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Wärmepumpe

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Akronym: WP

Definition: eine Maschine, die Nutzwärme teilweise durch Entnahme aus einem kälteren Medium gewinnen kann

Englisch: heat pump

Kategorien: Haustechnik, Wärme und Kälte

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 20.03.2010; letzte Änderung: 22.10.2016

Energieflüsse bei einer Wärmepumpe

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 als Wärmequelle 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. (Eine Wärmepumpe ist aber keine echte Pumpe; sie mag allenfalls auch eine Pumpe enthalten.) 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 die 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.

Arten von Wärmepumpen

Die gebräuchlichste und effizienteste Art von Wärmepumpe ist die Kompressionswärmepumpe. Diese enthält einen Kompressor, der mechanisch angetrieben wird – häufig durch einen Elektromotor (→ Elektrowärmepumpe) oder durch einen Gasmotor oder eine Gasturbine. Je nach Temperaturen der Nutzwärme und der Wärmequelle kann die Leistungszahl einer Kompressionswärmepumpe z. B. zwischen 2,5 und über 5 erzielt werden. Allerdings bezieht sich diese auf die mechanische Antriebsenergie, die oft verlustreich aus Wärme hergestellt wird. Beispielsweise kann ein modernes Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk elektrische Energie mit einem Wirkungsgrad von 60 % erzeugen und eine Wärmepumpe mit Leistungszahl 4 speisen, so dass insgesamt aus 100 % Erdgas (nach Heizwert) 4 · 60 % = 240 % Heizwärme gewonnen wird (unter Vernachlässigung von Energieverlusten im Stromnetz). Wenn ein älteres Kraftwerk mit 40 % Wirkungsgrad und eine schlechtere Wärmepumpe mit Leistungszahl 3 verwendet werden, sind es nur 120 % Heizwärme – deutlich aber nicht mehr dramatisch besser als ein Heizkessel. Wenn eine Kompressionswärmepumpe lokal mit einem Verbrennungsmotor oder einer Gasturbine angetrieben wird, kann die Abwärme des Motors ebenfalls genutzt werden.

Luft/Wasser-Elektrowärmepumpen gibt es einerseits in Form von Kompaktgeräten, wo sich die gesamte Wärmepumpentechnik in einem Gehäuse befindet, und andererseits in Form von Split-Wärmepumpen mit separatem Innen- und Außengerät.

Eine andere Art ist die Absorptionswärmepumpe. Diese benötigt allenfalls einen schwachen mechanischen Antrieb für eine Pumpe, denn sie basiert auf einem sogenannten thermischen Verdichter, der mit Hochtemperaturwärme z. B. aus Erdgas betrieben wird. Je nach Temperaturverhältnissen können z. B. 50 % der eingesetzten Energie zusätzlich der Wärmequelle entzogen werden, so dass insgesamt 150 % als Nutzwärme zur Verfügung stehen. Eine andere Variante ist die Adsorptionswärmepumpe, bei der das Kältemittel vorübergehend an einen porösen Festkörper (z. B. Zeolith) angelagert wird.

In jedem Fall gilt, dass die Wärmeausbeute umso höher wird, je geringer der Temperaturunterschied zwischen Nutzwärme und Umweltwärme ist.

Einige exotischere Typen von Wärmepumpen (z. B. basierend auf Peltier-Elementen oder dem magnetokalorischen Effekt) werden hier nicht beschrieben.

Typische Anwendungen

Einige typische Anwendungen für Wärmepumpen werden im Folgenden kurz beschrieben:

Kältemittel für Wärmepumpen

Die meisten Wärmepumpen sind sogenannte Kompressionswärmepumpen, die ein Kältemittel benötigen. Die heute am meisten eingesetzten Kältemittel sind Fluorkohlenwasserstoffe (FKW und HFKW); diese sind anders als die früher verwendeten Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) nicht ozonschädlich, jedoch immer noch größtenteils stark klimaschädlich. Diese Problematik und die Verwendung umweltschonender natürlicher Kältemittel wird im Artikel über Kompressionswärmepumpen ausführlich beschrieben.

Mit Wärmepumpen nutzbare Wärmequellen

Wärmepumpen können sehr unterschiedliche Quellen von Umweltwärme oder Abwärme nutzen:

Der Artikel über Wärmepumpenheizung enthält mehr Details zu den hierfür häufig genutzten Wärmequellen.

Energiebilanz von Wärmepumpen

Die Energiebilanz einer Kompressionswärmepumpe 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.

Die Jahresarbeitszahl (und nicht die Leistungszahl unter bestimmten Betriebsbedingungen) ist die für die Energieeffizienz in der Praxis entscheidende Größe.

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 Erdwärmesonde oder eines Grundwasser-Wärmeübertragers, 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 Wärmeleistung der Wärmepumpe entweder zu knapp auslegt wird und dann an kalten Tagen häufig ein Elektroheizstab zum Einsatz kommt, oder wenn die Leistung einer nicht modulierenden Wärmepumpe (siehe unten) 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).

Leistungsgeregelte (modulierende) Wärmepumpen erreichen meist besonders hohe Jahresarbeitszahlen, sind also besonders energieeffizient.

Besonders hohe Jahresarbeitszahlen erreichen oft Wärmepumpen, deren Wärmeleistung moduliert werden kann (anstatt sie lediglich mit Taktbetrieb, d. h. durch Ein- und Ausschalten des Verdichters) an den Wärmebedarf anzupassen. Bei Elektrowärmepumpen erfolgt die Leistungsregelung häufig über einen Umrichter (Inverter), weswegen solche Geräte auch als Inverter-Geräte bezeichnet werden.

Die Energiebilanz von Absorptionswärmepumpen und Adsorptionswärmepumpen wird als eine Heizzahl ausgedrückt; dies ist das Verhältnis von erhaltener Nutzwärme zur aufgenommenen Hochtemperaturwärme.

Der Begriff Wirkungsgrad, der sonst sehr häufig für quantitative Angaben zur Energieeffizienz von Geräten verwendet wird, ist bei Wärmepumpen nicht gebräuchlich. Man kann die Leistungszahl (siehe oben) als eine Art von Wirkungsgrad interpretieren, jedoch handelt es sich nicht wie sonst um den Anteil der eingesetzten Energie, der als Nutzenergie gewonnen wird: Die Menge der erzeugte Nutzwärme ist ja größer als die der aufgenommenen Antriebsenergie. Deswegen ist die Verwendung des Begriffs Wirkungsgrad für Wärmepumpen als Gesamtsystem nicht sinnvoll, sondern nur für bestimmte Komponenten davon, beispielsweise einen Elektromotor als Antrieb einer Elektrowärmepumpe oder einen Kompressor.

Exergiebilanz

Die Exergie von Energieträgern wird auch mit Wärmepumpen nicht optimal genutzt – aber allemal besser als mit Heizkesseln.

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. Dies gilt besonders dann, wenn die Wärmepumpe für den Betrieb bei größeren Temperaturdifferenzen optimiert wurde.

Modulierende (leistungsgeregelte) Wärmepumpen für effizienten Teillastbetrieb

Bei den meisten Wärmepumpen, die z. B. für Wärmepumpenheizungen eingesetzt werden, wird die Heizleistung dem jeweiligen Bedarf durch Taktbetrieb angepasst. Dies bedeutet, dass die Wärmepumpe von einem Thermostaten je nach Bedarf ein- und ausgeschaltet wird.

Mit einem drehzahlgeregelten Kompressor (oder mit anderen effizienten Methoden der Anpassung der Leistung) kann die Energieeffizienz im Teillastbetrieb erheblich erhöht werden – mit entsprechend guten Auswirkungen auf die Jahresarbeitszahl.

Eine wesentlich höhere Energieeffizienz im Teillastbetrieb ist möglich, wenn eine Wärmepumpe leistungsgeregelt wird, d. h. wenn ihre Leistung im Betrieb stufenlos oder auch in einigen Stufen variiert werden kann. Technisch ist dies möglich entweder durch eine variable Drehzahl des Antriebs (realisierbar mit Invertertechnologie) oder durch Manipulationen am Kompressor (und zusätzlich am Expansionsventil). Wenn eine solche modulierende Wärmepumpe z. B. mit halber Leistung läuft, ist dies meist wesentlich effizienter, als wenn sie für die Hälfte der Zeit mit voller Leistung arbeitet. Dies liegt vor allem daran, dass bei reduzierter Leistung die Temperaturgradienten im Verdampfer und Kondensator geringer sind, so dass die Wärmepumpe gegen einen geringeren Temperaturunterschied arbeiten muss. Ebenfalls sind die Strömungsverluste durch Reibung in den Leitungen geringer.

Man beachte, dass der Teillastbetrieb bei einer Heizungsanlage nicht die Ausnahme ist, sondern vielmehr die Regel: Annähernd die volle Heizleistung wird nur an wenigen Tagen im Jahr benötigt, und meistens ist es wesentlich weniger. Deswegen ist eine hohe Effizienz im Teillastbetrieb sehr wichtig. Hinzu kommt, dass beim Heizungsbetrieb an relativ milden Tagen die Heizleistung der Wärmepumpe höher ausfällt und gerade deswegen die genannten Temperaturgradienten ungünstig hoch ausfallen.

Beim Vergleich der Leistungszahlen verschiedener Wärmepumpen, die normalerweise bei Volllast ermittelt werden, können die energetischen Vorteile leistungsgeregelter Wärmepumpen leicht übersehen werden.

Die Auslegung der maximalen Leistung einer Wärmepumpe wird auch wesentlich weniger kritisch, wenn eine modulierende Wärmepumpe eingesetzt wird: Eine gewisse Überdimensionierung wirkt sich weniger schädlich aus.

Der Artikel über Elektrowärmepumpen enthält weitere Details zu modulierenden Wärmepumpen. Bei Wärmepumpen, die über einen Verbrennungsmotor angetrieben werden, ist die Leistungsregelung über die Drehzahl einfach zu realisieren, und dies sollte unbedingt erfolgen.

Eingesetzte Primärenergie

Außer den Mengen an benötigter Primärenergie ist auch deren Art relevant. Für die am meisten verbreiteten Elektrowärmepumpen kommen zu einem guten Teil fossile Energieträger zum Einsatz, zum Teil aber auch erneuerbare Energie. (Der Artikel über Elektrowärmepumpen erklärt auch, warum der Strommix des Landes hierfür nicht die maßgeblichen Daten liefert.) Bei Wärmepumpen mit Gasmotor kommt die Primärenergie meist aus Erdgas, eventuell aber auch aus Biogas als erneuerbare Energie.

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. 40 % gewonnen wird und nach Abzug von Verlusten im Leitungsnetz nur z. B. 38 % der Energie bei der Wärmepumpe ankommen. Dann wird ein Wärmepumpensystem mit einer Leistungszahl von 3 zu einem Gesamtwirkungsgrad (Nutzwärme dividiert durch Primärenergie) von 114 % 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:

Elektrowärmepumpen bieten zukünftig mehr Optionen für eine noch umweltfreundlichere Wärmeerzeugung.

Literatur

[1]Ratgeber Wärmepumpenheizung: So finden Sie die richtige Variante!

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Kompressionswärmepumpe, Luft/Wasser-Wärmepumpe, Luft/Luft-Wärmepumpe, Sole/Wasser-Wärmepumpe, Wasser/Wasser-Wärmepumpe, Split-Wärmepumpe, Abluftwärmepumpe, Absorptionswärmepumpe, Adsorptionswärmepumpe, Gas-Wärmepumpe, Hybridwärmepumpe, Kältemittel, Wärmepumpenheizung, Brauchwasserwärmepumpe, Elektrowärmepumpe, Wärme, Exergie, Leistungszahl, Heizzahl, Jahresarbeitszahl, Energieeffizienz, Eisspeicher, Anergienetz, Kälte, Solar-Wärmepumpen-System, Peltier-Element
sowie andere Artikel in den Kategorien Haustechnik, Wärme und Kälte

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