Kompressionswärmepumpe

Der Betrieb der Wärmepumpe braucht eine gewisse Antriebsleistung, z. B. in Form von elektrische Energie im Falle des (besonders gebräuchlichen) Antriebs des Kompressors mit einem Elektromotor. Je nach Temperaturverhältnissen, Qualität der Wärmepumpe etc. liegt die erzeugte Heizleistung z. B. 2 bis 10 mal höher als die Antriebsleistung. Dieser Faktor ist die Leistungszahl der Wärmepumpe. Die nutzbare Heizleistung ist nur geringfügig weniger als die Summe von Antriebsleistung und aufgenommener Leistung von Umweltwärme, weil nur ein geringer Teil der gewonnenen Heizwärme im Gerät verloren geht.

Je kälter das genutzte kalte Reservoir ist, desto schlechter funktioniert die Verdampfung im Verdampfer, und desto geringer ist die Wärmeausbeute im Kondensator. Je höher die Temperatur im Kondensator (die bei einer Wärmepumpenheizung im Wesentlichen durch die benötigte Vorlauftemperatur bestimmt ist), desto höher der notwendige Druck vom Kompressor, und desto höher ist deswegen auch die Leistungsaufnahme des Kompressors. Eine optimale Leistungszahl (Verhältnis zwischen erzeugter Nutzwärme und eingesetzter Energie) setzt also voraus, dass der Temperaturunterschied zwischen Nutzwärme und Umgebungswärme möglichst gering ist.

Diverse allgemeinere Aspekte werden im Artikel über Wärmepumpen erläutert.

Der Antrieb des Kompressors erfolgt in den weitaus meisten Fällen mit einem Elektromotor (→ Elektrowärmepumpe), der über das öffentliche Stromnetz (ggf. zeitweise auch mit eigenem Strom z. B. aus Photovoltaik) mit elektrischer Energie aus Kraftwerken betrieben wird.

Eine andere Möglichkeit ist der Einsatz eines Verbrennungsmotors, der z. B. mit Erdgas, Biogas oder Dieselkraftstoff betrieben wird, oder einer Gasturbine. Der Vorteil der Benutzung einer solchen Wärmekraftmaschine ist, dass deren Abwärme auch direkt der Nutzung zugeführt werden kann, während die Abwärmenutzung (Kraft-Wärme-Kopplung) bei großen Kraftwerken häufig nicht möglich ist. Allerdings ist der mechanische Wirkungsgrad dieser Anlagen meist deutlich geringer als der eines modernen Gaskraftwerks, so dass der Gesamtwirkungsgrad nicht unbedingt besser ist. Hinzu kommt, dass Verbrennungsmotoren und Turbinen teurer sind, mehr Wartung benötigen und eine niedrigere Lebensdauer aufweisen als Elektromotoren. Bei großen Anlagen wird dieser Ansatz aber häufig gewählt, während kleine Wärmepumpenanlagen fast nur als Elektrowärmepumpen ausgeführt werden.

Bei vielen Wärmepumpen wird der Kompressor (Verdichter) mit einer konstanten Drehzahl betrieben. Wenn die dabei erzeugte Wärmeleistung zu hoch ist, wird die durchschnittliche Wärmeproduktion durch Taktbetrieb reduziert, d. h. der Antrieb der Wärmepumpe wird zeitweise abgeschaltet. Diese Art der Anpassung der Wärmeleistung an den Bedarf ist jedoch energetisch sehr ungünstig; viel besser ist es, eine echte Leistungsregelung einzusetzen. Ein inzwischen recht gebräuchlicher Ansatz ist die Regelung der Drehzahl von Elektromotoren in modulierenden Elektrowärmepumpen mit einem Umrichter (Inverter); solche Inverter-Wärmepumpen arbeiten im Teillastbetrieb – der beispielsweise für Heizungswärmepumpen sehr häufig auftritt – viel effizienter. Die etwas höheren Herstellungskosten von Inverter-Geräten lassen sich im Betrieb leicht amortisieren. Deswegen sollten ungeregelte Wärmepumpen für solche Anwendungen nicht mehr installiert werden. Der Artikel über Elektrowärmepumpen enthält weitere Details hierzu.

Als Kältemittel (Arbeitsgase) wurden früher vor allem Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) verwendet, die wegen ihrer ozonschädigenden Eigenschaften jedoch verboten wurden. Zunächst betraf dies nach dem Montreal-Protokoll von 1987 nur vollhalogenierte FCKW wie R-12 und R-114; ab 1994 wurden auch teilhalogenierte H-FCKW wie R-22 und Fluorkohlenwasserstoffe (FKW, z. B. R-134a), die ein wesentlich geringeres Ozonzerstörungspotenzial haben, in der Verwendung eingeschränkt. In Deutschland ist z. B. R-22 seit 2010 nur noch in Altanlagen einsetzbar; die für neue Wärmepumpen zulässigen Kältemittel haben allesamt kein wesentliches Ozonzerstörungspotenzial mehr. Leider sind aber die meisten davon wegen ihrer Treibhauswirkung erheblich klimaschädigend.

Eine typische neue Heizungswärmepumpe enthält rund 3 kg eines Kältemittels wie R-407C, welches einen GWP-Wert von 1774 hat. Dies bedeutet, dass das komplette Entweichen des Kältemittels ebenso klimaschädlich wäre (über 100 Jahre gerechnet) wie ca. 5,3 Tonnen CO₂ – vergleichbar mit der Verbrennung von 2000 Litern Heizöl. Dies kommt aber eher selten vor. Das Umweltbundesamt verwendet als groben Anhaltswert für die typischen Kältemittelverluste von Heizungswärmepumpen 2,5 % der Füllmenge pro Jahr; hierin sind auch Verluste bei der Entsorgung eingerechnet. Dieser Wert entspricht im obigen Beispiel einem Äquivalent von 133 kg CO₂ oder 51 Litern Heizöl pro Jahr. Daraus ergibt sich, das Kältemittel die Klimabilanz von Heizungswärme Pumpen deutlich, aber nicht dramatisch verschlechtern. Es ist anzustreben, die Verlustraten noch weiter zu reduzieren durch eine noch sorgfältigeren Umgang mit Kältemitteln und/oder den zunehmenden Einsatz klimaschonender Kältemittel.

Als klimaschonende Kältemittel kommen unter anderem nicht chlorierte oder fluorierte Kohlenwasserstoffe wie Propan, Propen und Butan in Frage. Diese sind jedoch brennbar und verursachen Brand- und Explosionsgefahren, wenn sie austreten; das schränkt ihre Verwendung ein. Andere mögliche “natürliche” Kältemittel sind Kohlendioxid (R-744), Ammoniak (R-717) sowie Wasser (R-718). Die Eignung verschiedener Substanzen hängt insbesondere von den relevanten Temperaturniveaus ab; beispielsweise eignet sich Wasser nur für Temperaturen über 0 °C im Verdampfer. Die erreichbaren Leistungszahlen sind ebenfalls unterschiedlich.

Die im Oktober 2016 beschlossene Erweiterung des Montreal-Protokolls dürfte den Einsatz klimaschonender Kältemittel in den nächsten Jahren deutlich beschleunigen. Schon heute gibt es Heizungswärmepumpen, die beispielsweise mit dem nicht klimaschädlichen Propan (R-290) arbeiten – vor allem außen aufgestellte Luft/Wasser-Wärmepumpen, wo die Explosionsgefahr im Falle eines Austritts des Kältemittels relativ gering ist. Bisher haben solche Geräte jedoch einen geringen Marktanteil von nur einigen Prozent.

Natürlich wäre für das Klima wenig oder nichts gewonnen, wenn zwar klimaschonende Kältemittel verwendet werden, diese aber wegen einer reduzierten Energieeffizienz der Wärmepumpe zu höheren CO₂-Emissionen durch den Betrieb führen würden. Jedoch gibt es durchaus sehr effiziente Wärmepumpen, die beispielsweise mit Kohlendioxid, Ammoniak oder Propan arbeiten.