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Wärmepumpe

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. Das wäre technisch einfacher. 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 wesentlich größere Menge von Niedertemperaturwärme, die größtenteils 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 in manchen Anlagen auch 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 5 liegen, manchmal sogar in der Gegend von 10. Allerdings bezieht sich diese Zahl auf die mechanische Antriebsenergie, die oft verlustreich aus Wärme hergestellt wird (in einem Wärmekraftwerk). 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.

Im Artikel über Kompressionswärmepumpe finden Sie weitere technische Details zu dieser gebräuchlichen Bauart.

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:

• 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 (z. B. Außenluft) 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 (Warmwasserwärmepumpen). Die Energieeffizienz ist bei der Warmwasserbereitung häufig geringer als beim Heizen, aber immerhin noch weitaus höher als bei elektrischer Warmwasserbereitung in einem Elektroboiler.
• Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Wärmepumpen mit Solarthermie zu kombinieren; hierüber gibt der Artikel über Solar-Wärmepumpen-Systeme Auskunft.
• 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.
• Man beachte, dass der industrielle Wärmebedarf sehr groß ist – weit größer als z. B. der für Fernwärme –, und dass hier leider oft relativ hohe Temperaturen benötigt werden, was die möglichen Leistungszahlen begrenzt. Es wurden aber längst Typen von Wärmepumpen entwickelt, die hier bereits relativ effizient arbeiten. Für die Abkehr von fossilen Energieträgern ist diese Entwicklung sehr wichtig.

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:

• Für Heizungswärmepumpen werden häufig Erdwärmesonden eingesetzt, die z. B. 100 oder 200 Meter 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 mit einer Wasser/Wasser-Wärmepumpe genutzt werden. Das Grundwasser wird in einem Brunnen gewonnen, in einem Wärmeübertrager abgekühlt und dann wieder versickert. In anderen Fällen kommt Wasser aus einem Bach, Fluss oder See zum Einsatz.
• Luft/Wasser-Wärmepumpen und Luft/Luft-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. Anders ist es bei Verwendung warmer Abluft z. B. von einer Lüftungsanlage.
• 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.
• Warmwasserwärmepumpen nutzen manchmal die Abluft einer Lüftungsanlage oder auch überschüssige Wärme in einem Kellerraum.
• Manchmal werden Wärmepumpen eingesetzt, um Wärme aus erneuerbarer Energie (z. B. aus Sonnenkollektoren) leichter gewinnbar und auch speicherbar zu machen (z. B. über einen Eisspeicher) (→ Solar-Wärmepumpen-Systeme).

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 4, dass 4 kWh Nutzwärme aus 1 kWh Antriebsenergie und 3 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.

Manche Wärmepumpen sind auch besonders auf günstige Betriebsbedingungen mit geringem Temperaturhub optimiert (als Niederhub-Wärmepumpen) und können Leistungszahlen in der Größenordnung von 10 erreichen – etwa für eine Niedertemperaturheizung in Verbindung mit einer Erdwärmesonde, die sehr tief reicht und im Sommer gut regeneriert wird.

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).

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.

Der Artikel über den Begriff Leistungszahl enthält weitere Details.

Exergiebilanz

Eine Leistungszahl von z. B. 4 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.

Entropie

Die folgenden Punkte sind mit Blick auf die Entropie zu betrachten:

• Die Abgabe von Wärme z. B. an ein Heizungssystem ist mit der Vermehrung von Entropie and dieser Stelle verbunden; die zugeführte Entropiemenge ist die Wärmemenge dividiert durch die absolute Temperatur: <$\Delta S = Q / T$>.
• Gleichzeitig wird der verwendeten Wärmequelle Wärme entzogen und damit ihre Entropie vermindert. Hier ist die Entropieänderung pro entzogenem Joule betragsmäßig größer, weil die Temperatur der Wärmequelle niedriger ist, der Nenner in obigem Bruch also kleiner ist. Andererseits ist auch die entzogene Wärmemenge geringer um die Energiemenge, die der Antrieb beiträgt.
• Die Zufuhr von Antriebsenergie ist entropiefrei.

Eine ideal effiziente Wärmepumpe würde insgesamt die Entropie unverändert lassen, d. h. der Wärmequelle gerade so viel Entropie entziehen, wie sie über die Nutzwärme abgibt. In diesem Fall würde auch die Exergie der gewonnenen Nutzwärme der über den Antrieb zugeführten Exergie entsprechen. Dies gelingt in der Praxis wegen diverser Ineffizienzen leider nicht.

Modulierende (leistungsgeregelte) Wärmepumpen für effizienten Teillastbetrieb

Bei vielen einfacheren 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.

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. Man sollte deswegen Jahresarbeitszahlen betrachten (SCOP-Werte), die den Teillastbetrieb berücksichtigen.

Die Auslegung der maximalen Leistung einer Wärmepumpe wird deutlich weniger kritisch, wenn eine modulierende Wärmepumpe eingesetzt wird: Eine gewisse Überdimensionierung wirkt sich dann 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.

Zweistufige Wärmepumpen

Wenn der nötige Temperaturhub für eine Wärmepumpe zu hoch ist – beispielsweise für eine Luft/Wasser-Wärmepumpe, die eine hohe Vorlauftemperatur von 60 °C oder mehr liefern soll –, kann man quasi zwei wärmemäßig in Serie geschaltete Wärmepumpen verwenden; dies wird auch als eine zweistufige Wärmepumpe bezeichnet. Eine erste Wärmepumpe erzeugt hier Wärme auf einem mittleren Temperaturniveau, die die zweite Wärmepumpe als Wärmequelle nutzt.

Mit diesem Ansatz kann man zwar tatsächlich einen großen Temperaturhub erzielen, aber natürlich hat man dafür auch den Stromverbrauch zweier Wärmepumpen. Die Leistungszahl (COP) dieser Kombination wird deswegen entsprechend gering ausfallen.

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:

• 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. Die Betreiber von Wärmepumpen können Einfluss hierauf nehmen, indem Sie Ökostrom einsetzen; damit lässt sich die Ökobilanz einer Wärmepumpenheizung massiv verbessern.

• Generell ergeben sich mit Elektrowärmepumpen 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.
• Wärmepumpen ermöglichen in vielen Fällen die Nutzbarmachung von Abwärme. Allerdings ist die Nutzung von Abwärme über einen einfachen Wärmeübertrager 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 Wärmeübertrager 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. Oft ist eine Wärmedämmung auch eine nötige Voraussetzung, um über eine niedrigere Vorlauftemperatur überhaupt gute Leistungszahlen einer Wärmepumpe zu erzielen.

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, Warmwasserwärmepumpe, Elektrowärmepumpe, Wärme, Exergie, Leistungszahl, Heizzahl, Jahresarbeitszahl, Energieeffizienz, Eisspeicher, Anergienetz, Kälte, Solar-Wärmepumpen-System, Peltier-Element