Wärmepumpen erklärt: die Technik, die Wohngebäudeeigentümern Geld spart

Was ist eine Wärmepumpe und wie funktioniert sie?

Das Grundprinzip: Transportieren anstatt Erzeugen von Wärmeenergie 

Eine Wärmepumpe transportiert Wärmeenergie von einem Ort mit niedrigerer Temperatur an einen Ort mit einer höheren Temperatur. Für diesen Transport benötigt die Wärmepumpe eine gewisse Menge an Elektroenergie. Jedoch ist die von einer Wärmepumpe bereitgestellte Wärmemenge um ein Vielfaches größer als diese verbrauchte Elektroenergie. In der Praxis liefert eine Wärmepumpe typischerweise für jede verbrauchte Einheit an Elektroenergie drei bis vier Einheiten an Wärmeenergie. Das System transportiert lediglich bereits vorhandene Wärmeenergie, anstatt Wärmeenergie durch Verbrennungsvorgänge zu erzeugen. Daher kann eine Wärmepumpe bei Verbrauch von viel weniger Energie für Wohlfühlkomfort sorgen als herkömmliche, mit fossilen Brennstoffen befeuerte Brennwertkessel. Das schlägt sich, insbesondere über lange Sicht, in deutlich niedrigeren Energiekosten nieder.

Eine Wärmepumpe basiert auf einem Kreisprozess, der kontinuierlich durchlaufen wird. In diesem Kreisprozess finden sich vier Hauptkomponenten:

• Verdampfer
• Verdichter
• Verflüssiger
• Expansionsventil

So funktionieren Heiz- und Kühlprozess

Im Heizbetrieb absorbiert das Kältemittel im Außengerät Wärmeenergie aus der Außenwelt, aus der Luft, aus dem Erdreich oder aus einem Gewässer. Anschließend erhöht der Verdichter die Temperatur des Kältemittels auf einen so hohen Wert, dass das Kältemittel über Heizkörper und Fußbodenheizungen Wärmeenergie an die Räume im Gebäude abgeben kann. Aufgrund dieser Wärmeabgabe kühlt sich das Kältemittel ab. Der Druck des Kältemittels sinkt, und der Kreisprozess beginnt von vorne. Viele moderne Systeme sind zudem mit einem Umschaltventil ausgestattet. Dank dieses Ventils kann der Kreisprozess mit ein und derselben Technik in die entgegengesetzte Richtung ablaufen und Räume kühlen, z. B. im Sommer. Unter praktischen Gesichtspunkten bedeutet dies, dass Sie mit ein und demselben System Ihre Räume sowohl heizen als auch kühlen können. Es werden keine gesonderten Systeme für Heizen und für Klimatisierung benötigt.

Ein weit verbreitetes Missverständnis besteht darin, dass Wärmepumpen bei kaltem Wetter nicht mehr funktionieren. Tatsache ist, dass selbst sehr kalte Luft nutzbare Wärmeenergie enthält. Moderne Kältemittel können auch bei sehr niedrigen Temperaturen Wärmeenergie extrahieren. Daher können Wärmepumpen auch im Winter wirkungsvoll betrieben werden. Für Wohngebäudeeigentümer bedeutet dies, dass mit einem einzigen elektrisch betriebenen System das ganze Jahr über zuverlässiges Heizen möglich ist. Sie sind nicht mehr auf Gas oder Öl angewiesen.

Die Gemeinsamkeiten zwischen Wärmepumpe und Kühlschrank

Die einfachste Möglichkeit zur Erläuterung des Funktionsprinzips einer Wärmepumpe besteht darin, sich einen Kühlschrank anzuschauen. Sowohl Wärmepumpe als auch Kühlschrank basieren auf ein und demselben Kreisprozess, den ein Kältemittel durchläuft. Wenn Sie sich hinter einen sich in Betrieb befindenden Kühlschrank stellen, verspüren Sie, dass die Luft an der Rückseite des Geräts sehr warm ist. Diese Wärme kommt daher, dass der Kühlschrank seinem Inneren Wärme entzieht und diese Wärme in den Raum abgibt. Das ist ein unkomplizierter Prozess:

• Verdampfen → Wärme aus dem Kühlgut und aus dem Inneren des Kühlschranks wird absorbiert.
• Verdichten → Druck und Temperatur des Kältemittelgases werden erhöht.
• Verflüssigen (Kondensieren) → Wärmeenergie wird in den Raum abgegeben, und das Kältemittel geht wieder in den flüssigen Zustand über.
• Druckminderung (Volumenzunahme, Expansion) → Druck fällt ab, Kreisprozess beginnt von vorne

Eine Wärmepumpe funktioniert auf genau dieselbe Weise, jedoch in einer viel höheren Größenordnung, und kann daher das gesamte Gebäude heizen. Anstatt Wärmeenergie aus einem kleinen, wärmegedämmten Kasten zu entfernen, entzieht eine Wärmepumpe der Außenwelt Wärmeenergie und transportiert diese Wärmeenergie in das Gebäude. Diese Technologie basiert auf einem Kreisprozess. Die Technik zum Realisieren dieses Kreisprozesses wurde über Jahrzehnte hinweg anhand der bei ihrer alltäglichen Nutzung gewonnenen Erfahrungen beständig weiterentwickelt. Wärmepumpen sind weit weniger ungewohnt als es auf den ersten Blick erscheinen mag.

Innovationen bei Kältemitteln und Wärmepumpentechnologien

Die Technologien der Wärmepumpen für Europa entwickeln sich rasant. Das liegt an immer strengeren EU-Vorgaben, die eine schrittweise Verringerung der Nutzung von Kältemitteln mit hohem Treibhauspotenzial vorgeben. Ziel ist es, bis zum Jahr 2050 die Nutzung von neu produzierten HFKWs vollständig einzustellen. Aufgrund dieser Veränderungen ist die Branche gezwungen, nach deutlich umweltfreundlicheren Alternativen zu suchen.

Eine dieser bedeutenden Alternativen ist R-290 (Propan), ein Kältemittel mit einem besonders niedrigen Treibhauspotenzial. Dieses Kältemittel wird bereits seit Langem in Millionen von Haushaltskühlschränken gefahrlos genutzt und findet sich nun auch immer öfter in Wärmepumpen. Einige Hersteller, so wie DAIKIN, bieten nun mit R-290 betriebene Systeme an. Diese Systeme können die recht hohen für ältere Heizkörpersysteme erforderlichen Vorlaufwassertemperaturen erzeugen.

Viele Staaten Europas motivieren den Umstieg zudem mit Fördermitteln und Zuschüssen. In Kombination mit den Vorgaben zur Abkehr von fossilen Brennstoffen in Bauvorschriften können Sie Ihr Zuhause durch Installieren einer Wärmepumpe schon heute zukunftssicher in Bezug auf immer strenger werdende Vorschriften zur Energieeffizienz machen.

Instandhaltung und Nutzungsdauer

Wärmepumpen sind auf eine lange Nutzungsdauer ausgelegt. Bei sachgerechter Wartung erreichen Wärmepumpen eine Nutzungsdauer von typischerweise 15 bis 20 Jahren. Erdwärme-gespeiste Systeme können ein beträchtlich längere Nutzungsdauer erreichen als andere Typen von Wärmepumpen. Das liegt daran, dass die in der Erde verlegten Rohrleitungen vor Wetter, UV-Strahlung und extremen Temperaturen geschützt sind. Dank dieser Langlebigkeit, in Kombination mit den niedrigeren Betriebskosten, können sich die Bewertung der Gesamtenergieeffizienz und der Immobilienwert eines Wohngebäudes drastisch erhöhen.

Eine jährliche Wartung durch einen qualifizierten Installateur umfasst die Überprüfung des Kältemittel-Füllstands, das Reinigen der Wärmetauscher, das Inspizieren der Elektroanschlüsse und das Testen des Umschaltventils. Der Grund ist derselbe wie für die Wartung jedes Kältemittelsystems: Die Komponenten sind identisch, nur unterschiedlich groß.

Zwischen den Wartungsterminen können die Benutzer selbst anhand einiger einfacher Maßnahmen für ein gutes Betriebsverhalten ihrer Systeme sorgen:

• Regelmäßiges Reinigen von Luftfiltern, insbesondere zu Zeiten häufigen Gebrauchs. Verstopfte Filter können zu einem merklichen Absinken der Energieeffizienz und dadurch zu höheren Betriebskosten führen.
• Entfernen von Schmutz und Bewuchs um Außengeräte herum, damit stets ein ungehinderter Luftstrom gegeben ist
• Sicherstellen, dass sich um Innengeräte herum keine Hindernisse wie Möbel oder Heimtextilien befinden

Instandhaltungskosten und Angebote an Serviceverträgen sind vom Land und vom Typ des Systems abhängig. Besprechen Sie mit Ihrem Installateur unbedingt schon bei der Installation Vereinbarungen zu fortlaufendem Support. Schließlich unterstützt eine vorbeugende Instandhaltung das Aufrechterhalten der Energieeffizienz und das Beherrschen der Energiekosten über die Nutzungsdauer des Systems hinweg.

Fazit: ein und dieselben Naturgesetze, hochskaliert auf die Größe Ihres Zuhauses

Die Gemeinsamkeiten zwischen Wärmepumpen und Kühlschränken belegen, dass die Technologie der Wärmepumpen auf einer längst bewährten praktischen Anwendung der Physik beruht. Diese Anwendung wird in den Haushalten Europas schon seit Generationen zuverlässig genutzt. Bei beiden Anwendungen wird Wärmeenergie transportiert, nicht erzeugt. Daher kann eine Wärmepumpe aus jeder Einheit an verbrauchter Elektroenergie mehrere Einheiten an Wärmeenergie gewinnen.

Diese Energieeffizienz schlägt sich in niedrigeren Betriebskosten und in einer Verringerung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen nieder. Hinzu kommt die Annehmlichkeit, dass Sie mit ein und demselben System Ihr Zuhause sowohl heizen als auch kühlen können. Bauvorschriften werden immer strenger, und Stromnetze werden mehr und mehr auf erneuerbare Energie umgestellt. Dadurch werden ausschließlich mit Elektroenergie betriebene Systeme ein wichtiger Bestandteil des zukunftssicheren Heizens von Wohngebäuden.

Kernaussagen

• Wärmepumpen und Kühlschränke nutzen dieselben vier Komponenten: Verdampfer, Verdichter, Verflüssiger und Expansionsventil. Beide Geräte transportieren Wärmeenergie, anstatt Wärmeenergie zu erzeugen.
• Eine Wärmepumpe kann mit jeder verbrauchten Einheit von Elektroenergie 3–4 Einheiten an Wärmeenergie bereitstellen. Das senkt die Energiekosten für den Haushalt.
• Im Gegensatz zu einem Kühlschrank kann eine Wärmepumpe umgekehrt betrieben werden. Daher kann ein und dasselbe System die Räume im Winter heizen und im Sommer kühlen.
• Dank der Entwicklung von Kältemitteln, die selbst aus sehr kalter Außenluft Wärmeenergie absorbieren können, erreichen moderne Wärmepumpen auch bei Minusgraden eine hohe Effizient.
• Neuere Systeme werden mehr und mehr mit natürlichen Kältemitteln wie R-290 betrieben. Mit derartigen Systemen können Wohngebäude an immer strengere Vorgaben zum Umweltschutz angepasst und auf postfossiles Heizen umgestellt werden.