Wärmepumpe: Funktion und Arten der Heizung mit Umweltenergie

Ob in der Erde, im Wasser oder in der Luft: Überall um uns herum befindet sich Energie. Und auch wenn es vor allem an kalten Wintertagen nur schwer vorstellbar ist, kann diese Umweltenergie sogar zum Heizen genutzt werden. Möglich wird das mit einer Wärmepumpe. In den folgenden Abschnitten erfahren Sie, wie eine Wärmepumpe funktioniert, worin sich die verschiedenen Arten unterscheiden und worauf Sie bei der Installation einer Wärmepumpe unbedingt achten sollten.

Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Wärmepumpen sind moderne Heizgeräte, die die in der Umwelt gespeicherte Wärme zur Beheizung von Gebäuden nutzen. Da die jedoch nur mit niedrigen Temperaturen gewonnen werden kann, sind spezielle technische Komponenten notwendig. Die wichtigsten sind:

  • Verdampfer
  • Verdichter
  • Verflüssiger
  • Entspanner

Ausschlaggebend für die Funktion einer Wärmepumpe ist das eingesetzte Kältemittel – eine besondere Flüssigkeit, die bereits bei sehr niedrigen Temperaturen verdampfen kann. Sie zirkuliert durch alle Komponenten und ermöglicht so einen wiederkehrenden Prozess, der im Wesentlichen aus vier Schritten besteht.

Im Ersten wird der Umweltenergie-Quelle Wärme entzogen und über einen Wärmeübertrager an den Wärmepumpen-Prozess übergeben. Dies führt dazu, dass die Temperatur des Kältemittels ansteigt und die Flüssigkeit vollständig verdampft. Der erste Wärmeübertrager wird daher auch Verdampfer genannt.

Im zweiten Schritt wird das nun dampfförmige Kältemittel verdichtet. Stellen Sie sich vor, Sie steigen in einen ziemlich vollen Bus und an jeder Haltestelle steigen mehr und mehr Menschen hinzu. Je enger es im Bus wird – je höher der Druck steigt, desto wärmer wird es. Was wahrscheinlich jeder von uns schon einmal selbst gespürt hat, passiert auch im Wärmepumpen-Prozess. Denn während das vollständig gasförmige Kältemittel im Kompressor verdichtet wird, steigt auch seine Temperatur. Und zwar so hoch, dass sie für die Heizung verwendet werden kann.

Im dritten Schritt wird die im Kältemittel gespeicherte Wärme über einen Wärmeübertrager an das übrige Heizungssystem übergeben. Während sich das Heizungswasser dabei erwärmt, kühlt das Kältemittel wieder ab und beginnt sich zu verflüssigen. Aus diesem Grund wird der zweite Wärmeübertrager auch Verflüssiger genannt.

Im vierten und letzten Schritt des Wärmepumpen-Kreislaufs wird das Kältemittel vollständig regeneriert. Über ein Entspanner-Ventil baut es dabei so viel Druck ab, bis es keine gasförmigen Anteile mehr enthält und der Prozess erneut beginnen kann.

Die folgende Abbildung stellt die Funktion einer Wärmepumpe noch einmal grafisch dar.

waermepumpe

Funktionsweise einer Wärmepumpe. Bildquelle: © dima_pics – Fotolia.com

Hinweis: Da die Temperatur mit einem elektronischen Verdichter erhöht wird, kann eine Wärmepumpe immer dann besonders effizient eingesetzt werden, wenn die Heiztemperatur möglichst niedrig ist. Sinnvoll ist dabei zum Beispiel der Einsatz von Wärmepumpen in Verbindung mit Flächenheizungen, die aufgrund großer Heizflächen mit niedrigen Systemtemperaturen auskommen.

Welche Energiequellen können Wärmepumpen anzapfen?

Während der Prozess im Inneren einer Wärmepumpe immer gleich abläuft, können die modernen Heizgeräte ihre Energie aus verschiedenen Umweltenergie-Quellen beziehen. Üblich sind zum Beispiel:

  • Luft
  • Boden
  • Grundwasser

Luft-Wasser-Wärmepumpen: Umweltenergie aus der Luft

Ohne die Luft in unserer Umgebung wäre das Leben auf der Erde undenkbar. Neben lebenswichtigem Sauerstoff transportiert sie aber auch einen Teil der Wärme, die uns täglich mit dem Sonnenlicht erreicht. Und diese kann sogar zum Heizen genutzt werden.

Möglich wird das mit Wärmepumpen, die kontinuierlich Luft aus der Umgebung ansaugen, um ihr die darin gespeicherte Energie zu entziehen. Im Vergleich zu anderen Bauformen sind Luft-Wärmepumpen günstig und einfach zu installieren.

Um hohe Stromkosten zu vermeiden, sollten Luft-Wärmepumpen allerdings nur in energetisch modernisierten Gebäuden mit niedrigen Heizsystemtemperaturen eingesetzt werden. Denn nur wenn der Unterschied zwischen Energiequelle und Heiztemperatur so gering wie möglich ist, arbeiten Wärmepumpen auch effizient.

Eine weitere Möglichkeit, die Effizienz von Luft-Wärmepumpen einfach zu steigern, sind Erdwärmeübertrager. Diese bestehen aus einem unterirdischen Kanal und nutzen die im Erdreich gespeicherte Energie, um die Temperatur der Umgebungsluft natürlich anzuheben.

Hinweis: Je nach Bauform können Luft-Wärmepumpen in Kompakt- und Split-Geräte unterschieden werden. Während sich bei Kompaktgeräten alle Komponenten in einer Einheit befinden, bestehen Split-Geräte in der Regel aus einer Außen- und einer Inneneinheit.

Sole-Wasser-Wärmepumpen: Heizwärme aus der Erde

Wie die Luft, speichert auch das Erdreich in seinen oberen Schichten solare Energie. Je nach geologischer Beschaffenheit können dabei ab einer bestimmten Tiefe ganzjährig Temperaturen von etwa 5°C bis 10°C gemessen werden. Im Vergleich zur Luft, die im Winter häufig 0°C und weniger hat, ist das ein hohes Potenzial, das mit einer Wärmepumpe zum Beispiel über Sondenbohrungen, Erdkollektoren oder Künetten angezapft werden kann.

Eine der bekanntesten Möglichkeiten Wärme aus dem Erdreich zu gewinnen, sind Erd-Sondenbohrungen. Dabei zirkuliert ein mit Frostschutzmittel versetztes Wasser (Sole) durch ein Rohr, das bis zu 100 Meter tief in die Erde eingebracht wird. Je nach der Beschaffenheit des Bodens können so etwa 50 Watt je Bohrmeter gewonnen werden. Für ein modernes Einfamilienhaus ergibt sich dabei eine benötigte Bohrtiefe von etwa 150 Metern, die auf mehrere Einzel-Bohrungen aufgeteilt werden können.

Hinweis: Die Tiefe einer Sondenbohrung ist in der Regel auf 100 Meter begrenzt, da sonst Bergbaurechte erforderlich wären. Aber auch in höheren Schichten sind Bohrungen für eine Sole-Wasser-Wärmepumpe genehmigungspflichtig und nicht immer zulässig.

Eine weitere Möglichkeit, die Umweltenergie aus dem Erdreich zu gewinnen, sind Erdkollektoren. So ähnlich wie bei einer Fußbodenheizung wird dabei ein Netz aus Rohrleitungen in einer Tiefe von etwa 1,50 Metern unter der Erdoberfläche verlegt. Über die darin zirkulierende Sole können je Quadratmeter Kollektor etwa 25 Watt entzogen und für die Wärmepumpe genutzt werden. Zur Beheizung eines typischen Einfamilienhauses wird eine Fläche von etwa 350 m² notwendig.

Für den Fall, dass eine Tiefenbohrung nicht genehmigt wird und der Platz für Erdkollektoren zu knapp ist, besteht mit der Künetten-Verlegung eine weitere Alternative zur Gewinnung von Wärme aus dem Boden. Denn dabei werden die Rohrleitungen platzsparend in etwa 1 Meter breiten Gräben verlegt. Durch sich überschneidende Ringe kann abhängig vom Boden so eine Leistung von ungefähr 100 Watt je m² gewonnen werden. Für ein typisches Einfamilienhaus wird damit nur noch eine freie Fläche von etwa 80 m² notwendig.

Eine besondere Form der Sole-Wasser-Wärmepumpen bezieht die Umweltenergie aus einem Eisspeicher. Wie das funktioniert, erklären wir Ihnen in folgendem Beitrag: Wenn Eis wärmt

Wasser-Wasser-Wärmepumpen: Warmes Wasser für die Heizung

Neben Luft oder Erde, kann auch Grundwasser die nötige Umweltenergie liefern. Da dieses an vielen Orten ganzjährig hohe Temperaturen aufweist, zählt es zu den effizientesten Wärme-Quellen für Wärmepumpen.

Ein effizienter und uneingeschränkter Betrieb ist jedoch nur möglich, wenn der Grundwasserspiegel hoch genug liegt, ausreichend Grundwasser vorhanden ist und das Wasser selbst eine einwandfreie Qualität hat. Werden all diese Voraussetzungen erfüllt, kann das Grundwasser über einen Saugbrunnen gewonnen, durch die Wärmepumpe geführt und über einen Schluckbrunnen zurück ins Erdreich gefördert werden. Um zu verhindern, dass bereits abgekühltes Grundwasser noch einmal angesogen wird, sind die beiden Brunnen mit einem Abstand von etwa 15 Metern zueinander zu bohren.

Die Nutzung von Grundwasser als Energiequelle für eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe ist genehmigungspflichtig. Eine Erlaubnis muss dabei in der Regel bei dem zuständigen Landratsamt beantragt werden.

So erreicht Ihre Wärmepumpe eine höhere Effizienz

Unabhängig davon, welcher Wärmepumpen-Typ eingesetzt werden soll, können zwei Tipps helfen die Effizienz der Anlage zu steigern.

Tipp 1: Wärmepumpen arbeiten immer dann besonders effizient, wenn die Differenz zwischen Umweltenergie-Quelle und Heizungssystem besonders niedrig ist. Das heißt, eine Anlage verbraucht in der Regel weniger Strom, wenn sie mit einer Fußbodenheizung anstatt einer Heizkörper-Heizung betrieben wird. Der Grund dafür liegt darin, dass eine Fußbodenheizung durch eine große Heizfläche mit niedrigen Systemtemperaturen auskommt.

Tipp 2: Ähnlich verhält es sich auch mit der Warmwasserbereitung. Denn auch die benötigt eine hohe Systemtemperatur. Besonders günstig ist zum Beispiel die Kombination einer Wärmepumpe für die Beheizung mit einer Solarthermie-Anlage zur Warmwasserbereitung. Wie die funktioniert und worauf dabei zu achten ist, erklären wir im Beitrag: Solarthermie: Erneuerbare Wärme für mein Zuhause

Alexander Rosenkranz

Alexander Rosenkranz

Alexander Rosenkranz (28 J.) ist Gründer von energie-wortwende.de und war als Co-Gründer an der Entwicklung der Sanierungsplattform eccuro beteiligt. Verständliche Informationen und eine motivierende Kommunikation sind für ihn der Schlüssel für den nachhaltigen Erfolg der Energiewende.
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