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Acronym: WP
Definition: eine Maschine, die Nutzwärme teilweise durch Entnahme aus einem kälteren Medium gewinnen kann
Abbildung 1: Energieflüsse bei einer Wärmepumpe. Die Breite der Pfeile zeigt die übertragenen Energiemengen bzw. Leistungen an.
Eine Wärmepumpe ist eine Maschine, die nutzbare Wärme bereitstellen kann, welche zu einem wesentlichen Teil einem kälteren Medium entnommen wird. Häufig handelt es sich bei der entnommenen Wärme um kostenlose Umweltwärme (Anergie) oder um sonst nicht nutzbare Abwärme. Diese wird auf ein höheres Temperaturniveau “gepumpt”, wie es für die Nutzung nötig ist. Hierfür muss der Wärmepumpe jedoch ein Teil hochwertiger Energie (Exergie) zugeführt werden – meist in Form von mechanischer Antriebsenergie, in manchen Fällen (bei Absorptionswärmepumpen) aber auch in Form von Hochtemperaturwärme.
Der Unterschied zu einem Kühlaggregat (einer Kältemaschine), welches ebenfalls einem kühlen Reservoir noch Wärme entziehen kann, ist lediglich der interessierende Nutzaspekt: bei der Wärmepumpe nicht (oder nicht vorwiegend) die Abkühlung des kalten Reservoirs, sondern die Wärmeabgabe z. B. in ein Zentralheizungssystem.
Im Prinzip könnte die eingesetzte Exergie (hochwertige Energie) auch direkt zur Wärmeerzeugung verwendet werden, etwa in einer Elektroheizung. Der Einsatz einer Wärmepumpe hat jedoch den Vorteil, dass damit wesentlich weniger Exergie für die gleiche erzeugte Wärmemenge benötigt wird, da diese Wärme zu einem guten Teil dem kälteren Reservoir entnommen wird. Man tauscht also eine geringere Menge von Exergie gegen eine größere Menge von Niedertemperaturwärme, die teilweise aus meist kostenloser Anergie (Umweltwärme) gewonnen wird.
Typische Anwendungen
Einige typische Anwendungen für Wärmepumpen werden im Folgenden kurz beschrieben:
- Wärmepumpen sind besonders geeignet für die Beheizung (→ Wärmepumpenheizung) von Gebäuden und Schwimmbädern, vor allem wenn das benötigte Temperaturniveau der Heizwärme relativ niedrig ist und ein geeignetes Wärmereservoir zur Verfügung steht. Die Effizienz wird aber schlechter, wenn eine hohe Temperatur geliefert werden muss (z. B. für konventionelle Heizkörper im unsanierten Altbau) und/oder wenn nur ein relativ kaltes Wärmereservoir zur Verfügung steht.
- Wärmepumpen können auch für die Bereitung von Warmwasser verwendet werden. Diese Aufgabe kann von einer Heizungs-Wärmepumpe mit übernommen werden, aber es gibt auch speziell für die Warmwasserbereitung zuständige Geräte (Brauchwasserwärmepumpen). Die Energieeffizienz ist bei der Warmwasserbereitung häufig geringer als beim Heizen, aber immerhin noch weitaus höher als bei elektrischer Warmwasserbereitung.
- Wärmepumpen werden auch für diverse industrielle Prozesse verwendet. Beispielsweise für Trocknungsprozesse, z. B. für die Trocknung von Holz oder Erntegut, kann nicht nur die Wärmeerzeugung einer Wärmepumpe genutzt werden, sondern auch die Kälte. Die Luft wird dabei im Wärmepumpen-Aggregat zunächst abgekühlt, wobei ein erheblicher Teil des aufgenommenen Wasserdampfs kondensiert und das Kondenswasser abgeführt wird. Danach wird die Luft wieder erwärmt und kann dann weitere Feuchtigkeit aufnehmen. Die Luft kann vollständig oder teilweise in einem Kreislauf geführt werden. Das gleiche Prinzip wird auch in Wärmepumpen-Wäschetrocknern verwendet, die damit erheblich weniger elektrische Energie verbrauchen als herkömmliche Abluft- oder Umluft-Trockner.
Funktionsprinzip von Wärmepumpen
Abbildung 2: Schematischer Aufbau einer Kompressionswärmepumpe.
Die meisten Wärmepumpen (diejenigen, die mit mechanisch angetrieben werden) arbeiten nach dem folgenden Kreislauf-Prinzip der Kompressionswärmepumpe:
- Ein zunächst flüssiges Kältemittel wird im sogenannten Verdampfer verdampft, indem der Druck mit einem mechanisch angetriebenen Kompressor niedrig gehalten wird. Beim Verdampfen kühlt sich das Kältemittel wegen der benötigten Verdampfungswärme ab. Der Verdampfer ist ein Wärmetauscher, der dem Kältemittel ermöglicht, Wärme einem anderen Medium (dem genutzten kalten Reservoir) zu entziehen.
- Das verdampfte Kältemittel durchläuft den Kompressor, der es auf einen höheren Druck bringt. Hierdurch wird das Kältemittel wieder verflüssigt, trotz der nun höheren Temperatur. Die Verflüssigung erfolgt in einem zweiten Wärmetauscher, dem Kondensator, in dem das Kältemittel Nutzwärme bei höherer Temperatur abgibt, z. B. an Wasser eines Heizkreislaufs.
- Das nun wieder flüssige Kältemittel wird durch ein Drosselventil wieder in den Verdampfer geführt.
Als Kältemittel (Arbeitsgase) wurden früher vor allem Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) verwendet, die wegen ihrer ozonschädigenden Eigenschaften jedoch verboten wurden. Danach kamen Fluorkohlenwasserstoffe (FKW) zum Einsatz, die zwar die Ozonschicht schonen, jedoch klimaschädlich sind. Solche Probleme werden vermieden durch Verwendung von Kohlenwasserstoffen wie Propan, die jedoch brennbar sind und Brand- und Explosionsgefahren verursachen, wenn sie austreten. Andere mögliche Kältemittel sind Kohlendioxid und Ammoniak. Die Eignung verschiedener Substanzen hängt insbesondere von den relevanten Temperaturniveaus ab.
Außer den Kompressionswärmepumpen gibt es auch Absorptionswärmepumpen, bei denen anstelle eines Antriebs eine Zufuhr von Hochtemperatur-Wärme erfolgt. Solche Aggregate erlauben es z. B. in Fernheizwerken, die Exergie von Hochtemperaturwärme besser zu nutzen, indem mit ihrer Hilfe zusätzliche Umweltwärme oder Abwärme der Nutzung zugeführt wird.
Einige exotischere Typen von Wärmepumpen (z. B. basierend auf dem Peltier-Effekt oder dem magnetokalorischen Effekt) werden hier nicht beschrieben.
Mit Wärmepumpen nutzbare Wärmequellen
Wärmepumpen können sehr unterschiedliche Quellen von Umweltwärme oder Abwärme nutzen:
- Für Heizungswärmepumpen werden häufig Erdsonden eingesetzt, die z. B. 100 m tief in das Erdreich eindringen. Eine frostgeschützte Flüssigkeit (Sole) zirkuliert zwischen Erdsonde und Wärmepumpe. Sie ist im Betrieb etwas kühler als das Erdreich, entzieht diesem also Wärme, die sie dann an den Verdampfer der Wärmepumpe abgibt.
- Ebenfalls gebräuchlich sind in geringer Tiefe von z. B. 1,5 m verlegte Erdregister, die z. B. unter einem Garten liegen können, und Erdwärmekörbe.
- In manchen Fällen kann Grundwasser genutzt werden, welches in einem Brunnen gewonnen, in einem Wärmetauscher abgekühlt und dann wieder versickert wird.
- Luft-Wasser-Wärmepumpen nutzen meist Außenluft. Der Nachteil ist, dass die Außenluft gerade dann besonders kalt ist, wenn für eine Heizung viel Wärme benötigt wird. Außerdem neigen solche Geräte vor allem bei Außentemperaturen um 0 °C zur Vereisung des Verdampfers, was regelmäßige Abtauvorgänge notwendig macht und die Leistungszahl weiter senkt (typisch um ca. 10–15 %). Deswegen arbeiten Luft-Wasser-Wärmepumpen meistens weniger effizient als z. B. Sole-Wasser-Wärmepumpen.
- Ideale Verhältnisse liegen für eine Luft-Wasser-Wärmepumpe dagegen oft vor, wenn Abwärme von Anlagen oder Gebäuden zur Verfügung steht, z. B. in Form warmer (selbst nur lauwarmer) Abwässer oder warmer Abluft.
- Brauchwasserwärmepumpen nutzen manchmal die Abluft einer Lüftungsanlage oder auch überschüssige Wärme in einem Kellerraum.
Der Artikel über Wärmepumpenheizung enthält mehr Details zu den hierfür häufig genutzten Wärmequellen.
Antriebe für Wärmepumpen
Der Antrieb des Kompressors erfolgt häufig mit einem Elektromotor (→ Elektrowärmepumpe). 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. Andererseits sind Elektromotoren vor allem bei kleinen Leistungen viel kostengünstiger und langlebiger.
Energiebilanz von Wärmepumpen
Die Energiebilanz einer Wärmepumpe unter gegebenen Betriebsbedingungen (insbesondere Temperaturen von Nutzwärme und kaltem Reservoir) wird meist durch die Leistungszahl ausgedrückt. Die Leistungszahl (auch COP = coefficient of performance) ist das Verhältnis von gewonnener Nutzwärme zur eingesetzten Antriebsenergie. Beispielsweise bedeutet eine Leistungszahl von 3, dass 3 kWh Nutzwärme aus 1 kWh Antriebsenergie und 2 kWh Umwelt- oder Abwärme gewonnen werden können.
Die Leistungszahl einer Wärmepumpe wird in der Regel umso geringer, je größer der Temperaturunterschied zwischen Nutzwärme und kaltem Reservoir ist.
Für die Energieeffizienz aussagekräftiger als die Leistungszahl ist die Jahresarbeitszahl, d. h. die über ein Jahr gemittelte Leistungszahl. Diese kann deutlich von den jeweiligen Einsatzbedingungen abhängen, z. B. von den klimatischen Verhältnissen, der Qualität einer Erdsonde oder eines Grundwasser-Wärmetauschers, den nötigen Heizwassertemperaturen, etc. Die Artikel über die Leistungszahl und die Jahresarbeitszahl diskutieren ausführlich, wie diese Werte optimiert werden können. Es zeigt sich, dass diese Optimierung für Wärmepumpenanlagen wesentlich schwieriger sind als z. B. für Heizungen mit Heizkesseln. Beispielsweise kann die Jahresarbeitszahl stark leiden, wenn die Leistung der Wärmepumpe entweder zu knapp auslegt wird und dann an kalten Tagen häufig ein Elektroheizstab zum Einsatz kommt, oder wenn die Leistung zu hoch ist und die Wärmepumpe deswegen zu kurze Betriebszeiten erreicht. Die in der Praxis erreichte Energieeffizienz ist häufig deutlich niedriger, als sie bei optimaler Kompetenz von Energieplaner und Heizungsbauer erzielbar wären (häufig ohne Mehrkosten).
Exergiebilanz
Eine Leistungszahl von z. B. 3 scheint auf den ersten Blick eine wundersame Energievermehrung anzuzeigen. Jedoch ist zu beachten, dass wertvolle Exergie eingesetzt, aber nur Niedertemperaturwärme (mit geringem Exergie-Anteil) gewonnen wird. Insgesamt kann so in der Wärmepumpe mehr als die Hälfte der eingesetzten Exergie verloren gehen (der exergetische Wirkungsgrad oder Gütegrad unter 50 % liegen), selbst wenn die Leistungszahl 4 erreicht wird. Dies zeigt an, dass noch ein erhebliches Potenzial für die weitere Verbesserung von Wärmepumpen besteht. Interessanterweise fällt der exergetische Wirkungsgrad gerade dann tendenziell niedriger aus, wenn die zu überbrückende Temperaturdifferenz gering ist.
Vergleich mit anderen Methoden der Wärmeerzeugung
Die benötigte Exergie für den Antrieb einer Wärmepumpe wird oft unter großen Energieverlusten gewonnen. Häufig ist der Fall, dass die eingesetzte elektrische Energie in einem Wärmekraftwerk mit einem Wirkungsgrad von z. B. 38 % gewonnen wird und nach Abzug von Verlusten im Leitungsnetz nur 35 % der Energie bei der Wärmepumpe ankommen. Dann wird ein Wärmepumpensystem mit einer Leistungszahl von 3 zu einem Gesamtwirkungsgrad (Nutzwärme dividiert durch Primärenergie) von leicht über 100 % führen. Dies ist deutlich besser, aber nicht dramatisch besser als ein sehr guter Heizkessel, dessen Jahresnutzungsgrad nicht weit unter 100 % liegt. Wenn die bezogene elektrische Energie aus Kohlekraftwerken stammt, kann die Wärmepumpenheizung sogar deutlich klimaschädlicher sein als ein Heizkessel.
Zusätzlich sollten aber die folgenden Aspekte berücksichtigt werden:
- Die Wärmepumpe könnte auch mit elektrischer Energie aus anderen Quellen betrieben werden (z. B. Windenergie, Wasserkraft oder aus Kernkraftwerken), die zu massiv niedrigeren Kohlendioxid-Emissionen führen würden.
- Generell ergeben sich mit Wärmepumpen mehr Optionen, um z. B. auf zukünftige Verknappungen von Energieträgern zu reagieren, da der Wechsel auf eine andere Art der Stromerzeugung leichter zu bewerkstelligen ist als eine Umrüstung vieler kleiner Heizanlagen. Insbesondere kann der leicht zu bewerkstelligende Wechsel zu Ökostrom die Ökobilanz einer Wärmepumpenheizung massiv verbessern.
- Wärmepumpen ermöglichen in vielen Fällen die Nutzbarmachung von Abwärme. Allerdings ist die Nutzung von Abwärme über einen einfachen Wärmetauscher energetisch günstiger, soweit dies möglich ist. Beispielsweise ist es energetisch günstiger, die Wärme der Abluft in einer Lüftungsanlage für die Vorwärmung der Frischluft in einem Wärmetauscher zu verwenden, als sie mit einer Wärmepumpe für die Bereitung von Warmwasser einzusetzen.
- Die Investitionskosten für eine Wärmepumpenanlage liegen oft erheblich höher, und diese Mehrkosten könnten im Prinzip auch für eine Verminderung des Wärmebedarfs durch Wärmedämmung eingesetzt werden. Unter Umständen kann diese Strategie energetisch günstiger sein.
Siehe auch: Wärmepumpenheizung, Brauchwasserwärmepumpe, Wärme, Exergie, Leistungszahl, Energieeffizienz, Kälte