Was sind Wärmepumpen?

Wärmepumpen funktionieren nach dem Prinzip des Kühlschrankes; nur sind die Seiten vertauscht.

Sie kennen den Effekt, wenn sie an einem heißen Tag aus einem Schwimmbad steigen und ihnen plötzlich kalt wird? Das Wasser auf ihrer Haut verdunstet. Hierzu benötigt es Energie.
Diese kommt von der Sonne und ihrem Körper. Der Entzug der Energie wird als Verdunstungskälte wahrgenommen. Genau das geschieht, wenn das Gas im Kühlschrank in dessen Innerem verdunstet. Die dafür benötigte Energie zieht das Gas aus dem Innenraum des Kühlschrankes, der dadurch kalt wird. Nun startet der Kompressor unter dem Kühlschrank und drückt das Gas so fest zusammen, dass es wieder flüssig wird. Durch die Komprimierung wird die Flüssigkeit warm. Theoretisch ist es genau die Energiemenge, die das Gas bei seiner Verdunstung dem Innenraum des Kühlschrankes entzogen hat.

Bei der Wärmepumpe als Heizung ist das warme Gitter auf der Kühlschrankrückseite ihre Heizungsanlage. Die Energie wird aus einem Medium außerhalb ihres Hauses gezogen.
Luftwärmepumpe: Sie nutzt die Temperatur der Außenluft um zu verdunsten. Es ist die preisgünstigste Wärmepumpe in der Anschaffung. Bei tiefen Außentemperaturen sind dann aber auch kaum noch Wärmegewinne möglich. Da der Kompressor im Regelfall elektrisch getrieben wird, heizt man an kalten Tagen nahezu voll elektrisch.
Wärmepumpe mit Erdwärme: Als Wärmequelle wird z.B. eine Erdbohrung genutzt. Tief im Erdreich herrschen recht konstante Temperaturen um die 8°. Eine ausreichende Größe der Bohrung ist notwendig, dass die Umgebung um die Entnahmestelle im Winter nicht zu weit abgekühlt wird. Zum Transport der Wärme wird eine Sole (Salzlösung) verwendet. Die Bohrungen alleine kosten einige tausend Euro. Die Bohrung kann im Sommer auch zur Kühlung/Klimatisierung des Gebäudes eingesetzt werden.

Dies führt auch zu höheren Ausgangstemperaturen für den Heizbetrieb im Winter. Alternativ zur Bohrung können auch großflächig Wasserleitungen auf dem Grundstück in 1-2m Tiefe verlegt werden.Bei einem Neubau auch unter dem Haus.
Wärmepumpe mit Grundwasser oder Abwasser: Auch Brunnenbohrungen können ausreichend Wärme für eine Wärmepumpe liefern. In Abwasserkanälen ist viel Restwärme vom eingeleiteten Abwasser vorhanden. Auch Anlagen die dies als Wärmequelle nutzen gibt es bereits. Wärmepumpe mit Eisspeicher: Wasser als Wärmequelle hatten wir ja schon. Beim Eisspeicher wird zusätzlich die bereits beschriebene Änderung des Aggregatzustandes genutzt. In diesem Fall von flüssig auf fest (Eis). Für ein Gebäude mit einer Heizleistung unter 13kW werden Speicher von ca. 10cbm Wasser benötigt. Darüber entsprechend mehr. Dem Wasserspeicher muss auch immer wieder Energie zugeführt werden. Eine solche Anlage ist mit einer thermischen Solaranlage gekoppelt, die den Speicher auch im Winter immer wieder mit etwas Energie versorgt.
! Es ist sicherlich einleuchtend, dass man mit Wärmequellen von 0-10° keine allzu hohen Temperaturen für eine Heizung generieren kann. Wärmepumpen benötigen gut gedämmte Gebäude und große Heizflächen wie beispielsweise eine Fußbodenheizung. Da die Kompressoren elektrisch betrieben werden ist es auch immer wichtig zu schauen mit welchem Energieeinsatz Strom hergestellt wird. Angenommen ein Kohlekraftwerk hat einen
Wirkungsgrad von 35%. Dann müsste die Wärmepumpe dreimal so viel Energie aus der Umgebungswärme erzeugen. Dann wäre sie erst so gut als hätte man direkt mit Kohle geheizt. Man spricht hier von der sogenannten Jahreskennzahl. Jahreskennzahl 3 ist also zumindest derzeit keine wirkliche Verbesserung der Energiebilanz.
Wer glaubt er kann die Wärmepumpe mit Solarstrom betreiben, der sollte sich mal anschauen zu welcher Jahreszeit dort wie viel Strom produziert wird. Im Dezember sind es etwa 15% der Sommerwerte. Wer auf Windenergie setzt der sollte wissen, dass gerade an besonders kalten Tagen oft Hochdruckgebiete ohne nennenswerten Wind vorherrschend sind.
Wärmepumpen sind eine langlebige Technik aber in der Anschaffung recht teuer. Der Betreib mit Strom führt zu hohen Betriebskosten. Viele Stromanbieter haben bereits kaum noch Rabatte für Wärmepumpenstrom.
Ein großer Vorteil dieser Technik ist allerdings, dass die ohnehin zu warme Atmosphäre gekühlt wird um unser Wärmebedürfnis zu stillen. Sicher besser als zusätzliche Wärme freizusetzen.
Sonderfall Gaswärmepumpe: Bei Gaswärmepumpen wird der Kompressor nicht elektrisch betrieben, sondern z.B. durch einen Verbrennungsmotor. Genutzt wird die Umgebungswärme und die Abwärme des Verbrennungsmotors. Das klingt zunächst nahezu perfekt. Aber Verbrennungsmotoren sind anfällig und wartungsintensiv (So auch bei BHKWs, siehe später).
Besonders gute Werte erreicht eine völlig neue Kompressoren-Technologie die beim Produkt „Boostheat“ Verwendung findet. Eine linear betriebene Verdichtung soll zu Heizenergieeinsparungen um 50% führen und Heizungs-Vorlauf-Temperaturen erreichen, die für herkömmliche Heizkörper ausreichend sind. (Trotz derzeitiger 35%-Förderung liegt der Preis über 20.000€). Es handelt sich hier nicht um einen Verbrennungsmotor und die
Technik verspricht robust zu sein. Als Brennstoff kommen Gas, Flüssiggas, Wasserstoff, im Prinzip auch Öl oder Pellets in Frage. Derzeit wird aber nur für Erdgas angeboten. Das Problem, dass ab 2050 keine fossile Energieträger für Heizzwecke Verwendung finden sollen bleibt auch hier bestehen.

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