakustische Geräte außerhalb kryogener Prozesse kaum Bedeutung. Diese Geräte nutzen relative Druckunterschiede, die durch akustische Wellen verursacht werden, um Wärmeenergie zu übertragen.

3. Außenluft-Wärmepumpen oder Luft-zu-Luft-Wärmepumpen

Wie der Name schon sagt, übertragen Luft/Luft-Wärmepumpen Wärme von der Außenluft in das Innere der Anlage. Sie sind als reversible Systeme erhältlich, die Innenluft heizen und kühlen können. Zu den gebräuchlichsten Systemen gehören solche, die Dampfkompression oder Warmwasser für Heizkörper oder die direkte Nutzung im Haushalt verwenden.

Diese Art der Dampfkompression funktioniert ähnlich wie Kühlschränke oder Klimaanlagen. Sie bestehen aus einer Einheit, die in Innenräumen aufgestellt wird, und Verbindungsleitungen zu einer oberirdischen Einheit im Freien.

Sowohl Luft/Luft- als auch Strahlungssysteme sind im Allgemeinen energieeffizienter als andere Heizsysteme. Sie sind auch kostengünstiger zu installieren als andere Formen von Wärmepumpen, da sie oberirdisch zu installieren sind.

Sie sind jedoch die am wenigsten effiziente Form der Wärmepumpe. Unterirdische oder Unterwasser-Wärmepumpensysteme sind wesentlich effizienter. Sie erfordern jedoch eine umfangreiche Installation. Außerdem benötigen sie zusätzliche Rohrleitungen, um das Kältemittel über die größere Entfernung zu transportieren.

Luftbetriebene Wärmepumpensysteme können für Einrichtungen in relativ gemäßigten Klimazonen ideal sein. Sie können bei fast jedem Wetter, außer bei extrem kaltem Wetter, das sich dem Gefrierpunkt nähert, ausreichend Wärme liefern.

Luft/Luft-Wärmepumpensysteme haben eine Reihe von Nachteilen. Während sie für gemäßigte Klimazonen geeignet sind, funktionieren sie in Klimazonen mit extremeren Bedingungen nicht gut. Bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt sinkt die Heizleistung unter das tolerierbare Niveau. Die meisten Systeme beinhalten eine Art Widerstands- oder Öl-Notheizung. Eine Notheizung ist jedoch nicht kosteneffektiv oder für den ständigen Gebrauch ausgelegt. Außerdem verursachen die Pumpen oft Geräusche im tiefen Frequenzbereich. Nicht nur die Nachbarn könnten sich von dem Lärm gestört fühlen.

Da die Systeme oberirdisch sind, können sie Probleme mit Verstopfungen haben. Laub, Gras, Schnee und Eis können den Luftstrom und die internen beweglichen Teile beeinträchtigen. Oberirdische Systeme erfordern oft Filter und Entfroster. Luftbetriebene Wärmepumpensysteme haben in der Regel deutlich höhere Vorlaufkosten als andere Raumheizungslösungen. Sie können jedoch zwanzig Jahre oder länger halten und auf lange Sicht Geld sparen. Wie lange es dauert, bis sich die Vorlaufkosten amortisiert haben, hängt natürlich von den lokalen Strom- und Ölkosten ab.

a. Mini-Split-Wärmepumpe (ohne Kanal)

Die Split-Wärmepumpe ist eine Luft/Luft-Wärmepumpe, die für Häuser ohne Kanäle entwickelt wurde. Sie werden im Allgemeinen bei Nachrüstungen in Gebäuden bevorzugt, in denen früher Warmwasserheizungen oder Heizkörper verwendet wurden. Während herkömmliche luftbasierte Wärmepumpen die Außeneinheit mit dem Kanalsystem verbinden, verwenden Mini-Splits kleine Öffnungen, die in die Seitenwände geschnitten werden. Die Inneneinheiten können an Decken, Wänden oder auf dem Boden bis zu 20 Meter von der Außeneinheit entfernt montiert werden.

Eine Mini-Split-Außeneinheit kann an bis zu vier Inneneinheiten angeschlossen werden. Dies ermöglicht eine effektive Zonenheizung und -kühlung, da jede Inneneinheit unabhängig gesteuert werden kann. Die Installation einer falsch dimensionierten Einheit kann jedoch zu Energieverschwendung oder ineffektiv beheizten Räumen führen.

Manche Menschen empfinden die sichtbaren Rohre und die Inneneinheit als störend. Auf jeden Fall aber sind Mini-Splits in der Regel energieeffizienter als Kanalsysteme. Kanäle sind notorisch ineffizient, da sie oft große Wärmemengen verlieren, bevor sie die Lüftungsöffnungen erreichen.

b. Abluft-Wärmepumpe

Eine letzte Variante von Luft-Luft-Wärmepumpen ist die Abluft-Wärmepumpe. Wie der Name schon sagt, nutzt diese Version die Abluft aus einem Gebäude oder einem Herstellungsprozess. Da das Abgas in der Regel wärmer als die Umgebungsluft ist, kann der gleiche Verdampfungs- bis Kondensationsprozess noch effektiver sein. Dieser Prozess erfordert jedoch einen engen Zugang zu einer gleichmäßigen Abluft und ist daher eher in Industrieanlagen und Fabriken anzutreffen.

3. Erdwärmepumpen (auch Unterwasser)

Die Temperaturen tief unter der Erde und unter Wasser variieren nicht annähernd so stark wie im Freien. Aufgrund dieser Tatsache kann diese Kategorie von Pumpen sowohl wärmere als auch kältere Luft effizienter bereitstellen.

Einige Untergrund- und Unterwasserpumpen verwenden ein Dualleitungssystem. Bei dieser Variante verläuft eine Primärleitung von einer Austauschbox zur oberirdischen Struktur. Eine zweite Pipeline verläuft von einer Austauschbox zum Untergrund-/Unterwasserlabyrinth. Die beiden Rohre treffen sich innerhalb der geschlossenen Wärmetauscher-Einheit. Sowohl unterirdische als auch Unterwassersysteme können eine Mischung aus Frostschutzmittel und Wasser verwenden, um Temperaturextreme besser auszugleichen.

a. (Grund)Wasser-Wärmepumpen

Für Bauwerke, die nahe genug an tiefen Wasserquellen liegen, können Unterwasser-Wärmepumpen eine Option sein. Wasserbasierte Wärmepumpen funktionieren nach einem ähnlichen Prinzip wie luftbasierte, außer dass sie Wasser als Medium für den Wärmeaustausch verwenden. Sie nehmen Wärme aus dem Wasser auf, um das Innere der Struktur zu erwärmen, und geben Wärme an das Wasser ab, um die Struktur zu kühlen.

Da die Temperaturen tief unter Wasser das ganze Jahr über relativ stabil sind, kann dieses System auch in extremeren Klimazonen eingesetzt werden. Dies ist ein großer Vorteil gegenüber luftbasierten Systemen, die nur in gemäßigten Klimazonen eingesetzt werden können.

Da kein tiefer Aushub erforderlich ist, sind Unterwassersysteme kostengünstiger zu installieren als unterirdische Systeme. Allerdings können Unterwassersysteme wesentlich höhere Vorlaufkosten erfordern als luftbasierte Systeme.

Der größte Nachteil von Unterwasser-Wärmepumpen ist natürlich die Notwendigkeit, sehr nahe an einem Gewässer zu sein. Während externe Brunnen funktionieren können, wären größere Wasserquellen mit frei fließendem Wasser effektiver.

Unterwassersysteme können geschlossene Kreisläufe oder offene Kreisläufe sein. Ähnlich wie die anderen diskutierten Varianten bewegen geschlossene Kreisläufe ein Kältemittel durch eine geschlossene Rohrleitung. Offene Kreisläufe hingegen sammeln offenes Wasser im System und bewegen dieses Wasser durch die innere Struktur. Wärme wird dann je nach Bedarf abgegeben oder aufgenommen. Das Wasser wird dann an einem anderen Ort wieder an die Umgebung abgegeben.

Da es sich hierbei um reines Wasser aus der Umwelt handelt, birgt dieser Prozess das zusätzliche Risiko von Mineralablagerungen innerhalb der Leitung. Diese Ablagerungen können den Wasserfluss behindern und damit die Effizienz des Systems beeinträchtigen. Hier ist also Vorsicht und eine gute Wartung geboten!

b. Erdwärmepumpen

Diese Systeme, die auch als geothermische Wärmepumpen oder kurz Geothermie bezeichnet werden, nutzen die konstanten Temperaturen tief im Untergrund. Wie Tiefwasserpumpen verwenden diese oft Wasser als Kältemittel und benötigen keinen Kondensations-/Verdampfungsprozess. Es gibt jedoch auch Standard-Kondensations- und Verdampfungsvarianten.

Für Erdwärmepumpen werden Kollektoren ein bis zwei Meter tief im Erdreich verlegt. Oder aber Sonden, die bis zu 100 Meter tief in den Boden reichen. Beide Systeme sind mit hohen Investitionen verbunden.  Für Kollektoren muss fast der ganze Garten umgegraben werden, für die Sonden ist spezielles Bohrgerät erforderlich.

Für eine gute Erdwärmepumpe, die mit Solarthermie gekoppelt wird, müssen Kosten von 30.000 Euro und mehr einkalkuliert werden. Mit einer bewilligten Förderung kann der Betrag um 5.500 Euro reduziert werden.

Grund für die hohen Investitionen ist, dass ein Netzwerk von Rohren tief unter der Erde verlegt werden muss. Das Wasser fließt durch die Rohre und gibt dabei Wärme ab oder nimmt sie auf, bis es die Umgebungstemperatur des Bodens erreicht hat. Das Wasser wird dann in die oberirdische Struktur gepumpt, um je nach Bedarf Wärme abzugeben oder aufzunehmen.

Während Tiefwasserrohre in der Regel horizontal gegen den Wasserboden liegen, gibt es bei den unterirdischen Typen eine Reihe von Konfigurationen. Wo der horizontale Raum begrenzt ist, können die Rohre in vertikalen Schleifen verlegt werden. Dazu wird eine Reihe von tiefen Löchern in den Boden gebohrt. Die Rohre bilden eine Kette von tiefen vertikalen U-Formen. Jedes der Bohrlöcher kann für den Temperaturaustausch mit Grundwasser oder einem anderen Medium gefüllt werden.

Wo mehr Platz vorhanden ist, können die Rohre in einem horizontalen Netzwerk in U-Formen angeordnet werden, die auf einer einzigen Ebene unterhalb der Frostgrenze liegen. Der ausgehobene Boden kann dann zur Abdeckung der Rohre genutzt werden.

Mit dem Verfahren, das als Horizontalrichtungsbohren bezeichnet wird, können horizontale Rohre auch radial angeordnet werden.

4. Die Hybrid-Wärmepumpe

Das größte Problem bei den meisten Wärmepumpenkonstruktionen ist die Bereitstellung ausreichender Wärme in sehr kalten Klimazonen. Luft/Luftpumpen können bei oder unter dem Gefrierpunkt nicht durchgehend effektiv arbeiten. Man muss also auf die teure Notfallwärme für extreme Kälteperioden zurückgreifen.

Geothermische und Unterwassersysteme sind beim Kühlen viel besser als beim Heizen. Die Temperaturen tief unter der Erde/Unterwasser können etwa zwischen 10 und 15 Grad Celsius erreichen. Diese Temperatur ist zum Kühlen eines warmen Raumes viel besser geeignet, als zum Heizen eines Gefrierraumes.

Dementsprechend gibt es eine Reihe von Hybrid-Wärmepumpen zur Unterstützung des Heizprozesses. Diese Pumpen arbeiten als Luftquellenpumpen, die weitere Energiequellen nutzen, um zusätzliche Wärme zu liefern, die in Innenräumen freigesetzt wird. Beispiele hierfür sind:

Gasbefeuerte Wärmepumpen verwenden Erdgas als Wärmequelle und liefern zusätzliche Wärme in kalten Klimazonen.  Diese Version kann auch einen Ammoniak-Wasser-Kälteprozess verwenden, um sowohl Wärme als auch Kälte bereitzustellen.

Lies dazu auch unseren Artikel, wie du im Sommer deine Wohnung kühl bekommst.

Solarenergie-Wärmepumpen können Sonnenkollektoren als Energiequelle zum Antrieb und zur Beheizung des Systems nutzen.  Sie können auch direktes Sonnenlicht als zusätzliche Wärmequelle nutzen.

Vorteile und Nachteile der Wärmepumpe

Vorteile Wärmepumpen

• Mit zahlreichen Wärmequellen kombinierbar
• Hoher Autarkiegrad möglich
• Wärmelieferung unabhängig von Tages- und Jahreszeit
• Günstiges System für Warmwasser und Heizung, wenn geringer Warmwasserbedarf
• Gute Fördermöglichkeiten
• Thermische Speicherung ist kostengünstig
• Verhältnismäßig Umweltfreundlich
• Erdwärmeanlagen können im Sommer kühlen
• Unter günstigen Bedingungen wirtschaftlicher Betrieb möglich
• Bei guter Planung und Ausführung hohe Effektivität
• Kein Schornstein und keine dementsprechende Wartung

Nachteile Wärmepumpen

• Vor allem im Winter erhöhter Stromverbrauch
• Bei normalem bis hohen Warmwasserbedarf ist thermische Solaranlage besser geeignet
• Mittlere bis hohe Investitionskosten
• Reine Brauchwasserwärmepumpen nicht sinnvoll
• Wertvolle Energie (Exergie) wird entwertet
• Luft/ Wasser-Wärmepumpen können sehr laut sein
• Sehr lange Amortisationszeiten verlangen hohe Qualität der Anlage
• Sorgfältige Planung und Ausführung nötig
• Gute Dämmung des Gebäudes erforderlich
• Fußbodenheizung empfehlenswert