Das Funktionsprinzip einer Wärmepumpenanlagen

 

Grundsätzlich funktioniert eine Wärmepumpe (rechts) nicht anders als ein Kühlschrank (links): Dem "Verdampfer" beim Kühlschrank, der dem Kühlraum die Wärme entzieht, entsprechen bei der Wärmepumpe z.B. Erdkollektoren, die Wärme aus dem Erdreich aufnehmen. Die schwarzen Blechlamellen des "Verflüssigers", die auf der Rückseite des Kühlschranks die Wärme wieder abführen, verwandeln sich bei der Wärmepumpe in eine Fußbodenheizung oder in normale Niedrigtemperatur-Heizkörper. In dem rechts abgebildeten Schema befindet sich im Keller des Gebäudes links neben der Wärmepumpe noch ein Pufferspeicher und rechts davon ein Wärmetauscher zur Warmwasserversorgung.
 

 

Dasselbe Prinzip wie beim Kühlschrank

 

Kühlaggregate und Wärmepumpen funktionieren im wesentlichen genauso, wie es die Natur mit der Föhn-Entstehung auf beiden Seiten eines Gebirgskammes vormacht: Ein geeignetes Gas wird so verdichtet und wieder entspannt, dass der gewünschte Effekt der Kühlung oder Erwärmung eintritt. Die grundlegenden Teile ihrer Konstruktion sind deshalb auch so identisch wie die Erbanlagen von eineiigen Zwillingen. Sie unterscheiden sich hauptsächlich im Betriebszweck und in der jeweiligen Optimierung des Prozesses, der im einen Fall die Steigerung und im anderen die Absenkung von Temperaturen bezweckt. Während beim Kühlschrank die zwangsläufig anfallende Wärme als eher lästiges Nebenprodukt behandelt wird, bleibt bei der Wärmepumpe die Kühlleistung meistens ungenutzt.

Der häusliche Kühlschrank lässt sich also auch als Wärmepumpe betrachten: Die Wärme, die er aus seinem Innern hinausbefördert, gibt er über die schwarzen Blech-Lamellen des Kondensators auf der Rückseite an die Umgebungsluft ab. Er heizt damit den Raum, in dem er steht. Freilich ist diese Art der Heizung ineffektiv, weil ein Kühlschrank nun mal für die Erzeugung von Kälte in seinem Innern optimiert wurde und nicht als Heizkörper für die Küche gedacht ist.

Wie aus dem Kühlschrank eine Wärmepumpe wird

 

Um einen Kühlschrank in eine richtige Wärmepumpe zu verwandeln, müsste man ihn zunächst einmal in die Außenwand des Hauses einmauern - mit geöffnetem Kühlraum nach außen und mit dem Kondensator nach innen. Die schwarzen Blech-Lamellen im Innern des Hauses würden dann noch wärmer als im Normalbetrieb. Auf der anderen Seite würde es dem Kühlaggregat selbst bei pausenlosem Lauf nicht gelingen, den immensen "Kühlraum", der um die ganze Umgebung des Hauses erweitert wurde, merklich abzukühlen. Aber das wäre ja auch nicht Sinn der Anordnung: Der Vorteil bestünde gerade in der Unerschöpflichkeit der Wärmemengen zur Beheizung des Hauses. Der Kühlschrank würde so seinen Betriebszweck ändern und zur Wärmepumpe werden.

In der Praxis sieht eine Gebäudeheizung mit Wärmepumpe natürlich anders aus als ein eingemauerter Kühlschrank: Die schwarzen Blech-Lamellen, die auf der Rückseite des Kühlgeräts die Wärme abführen, verwandeln sich in eine Fußbodenheizung oder normale Niedrigtemperatur-Heizkörper. Und die Kühlvorrichtung rund um den Kühlraum vergrößert sich zu einem Rohrsystem, das unter dem Rasen des Vorgartens oder aus der Luft die Umgebungswärme einfängt.

 

 

Exakt ermitteln lässt sich der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe, indem man die gewonnene Nutzenergie durch die dafür aufgewendete Antriebsenergie dividiert. Wenn also  Wärmepumpe mit einer elektrischen Anschlussleistung von 1,5 Kilowatt eine Heizleistung von 5 Kilowatt erbringt, ergibt sich ein Wirkungsgrad von 5:1,5 = 3,33. Der so ermittelte Wirkungsgrad ist die "Leistungszahl" der Wärmepumpe.

Die Leistungszahl ist bereits ein wichtiger Anhaltspunkt für die Rentabilität. Sie stellt jedoch einen Momentanwert dar, der nur für genau definierte Betriebsbedingungen gilt. Für eine realistische Beurteilung der Rentabilität darf nicht aus dem Auge verloren werden, welche Temperaturdifferenz zwischen Kondensator und Verdampfer der Berechnung zugrunde gelegt wurde. Zum Beispiel eignet sich eine Wärmepumpe, die für die Nutzung von Grundwasser mit einer annähernd konstanten Temperatur um 10°C ausgelegt ist und deshalb mit einer besonders hohen Leistungszahl von 4 oder gar 5 aufwarten kann, nicht für die Nutzung von Umweltwärme aus der Luft. Bei einer Anlage für die Nutzung der Wärmequelle Luft ist wiederum zu beachten, dass die Leistungszahl stark von den Schwankungen der Außentemperatur abhängt und gerade dann absinkt, wenn vermehrter Wärmebedarf besteht.

Aussagekräftiger als die Leistungszahl ist deshalb die Arbeitszahl, die auf dieselbe Weise ermittelt wird, aber die Leistungszahlen eines längeren Zeitraums erfasst. In der Regel dividiert man den Jahresertrag an Heizenergie durch die dafür aufgewendete Nutzenergie und erhält so die Jahresarbeitszahl. Bei Nutzung des Erdreichs werden Jahresarbeitszahlen um 4 erreicht. Unter Umständen - wie bei der Nutzung von Abwärme - liegen die Werte sogar noch höher.

 

Die Stadien des Kreisprozesses: Verdampfen, Verdichten, Kondensieren und Entspannen

Die eigentliche Wärmepumpe ist ein relativ kleiner Blechkasten, der irgendwo im Keller steht. In diesem Kasten zirkuliert ein Gas als Arbeitsmedium: Über einen Wärmetauscher, der als "Verdampfer" bezeichnet wird, nimmt es die Niedrigtemperatur-Wärme der Umgebung auf. Eine Pumpe verdichtet dann das Gas und schickt es durch einen anderen Wärmetauscher, in dem es seine hochtemperierte Wärme an den Heizstrang abgibt. Der zweite Wärmetauscher wird als "Verflüssiger" bzw. "Kondensator" bezeichnet. Zum Schluss des Kreisprozesses wird das Gas über ein Drosselventil wieder entspannt und erneut dem "Verdampfer" zugeleitet. - Es durchläuft also einen Kreisprozess, wobei es immer wieder dieselben Stationen des Verdampfers, des Verdichters, des Verflüssigers und des Entspannungsventils passiert.

Die Wahl des richtigen Gases

 

Die Begriffe "Verdampfer" und "Verflüssiger" weisen darauf hin, dass man kein beliebiges Gas als Arbeitsmedium verwendet, sondern eines, das zu Beginn des Kreisprozesses - also bei der Aufnahme der Wärme auf der unteren Temperaturstufe - vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht und sich nach Abgabe der höhertemperierten Wärme wieder verflüssigt. Für den Wechsel vom einen zum anderen "Aggregatzustand" ist nämlich ein besonderes Quantum Wärme erforderlich, ohne dass sich deshalb die Temperatur des Arbeitsmediums erhöht (deshalb bedarf es auch einer zusätzlichen Wärmezufuhr, um Eis zu verflüssigen oder um Wasser zu verdampfen, ohne dass sich dadurch die Temperatur erhöht). Ein solches Arbeitsmedium kann also besonders viel Umgebungs-Wärme aufnehmen, wenn es im "Verdampfer" siedet. Umgekehrt kann es bei der Verflüssigung im "Kondensator" auch besonders viel Wärme abgeben. In der Regel sieden die Arbeitsmittel, die für den Kreislauf der Wärmepumpe verwendet werden, bei normalem Druck schon bei minus 30°C bis minus 50°C. Ihr flüssiger oder gar fester Aggregatzustand liegt also weit unterhalb normaler Temperaturen. Wir bezeichnen sie deshalb, gemäß ihrem vorherrschenden Aggregatzustand, als "Gase".

 

Als geeignete Gase für Wärmepumpen boten sich zunächst die Fluorkohlenwasserstoffe (FCKW) an, die auch für viele andere Zwecke ideale Eigenschaften aufwiesen. Inzwischen hat man aber erkannt, dass die FCKW schädliche Auswirkungen auf das Klima haben und die wichtigste Ursache für den Ozonabbau in der Stratosphäre sind. Deshalb dürfen neu verkaufte Wärmepumpen nur noch teilhalogenierte Stoffe wie das R 22 enthalten, die wesentlich umweltverträglicher sind. Ab dem Jahr 2000 sind für neue Anlagen nur noch klimaunschädliche Gase wie Propan als Arbeitsmittel zugelassen. Die meisten Hersteller bieten aber schon jetzt FCKW-freie Wärmepumpen an, weil nur die Erwerber solcher Anlagen mit Fördermaßnahmen rechnen dürfen.

 

Mit der Wurst nach Steinen werfen:

 

Eine Wärmepumpe ist eine Maschine, die Wärme liefert und dabei mehr Nutzenergie abgibt, als sie verbraucht. Zum Beispiel bringt sie es fertig, eine Heizleistung von 5 Kilowatt abzugeben, obwohl sie nur 1,5 Kilowatt Strom aus der Steckdose bezieht.

Damit scheint die Wärmepumpe einem Grundgesetz der Physik zu widersprechen: Nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik kann Energie weder erzeugt noch verbraucht, sondern allenfalls umgewandelt werden. Die Summe der Energie bleibt sich dabei immer gleich. In der Praxis verringert sich sogar bei jeder Energieumwandlung der Anteil der nutzbaren Energie, weil ein gewisser Teil durch Reibung oder andere Verluste verloren geht.

 

Eine elektrisch betriebene Maschine zur Erzeugung von Wärme könnte also mit einem Energieaufwand von 1,5 Kilowatt auch höchstens 1,5 Kilowatt Wärme liefern. Gegen die Umwandlung von Strom in Wärme wäre insoweit aus physikalischer Sicht nichts einzuwenden. Daß aber bei dieser Umwandlung mehr als die dreifache Energie herauskommt, ist physikalisch ein Ding der Unmöglichkeit.

Dennoch geht es bei der Wärmepumpe mit rechten Dingen zu: Die Energie, welche sie scheinbar aus dem Nichts herbeizaubert, wird nämlich dem Erdreich, dem Grundwasser oder der Luft entzogen. Diese Energie ist praktisch unerschöpflich und wird von der Natur gratis zur Verfügung gestellt. Nutzbar wird sie freilich erst durch die Wärmepumpe. Die aufgewendete elektrische Leistung von 1,5 Kilowatt ist deshalb gewissermaßen die Wurst, mit der man nach dem Schinken der Heizleistung von 5 Kilowatt wirft.

Die elektrische Energie für den Betrieb der Wärmepumpe ersetzt in diesem Fall nicht nur eine andere Art von nutzbarer "Endenergie", z. B. Erdgas oder Heizöl, sondern senkt den Verbrauch an Primärenergie. Sie hilft also die Energie-Ressourcen und die Umwelt schonen. In der energiepolitischen 

Diskussion wird deshalb von "Öko-Watt" gesprochen, um den umweltentlastenden Effekt solcher Stromanwendungen hervorzuheben.

 

 

Informationen zu Einsatzmöglichkeiten und Fördermaßnahmen

 

Vor allem in Verbindung mit "Niedrigenergiehäusern" weist die Wärmepumpe deutliche Vorteile gegenüber Öl- und Gasheizungen auf. Eine Arbeitszahl von mindestens 4 gilt heute als Standard. Die heute angebotenen Systeme und Komponenten sind zuverlässig, betriebssicher und besonders wartungsarm. Gemeinsam mit der Leistungsgemeinschaft Wärmepumpe Österreich (LWG) und der Fördergemeinschaft Wärmepumpe Schweiz (FWS) wurde unter dem Kürzel D-A-CH das Internationale Wärmepumpensiegel auf Basis EN 255 entwickelt. Dieses erhalten nur Seriengeräte, die vorgegebene strenge Leistungsanforderungen erfüllen.

Wegen ihrer Umweltfreundlichkeit wird die Wärmepumpentechnik von Bund und Ländern gefördert. Nicht zuletzt wird sie auch von den Stromversorgern auf vielfache Weise unterstützt. Die Bundestarifordnung Elektrizität sieht seit 1989 einen verbilligten "Wärmepumpen-Tarif" vor, wenn der Stromversorger die Wärmepumpe per "Rundsteuerung" kurzfristig abschalten kann, um Belastungsspitzen im Netz abzufangen (siehe Der rechtliche Rahmen und Das Netz der Stromversorgung). Daneben bieten zahlreiche Stromversorger ihren Kunden Sonderabkommen mit unterschiedlichen Regelungen, die den Strompreis für Wärmepumpen zum Teil noch mehr verbilligen. Eine Reihe von Stromversorgern leistet außerdem finanziellen Beistand bei der Anschaffung solcher Anlagen oder unterstützt die Interessenten bei der Planung.

Ansprechpartner für alle Fragen zum praktischen Einsatz der Wärmepumpe ist der "Initiativkreis Wärmepumpe e.V." (IWP).

Initiativkreis Wärmepumpe
Elisabethstraße 34
80796 München
Tel. 089 / 2713021
Fax 089 / 270156
Email mailto:info@waermepumpe-iwp.de
Internet www.waermepumpe-iwp.de

Unter dieser Adresse findet man Informationen u.a. zu Funktionsweise und Prinzip der Wärmepumpe, zu technischen Fragen und Fördermöglichkeiten. Ferner können hier Anschriften z.B. von Fachhandwerkern und Architekten aus dem gesamten Bundesgebiet abgerufen werden.

Allgemeine Informationen zum Stand der Forschung auf diesem Gebiet sowie zu Fördermöglichkeiten bietet außerdem das "InformationsZentrum Wärmepumpen + Kältetechnik" (IZW) im Fachinformationszentrum Karlsruhe unter http://www.izw-online.de/.

 

Quellen:

http://www.waermepumpe-bwp.de

http://strombasiswissen.bei.t-online.de/SB127-wp03.htm

http://www.ochsner.de/

http://www.geothermie.de/oberflaechennahe/waermepumpe/uebersichtsseite_waermepumpe.htm

http://www.waermepumpe.ch/

www.bauweise.net