Heizen mit der Wärme aus Wasser, Erde und Luft

Funktionsprinzip einer Wärmepumpe

In dem Artikel „Geld sparen mit modernen Wärmeerzeugern?“ auf den Seiten 368–370 haben wir Ihnen bereits eine Einführung in das Thema „Wär­me­pum­pen“ gegeben. Auf den folgenden Seiten wollen wir Ihnen das Funk­tions­prin­zip einer Wärmepumpe erklären und die verschiedenen Systeme kurz vorstellen.

Das Funktionsprinzip der Wärmepumpe: Der Kältekreislauf der Wärmepumpe wirkt genauso wie in einem Kühl­schrank, wird aber umgekehrt genutzt.
Quelle Grafiken: Bundesverband Wärmepumpe e.V.

Durch ihre besondere Funktionsweise gehört die Wärmepumpe zu den um­welt­scho­nends­ten Methoden der Heizung und Warmwasserbereitung. Sie reduziert klimaschädliche CO2-Emissionen und den Energieverbrauch. Darüber hinaus benötigt sie kaum Wartung und erzeugt bei richtiger Planung und optimalem Betrieb bis zum Vierfachen der ein­ge­setz­ten elektrischen Antriebsleistung an Wärmeenergie.

Funktionsprinzip eines Kühlschranks
Wärmepumpen funktionieren wie Kühlschränke – nur wird das Prinzip genau umgekehrt genutzt: Während der Kältemittelkreislauf des Kühlschranks seinem Inneren Wärme ent­zieht und diese an die Umgebung abgibt, entzieht der Kältemittelkreislauf einer Wär­me­pum­pe der Umgebung Wärme.

Diese Wärme wird innerhalb des Gerätes auf ein höheres Temperaturniveau gebracht und kann dann zum Heizen oder zum Erwärmen von Trinkwasser genutzt werden. Eine effiziente Wärmepumpe kann so aus bis zu 75 % kostenloser Umweltenergie und 25 % Antriebsenergie 100 % Heizleistung erzeugen.

Die Hauptenergiequelle der Wärmepumpe ist die Umgebungswärme, also die in der Luft, im Boden oder im Grundwasser gespeicherte Sonnenenergie. Um diese Umgebungswärme von einem relativ niedrigen auf das für Heizung und Warmwasser erforderliche Tem­pe­ra­tur­ni­,veau zu bringen, nutzt die Pumpe ein Kältemittel. Dieses verdampft aufgrund seines nied­ri­gen Siedepunktes bereits bei der vergleichsweise niedrigen Temperatur der Wärmequelle.

Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe entzieht die benötigte Wärme der Umge­bungsluft oder der Abluft des Gebäudes. Der Aufwand für die Wärmequelle ist hier besonders gering.

Unter Einsatz von Antriebsenergie in Form von Strom oder Gas wird das dampfförmige Kältemittel verdichtet, dadurch steigt die Vorlauftemperatur der Heizung auf das benötigte Niveau. In einem Kondensator wird das Kältemittel anschließend wieder verflüssigt, wobei es sowohl die zugeführte Antriebsenergie als auch die aufgenommene Umweltwärme auf einem höheren Temperaturniveau an das Heizmedium abgibt.

Wie effizient arbeitet eine Wärmepumpe?
Wie effizient eine Wärmepumpe als Heizquelle arbeitet, zeigt das Verhältnis der erzeugten zur eingesetzten Energie. Um verschiedene Bauarten und Modelle vergleichen zu können, wird unter Normbedingungen im Labor der sogenannte COP-Wert (Coefficient of Per­for­mance oder Leistungszahl) ermittelt. Dieser Wert gibt an, wie hoch der Energiegewinn im Vergleich zum Energieeinsatz ist.
 

Eine Sole-Wasser-Wärmepumpe (Erd­wärmepumpe) arbeitet mit horizontal verlegten Kollektoren. Eine vertikale Erdwärmesonde, die mit einer Bohrung ins Erd­reich ge­bracht wird. Sie nutzt Erdwärme (Geo­ther­mie) als Wärmequelle.

Nach Angaben des Bundesverbandes Wärmepumpe (BWP) e.V. erreichen moderne Wär­me­pum­pen dabei unter den genormten Prüfbedingungen COP-Werte von 4 bis 5. Einfacher ausgedrückt: Das 4- bis 5-Fache der eingesetzten Energie wird wieder als Wärme erzeugt.

Auch zur Kühlung einsetzbar
Wärmepumpen können darüber hinaus auch zur Kühlung eingesetzt werden. Da die Temperatur im Erdreich im Sommer geringer ist als die Raum­tem­pe­ra­tur, können Erd- oder Grundwasser-Wärmepumpen die Kühle des Erdreiches direkt nutzen. Für solch eine „passive Kühlung“ wird nur ein sehr geringer Energieaufwand für den Betrieb der Pumpe benötigt. Da alle anderen Anla­gen­teile ausgeschaltet bleiben, ist diese Art der Kühlung sehr sparsam. Bei einem höheren Kühlbedarf kann zudem der Wärmepumpen-Kreislauf um­ge­kehrt und zur aktiven Kühlung eingesetzt werden.

BWP

 

Was bedeutet „Jahresarbeitszahl“

Eine Wasser-Wasser-Wärme­pumpe nutzt die Wärme des Grundwassers. Zwei Brun­nen – ein Saug- und ein Schluck­brun­nen – sind dafür nötig, außer­dem muss Grundwasser in aus­reichen­der Menge und Qualität zur Verfügung stehen. Ein Qualitätsmerkmal für komplette Wär­me­pum­pen­an­la­gen ist die Jahresarbeitszahl (JAZ). Sie beschreibt das Verhältnis zwi­schen eingesetzter und gewonnener Energie im Laufe eines Jahres. Eine JAZ von 4,0 drückt beispielsweise aus, dass eine Wär­me­pum­pe das Vierfache der eingesetzten Energie im Jahr in Form von Wärme be­reit­stellt.

Aus einer Einheit An­triebs­ener­gie und drei Einheiten Um­welt­ener­gie werden so vier Einheiten Heizenergie. Nach Angabe der „Verbraucherzentrale Bun­des­ver­band“ hat eine effiziente Wärmepumpe eine Jah­res­ar­beits­zahl von über 3,5.

Anbieter versprechen oft Jah­res­ar­beits­zah­len von über 4, die aber häufig nicht erreicht werden. Meist liegen sie zwischen 2,3 und 3,9. Wichtig für die Bewertung einer Anlage ist, dass sämtlicher Stromverbrauch in­klu­si­ve der Warmwasserbereitung, aller ein­ge­setz­ten Pumpen und des evtl. vor­han­de­nen Heizstabs bei der Bestimmung dieser Zahl berücksichtigt werden.

 

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Geothermie nichtüberall nutzbar

Die Nutzung von Erdwärme, also Geothermie, unterscheidet sich in oberflächennahe Geo­ther­mie (bis ca. 400 m) und Tiefengeothermie, bei der warmes Untergrundwasser in Tiefen bis zu 2 km genutzt wird. Für private Bauherren ist ausschließlich die oberflächennahe Geothermie geeignet.

Mit dem „Informationssystem Oberflächennahe Geothermie (IOG)“ des Bayerischen Lan­des­am­tes für Umwelt können Sie ermitteln, ob der Bau von Erdwärmesonden oder -kol­lek­to­ren an ihrem Wohnort voraussichtlich möglich ist. Außerdem bekommen Sie hier Hin­wei­se über mögliche rechtliche Auflagen, wie eine Begrenzung der Bohrtiefe zum Schutz wichtiger Grundwasservorkommen.

Laut dem Bayerischen Landesamt für Umwelt sind mit jeder Bohrung Risiken verbunden, die im ungünstigen Fall zu erheblichen Folgekosten führen können. Risiken können z.B. Gips- bzw. Anhydrit-Vorkommen sein, die durch Wasseraufnahme oder -abgabe zur Hebung oder Senkung der Ge­län­de­ober­flä­che neigen. Problematisch sind ebenfalls Bohrungen in Karstgestein oder in artesisch gespannte Grundwasserleiter. In geologisch problematischen Gebieten wird daher dringend eine standortbezogene Beurteilung des Baugrunds durch ein Fachbüro empfohlen.