1.1 Funktionsprinzip
Das Funktionsprinzip einer Wärmepumpe ist ganz einfach und lässt sich mit dem Prinzip eines Kühlschranks vergleichen – mit dem Unterschied, dass nicht Kälte, sondern Wärme erzeugt wird. Nicht umsonst ging entwicklungstechnisch die Kältenutzung der Wärmenutzung voraus. Während ein Kühlschrank seinem Innenraum die Wärme entzieht und diese nach außen ableitet, um die Lebensmittel zu kühlen, entzieht die Wärmepumpe umgekehrt der Umgebung außerhalb des Hauses die Wärme und beheizt damit das Haus.
Der Aufbau einer Wärmepumpe setzt sich aus 3 Bestandteilen zusammen, mit denen das Wärmepumpensystem arbeitet:
- Die Wärmequelle (Luft, Erde, Grundwasser), aus der die Energie aus der Umgebung entzogen wird (Energiegewinnung).
- Die Wärmepumpe, die die gewonnene Umweltwärme mittels Wärmepumpen-Technologie nutzbar macht (Energie-Nutzbarmachung).
- Das Wärmeverteil- und Speichersystem, das die Wärme in die Wohnräume verteilt oder speichert (Beheizung).
Abb. 1 Das Funktionsprinzip der Wärmepumpe; Quelle: Andreas Bertram/Umweltbundesamt
Geschichte der Wärmepumpe
Wärmepumpen erfahren seit einigen Jahren vor allem vor dem Hintergrund der Diskussion um fossile Brennstoffe einen Aufschwung: in der öffentlichen Wahrnehmung, in der energiepolitischen Diskussion und auch in den Absatzzahlen. Sie sind aber keine neue Erfindung. Ihre Geschichte reicht weiter zurück ins 18. Jahrhundert. Damals (1777) entdeckte der schottische Mediziner und Chemiker William Cullen bei Experimenten mit Diethylether, dass dem Reaktionsgefäß Wärme entzogen wird, wenn der Äther mithilfe von Unterdruck zum Verdampfen gebracht wird. Er suchte nach einem neuen Mittel zur Tiefkühlung. Doch es dauerte noch 60 Jahre, bis der amerikanische Maschinenbauer Jacob Perkins 1834 das erste funktionierende Kühlgerät mit mechanischem Kompressor vorstellte. Von einer kommerziellen Verwendung war man da noch meilenweit entfernt. Viele Wissenschaftler experimentierten mit wechselnden Kühlmitteln und höhere Drücken, um die Abläufe in diesen Kältemaschinen zu verbessern. Doch den wirklichen Durchbruch schafften die Kühlgeräte erst nach dem Ersten Weltkrieg in den USA. Hier wurden zudem bereits in den 1920er Jahren serienmäßig Klimaanlagen gebaut, die eine Heizfunktion besaßen.
Bereits fast 100 Jahre vorher (1824) veröffentlichte der französische Physiker und Ingenieur Nicolas Carnot erste Grundsätze zum Wärmepumpenprinzip. 1852 schrieb William Thomson in einer Abhandlung, dass die Kältemaschinen auch zum Heizen genutzt werden könnten. In vielen Ländern wurde weiter an der Wärmepumpentechnik geforscht und gearbeitet, um einen wirtschaftlichen Einsatz zu ermöglichen, vor allem in Zeiten von Ressourcenknappheit und hoher Brennstoffpreise. In den 1920er Jahren gingen in Zürich die ersten größeren Wärmepumpenanlagen zur Beheizung von Gebäuden in Betrieb.1969 nahm Klemens Watterkotte, Gründer der heute noch produzierenden Watterkotte GmbH, in seinem eigenen Haus die erste Niedertemperatur-Fußbodenheizung in Betrieb, die mit einer Erdwärmepumpe gekoppelt war. Vor allem in Kombination mit der Möglichkeit, trotz niedriger Systemtemperatur angenehm zu heizen, wurde die Wärmepumpe langsam wirtschaftlicher.
Bedingt durch die Energiekrisen der 1970er Jahren wuchs zwar das Interesse an alternativen Heizungssystemen. Doch erst mit den 1990ern und den Jahrzehnten danach etablierte sich das System Wärmepumpe immer stärker auf dem Wärmemarkt und konnte sich als ökologische Alternative zu den klassischen Gas- und Ölheizungen durchsetzen.
1.2 Der Kreisprozess der Wärmepumpe
Im Inneren der Wärmepumpe läuft in einem geschlossenen Kreisprozess kontinuierlich ein technisches Prinzip aus 4 Schritten ab:
| Verdampfen – Verdichten – Verflüssigen – Entspannen. |
Wie beim Kühlschrank, ist auch bei der Wärmepumpe ein Kältemittel in einem Rohrsystem das Transportmittel. Das flüssige Kältemittel nimmt die thermische Energie aus der Umwelt im flüssigen Zustand auf, wodurch es verdampft und gasförmig wird. Im weiteren Kreislauf wird es durch Druck verdichtet und nach Abgabe der Wärme wieder entspannt. Die Wirkung dieses Kreisprozesses gründet auf einem physikalischen Phänomen namens "Joule-Thomson-Effekt". Demnach kühlt sich ein Gas ab, sobald es durch eine enge Öffnung strömt. Das hat zur Folge, dass der Druck des Gases abnimmt. Es entspannt sich.
In diesem sich wiederholenden Prozess muss das Kältemittel auf ein Temperaturniveau angehoben werden, das für das Heizsystem nutzbar ist. Dies geschieht unter Einsatz von elektrischer Energie. Je höher der Temperaturunterschied zwischen der Energiequelle und der benötigten Nutzwärme ist, desto mehr elektrische Antriebsleistung muss aufgebracht werden. Hier springt in der Regel ein Zusatz-Heizstab ein, der das Wasser im Heizkreislauf 1:1 elektrisch erwärmt. Grob berechnet man den Energieverbrauch im Verhältnis 5:1. Für bis zu fünf Teile kostenlose Umweltenergie braucht ma...