Wärmepumpen - Funktion, Vorteile, Nachteile und Kosten im Überblick

Die Funktionsweise von Wärmepumpen ist prinzipiell identisch mit jener eines Kühlschranks. Während ein Kühlschrank aber seinem Inneren Wärme entzieht und diese auch nach außen abgibt, entziehen Wärmepumpen dem äußeren Bereich die Wärme und gibt diese als Wärmeenergie an das Gebäude ab. Die Wärmepumpen machen sich hierfür ein physikalisches Prinzip zunutze. Dies ist der genannte Joule-Thomson-Effekt. Der erste Schritt ist die Gewinnung. In einer Wärmequelle zirkuliert die Flüssigkeit, die zumeist eine Sole ist. Dies ist zumeist Wasser, welches mit einem Frostschutzmittel versetzt ist. So nimmt die Flüssigkeit die Wärme zum Beispiel aus der Erde oder dem Grundwasser auf und befördert sie zu der Wärmepumpe. Die Ausnahme hierbei sind die Luft-Wärmepumpen. Sie saugen über Ventilatoren die äußere Luft an, welche die Wärmepumpen aus der Umgebung zuführen.

Der zweite Schritt ist die Nutzbarmachung. In den Wärmepumpen befindet sich ein besonderer Kreislauf, in welchem ein Kältemittel zirkuliert. In einem Verdampfer, dem Wärmetauscher, wird die Umweltenergie aus dem vorherigen Kreislauf auf dieses Kältemittel übertragen, welches hierdurch verdampft. Bei den Luftwärmepumpen erwärmt jene Außenluft auch das Kältemittel. Der Dampf des Kältemittels wird jetzt zu einem Kompressor bzw. einem Verdichter weitergeleitet. Hierdurch erhöht sich das Temperaturniveau jenes dampfförmigen Kältemittels. Dieses wird dann auch wärmer. In einem anderen Wärmetauscher, dem Verflüssiger, wird jenes unter hohem Druck stehende, warme Kältemittelgas jetzt verflüssigt, wobei dieses die Wärme auch wieder abgibt. Im Anschluss wird das liquide Kältemittel zu der Drosselanlage geleitet, in welcher der Druck des Kältemittels erneut vermindert wird, geleitet. Das entspannte und flüssige Kältemittel wird jetzt zum Verdampfer umgewandt.

Der dritte Schritt ist die Beheizung. In jenem zu beheizenden Gebäude ist ein Speicher- und Wärmeverteilsystem zu finden. Hierin zirkuliert als Heizmittel, das in aller Regel Wasser ist. Dieses nimmt die Wärme auf, welche das Kältemittel an den Verflüssiger liefert, auf und leitet es zu dem Verteilersystem, wie beispielsweise Heizkörper oder Flächenheizungen oder zu einem Warmwasserspeicher oder Heizungspuffer. Die Wärmepumpen geben nun die Wärme aus der Umwelt in das Gebäude, hebt diese auf ein erhöhtes Temperaturniveau und macht sie auch für die Heizung verwendbar.

Das Prinzip von Wärmepumpen ist unabhängig von den unterschiedlichen Varianten stets gleich. In dem Verdampfer befindet sich ein flüssiges Kühlmittel, welches schon bei recht niedrigen Temperaturen verdampfen kann. Hierfür genügt zum Beispiel schon jene Wärmeabgabe aus dem Erdboden, welche von dem Kältemittel gespeichert und aufgenommen wird.

Das gasförmige Kühlmittel wird in dem Kompressor verdichtet. Jener Vorgang erhöht den Druck und somit auch die Temperatur des Kühlmittels. Das erwärmte Kühlmittel gelangt jetzt in den Verflüssiger (Kondensator), gibt hier die Wärme an das Heizungssystem ab und wird dann wieder verflüssigt. Das unter Druck stehende Kühlmittel gelangt durch das Entspannungs- oder Expansionsventil wieder auf das anfängliche minimale Druckniveau und gelangt dann weiter zu dem Verdampfer, wo der Prozess erneut beginnen kann.

Das Ergebnis ist, dass die Heizkörper schön warm werden und die, obwohl die Wärme beispielsweise aus dem kalten Boden vor dem Haus stammt.

Wärmepumpen gehören zu den effizientesten und saubersten Heizmöglichkeiten. Da sie ohnedies die disponible Umweltwärme verwenden, schonen sie vor allem die Umwelt sowie die Verbrauchskosten der Anlagen erheblich. Zu den bedeutendsten Arten der Wärmepumpen gehören die Sole-Wasser-Wärmepumpen, Luft-Wasser-Wärmepumpen, Wasser-Wasser-Wärmepumpen, Großwärmepumpen und die Warmwasser-Wärmepumpen. Eine Besonderheit sind hierbei die Eisspeichersysteme, wobei sie eigentlich keine Wärmepumpe im eigentlichen Sinn sind. Diese sind vielmehr eine besonders effiziente und innovative Wärmequelle.

Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe entzieht der Raum- oder der Außenluft Wärme und leitet diese an den Verdampfer bzw. Wärmeübertrager weiter. In diesem umläuft ein Kältemittel, welches schon bei minimaler Temperatur zu verdampfen beginnt. Da jene bei der Verdampfung freigegebene Wärme zu geringfügig für ein Heizsystem ist, wird diese komprimiert. Der Prozess der Verdichtung und die hiermit verbundene Temperaturerhöhung sind bei einer jeden Wärmepumpe gleich.

Die Sole-Wasser-Wärmepumpen nutzen die Energiemenge, die sich im Erdreich befindet und die fast unerschöpflich ist. Durch eine Sole-Wasser-Wärmepumpe lässt sich nur ein geringer Teil dieser Energie für die Warmwasserbereitung und die Heizung nutzen. Es gibt hierzu zwei übliche Methoden, um jene Wärme für die Wärmepumpen bereitzustellen. So werden Erdkollektoren nahe der Oberfläche verlegt und nehmen über die Flächen die thermische Energie auf, um diese im Anschluss an die Wärmepumpen weiterzuleiten. Erdsonden werden dagegen senkrecht in den Erdboden eingebracht und gewinnen aus der Tiefe von etwa 100 Metern die thermische Energie. Auch der Platzbedarf ist entsprechend geringer kleiner als jener von Erdkollektoren.

Im Gegensatz zu Luft-Wasser-Wärmepumpen erlangen Sole-Wasser-Wärmepumpen in aller Regel größere Wirkungsgrade, unabhängig von der Art der Gewinnung von Wärme. Hierfür ist aber der Planungsaufwand wegen des hohen Platzbedarfs oder jeglicher behördlichen Genehmigungen auch bedeutend höher.

Das Grundwasser ist ein sehr guter Energiespeicher, welcher das ganze Jahr über gleichbleibende Temperaturen von mehr als zehn Grad Celsius liefern kann. Damit nun auch ein wirtschaftlicher Betrieb der Wasser-Wasser-Wärmepumpen ermöglicht wird, müssen viele Faktoren wie die Zusammensetzung des Wassers und auch die Wassermenge vorher berücksichtigt werden. Ein ausschlaggebender Gesichtspunkt bei der Planung dieser Wärmepumpen ist stets der Wasserschutz. Bei einigen Umständen können die verantwortlichen Behörden eine Genehmigung für die Wasser-Wasser-Wärmepumpe ablehnen. Die entsprechende Nachfrage bei den zuständigen Ämtern muss daher noch vor dem Kauf der Pumpe gestellt werden.

Die Warmwasser-Wärmepumpe dient nur der Bereitung des Warmwassers. Als Wärmequelle kommen hierfür die Ab- als auch die Umluft infrage. Diese ist von der ursprünglichen Heizungsanlage abgekoppelt und kann mit vergleichbaren Komponenten den eigens erzeugten Solarstrom bestmöglich nutzen. Benutzt nun eine Warmwasser-Wärmepumpe die Umluft als Heizung, entfeuchtet diese gleichzeitig den Raum und bewahrt sie vor der Gefahr einer Bildung von Schimmel. Ist diese hingegen an ein vorhandenes Luftverteilsystem gekoppelt, kann sie auch die Räume kontrolliert ent- und belüften. Damit auch kein Unterdruck hierbei entstehen kann, ist eine aktive Zuleitung von Luft nötig.

Der größte Mangel der Wärmepumpen ist die Abhängigkeit von einer Einrichtung von den Örtlichkeiten. Vor allem Wasser-Wasser-Wärmepumpen und Sole-Wasser-Wärmepumpen, bei denen auf Grundwasser- oder Erdwärme gesetzt wird, sind von den Gegebenheiten des Ortes abhängig.

Bei einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe muss ein hinreichend hoher Grundwasserstand in bester Qualität verfügbar sein, um einen guten Betrieb der Pumpe gewährleisten zu können. Je nach Tiefe der Bohrung muss außerdem die Wasserbehörde das Einverständnis geben und bei solchen Tiefen über 100 Metern muss auch eine Genehmigung der Bergbehörde vorhanden sein. Dagegen arbeiten Wasser-Wasser-Wärmepumpen lediglich bis zu einer Brunnentiefe von circa 20 Metern auch wirtschaftlich.

Bei einer Sole-Wasser-Wärmepumpe ist es die Beschaffenheit des Bodens, die stimmen muss, sodass ein effizienter Betrieb ermöglicht wird. Bei Erdkollektoren ist es der hohe Bedarf an Platz, welcher nötig ist, um das waagerechte Rohrsystem verlegen zu können.

Nur eine Luft-Luft-Wärmepumpe und eine Luft-Wasser-Wärmepumpe kommen ohne eine Genehmigung und mit nur wenig Platzaufwand aus. Hierfür stellt vor allem letztere große Anforderungen an das Gebäude, weil ein luftdichter Ausgang der Gebäudehülle und auch ein besonderes Lüftungssystem für die Verwendung dieser Wärmetechnik nötig sind.

Vorteile von Wärmepumpen sind, dass die genutzte Erdwärme eine kostenfreie Wärmequelle ist. Diese ist fast überall verfügbar und auch für nahezu alle Gebäude nutzbar. Die Geothermie ist ein unerschöpflicher Lagerbestand an Wärmeenergie.

Die Wärmepumpen haben nur geringe Betriebskosten, welche von den Tarifen der Stromanbieter stets abhängig sind. Viele Versorger bieten auch sehr günstige Tarife für Wärmepumpen an. Die Wärmepumpen haben auch den Vorteil, dass diese zumeist wartungsfrei sind. Erdwärmeheizungen sind zudem sehr betriebssicher.

Im Vergleich mit dem Betrieb einer Öl- und Gasheizung kann der Kohlendioxid-Ausstoß um 90 Prozent reduziert werden. Die Geothermie-Anlagen mit Horizontalkollektoren haben außerdem auch den Vorteil einer niedrigen Einbautiefe, welche Eigentümer mit ein wenig körperlichem Einsatz auch allein einbauen können. Die Wärmepumpen lassen sich zudem zum Kühlen verwenden. Die Erdwärme-Anlagen haben auch den Vorteil einer langen Betriebsdauer.

Die Nachteile von Wärmepumpen sind, dass die Errichtung teilweise mit hohen Kosten für die Investition verbunden ist. Das verwendete Bohrgerät benötigt für die Errichtung der Anlage viel Platz, der unbedingt eingeplant werden sollte. Für eine bestmögliche Wirtschaftlichkeit dieser Anlage ist eine ausreichende Wärmedämmung des betreffenden Gebäudes nötig.

Die Kosten für Luft-Wärmepumpe betragen je nach Ausführung und Aufstellungsort zwischen 13.000 bis 24.000 Euro. Für Wasser-Wärmepumpe sind Kosten für die Geräte bei 12.000 bis 15.000 Euro einzuplanen.