Wärmepumpen sind technische Heizeinrichtungen, die die
Wärmeenergie aus der Umwelt nutzen, um Heizwärme zu erzeugen. Die
der Umwelt entnommene Energie wird in der Regel durch Kompression
auf ein höheres Temperaturniveau gebracht, das zur Beheizung
genutzt werden kann. Wärmepumpen arbeiten dabei sehr effizient und
können deshalb ein Vielfaches der für die Kompression aufgewendeten
Energie als Nutzwärme (Vorlauftemperatur) abgeben. Als natürliche
Wärmquelle nutzen sie im Regelfall die in der Umwelt kostenlos
verfügbare Wärmeenergie aus Erdreich, Wasser oder Luft. Auch
Prozessenergie aus Abluft oder sogar Abwasser sind möglich, ebenso
die gespeicherte Energie aus Eisspeichern.
Wärmequelle Luft: Ein Wärmetauscher entzieht der Luft Energie. Die Wärmepumpe wandelt diese Energie in nutzbare Wärme um
Bild: Stiebel Eltron, Holzminden
02|08
Wärmequelle Grundwasser: Über einen Saugbrunnen wird Grundwasser zu einem Wärmetauscher befördert. Die Wärmepumpe nimmt die Energie auf und macht sie nutzbar
Bild: Stiebel Eltron, Holzminden
03|08
Wärmequelle Erde: Über obenflächennahe Geothermie wird mit einer Wärmeträgerflüssigkeit Erdwärme zur Wärmepumpe transportiert
Bild: Stiebel Eltron, Holzminden
04|08
Beispiel einer Luft/Wasser-Wärmepumpe (WPL 10 AC)
Bild: Stiebel Eltron, Holzminden
05|08
Beispiel einer Sole/Wasser-Wärmepumpe (WPF E)
Bild: Stiebel Eltron, Holzminden
06|08
Wärmepumpen-Set (WPF 20-32)
Bild: Stiebel Eltron, Holzminden
07|08
Drei große Sole/Wasser-Wärmepumpen in der Klimaschutzsiedlung „Wohnen am Ballenlager“ in Greven
Bild: Stiebel Eltron, Holzminden
08|08
Funktionsweise
Wärmepumpen heizen thermodynamisch, d.h. vollkommen ohne
Verbrennung oder Flamme. Dabei ist das physikalische
Funktionsprinzip identisch mit dem eines herkömmlichen
Kühlschrankes – der Unterschied besteht im Wesentlichen nur im
Heizen respektive Kühlen.
Bei der Wärmepumpe nimmt ein zirkulierendes Kältemittel
mit Hilfe eines Kreisprozesses (Carnot-Prozess) Wärme aus der
Umgebung auf und gibt es an das zu erwärmende Wasser ab. Dabei
läuft der Vorgang wie folgt ab: Das flüssige Kältemittel wird
zuerst zum Wärmetauscher, dem sogenannten Verdampfer, geführt. Dort
nimmt es die Wärme der Umgebung auf, ändert dabei seinen
Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig und verdampft. Das nun
gasförmige Kältemittel wird von dem Verdichter angesaugt und
zusammengepresst. Dabei erhöht sich der Druck und die Temperatur
steigt. Ein zweiter Wärmetauscher, der als Verflüssiger
funktioniert, sorgt dafür, dass diese Wärme in das Heizsystem
gelangt. Durch den Vorgang der Wärmeabgabe kondensiert das
Kältemittel gleichzeitig und ändert folglich erneut seinen
Aggregatzustand – es wird wieder flüssig. Anschließend wird der
Druck im Expansionsventil abgebaut und der Kreislauf kann erneut
beginnen (siehe Abb. 1)
Betrieben werden Wärmepumpen mit Strom, der idealerweise aus
erneuerbaren Energiequellen (Photovoltaik) stammen sollte.
Neben diesem heute verbreitetsten Wärmepumpentyp, der
Kompressionswärmepumpe, gibt es außerdem Absorptions- sowie
Adsorptionswärmepumpen. Die Wärmeübertragung beruht hier jedoch auf
einem physikalisch-chemischen Prozess in einem
Lösungsmittelkreislauf, wobei die notwendige Energiezufuhr durch
eine fossile Wärmequelle (meist Gas) erfolgt. Beide
Wärmepumpenarten basieren auf dem Prinzip der Sorption, bei der das
Sorptionsmittel das gasförmige Kältemittel aufsaugt, ohne dass eine
Antriebsenergie nötig ist. Dabei entsteht Wärme, die dann für das
Heizungssystem genutzt werden kann.
Arten
Abhängig von der Quelle (Erdreich = Sole, Grundwasser = Wasser,
Umgebungsluft = Luft) aus der die notwendige Wärme entnommen wird
und dem Heizmedium (Träger) an das sie abgegeben wird,
unterscheidet man folgende Arten von Wärmepumpen:
Näheres zu den einzelnen Arten von Wärmepumpen siehe Fachwissen zum
Thema.
Wärmequellen Außenluft steht überall problemlos
zur Verfügung. Sie ist die am häufigsten genutzte Wärmequelle, denn
die Luft lässt sich mit nur geringem technischen Aufwand ansaugen
und wieder ausblasen. Die Außenluft unterliegt allerdings starken
saisonalen Schwankungen, was sich auf den Wirkungsgrad der Wärmepumpe auswirkt. Moderne
Wärmepumpen jedoch können Wärmeenergien aus der Außenluft bis
deutlich unter 0 °C nutzen.
Wärmequelle Luft: Ein Wärmetauscher entzieht der Luft Energie. Die Wärmepumpe wandelt diese Energie in nutzbare Wärme um
Bild: Stiebel Eltron, Holzminden
02|08
Wärmequelle Grundwasser: Über einen Saugbrunnen wird Grundwasser zu einem Wärmetauscher befördert. Die Wärmepumpe nimmt die Energie auf und macht sie nutzbar
Bild: Stiebel Eltron, Holzminden
03|08
Wärmequelle Erde: Über obenflächennahe Geothermie wird mit einer Wärmeträgerflüssigkeit Erdwärme zur Wärmepumpe transportiert
Bild: Stiebel Eltron, Holzminden
04|08
Beispiel einer Luft/Wasser-Wärmepumpe (WPL 10 AC)
Bild: Stiebel Eltron, Holzminden
05|08
Beispiel einer Sole/Wasser-Wärmepumpe (WPF E)
Bild: Stiebel Eltron, Holzminden
06|08
Wärmepumpen-Set (WPF 20-32)
Bild: Stiebel Eltron, Holzminden
07|08
Drei große Sole/Wasser-Wärmepumpen in der Klimaschutzsiedlung „Wohnen am Ballenlager“ in Greven
Bild: Stiebel Eltron, Holzminden
08|08
Grundwasser bietet ganzjährig ein gleichmäßiges
Temperaturniveau zwischen 8 und 12 °C. Somit haben mit Grundwasser
versorgte Wärmepumpen eine günstige Jahresarbeitszahl. Es erfordert
jedoch höhere Investitionskosten, da ein Brunnen ins Erdreich
gebohrt werden muss. Außerdem sind Tiefenbohrungen nicht in allen
Regionen erlaubt, wodurch das Grundwasser als Wärmequelle nicht
überall einsatzfähig ist.
Wärmequelle Luft: Ein Wärmetauscher entzieht der Luft Energie. Die Wärmepumpe wandelt diese Energie in nutzbare Wärme um
Bild: Stiebel Eltron, Holzminden
02|08
Wärmequelle Grundwasser: Über einen Saugbrunnen wird Grundwasser zu einem Wärmetauscher befördert. Die Wärmepumpe nimmt die Energie auf und macht sie nutzbar
Bild: Stiebel Eltron, Holzminden
03|08
Wärmequelle Erde: Über obenflächennahe Geothermie wird mit einer Wärmeträgerflüssigkeit Erdwärme zur Wärmepumpe transportiert
Bild: Stiebel Eltron, Holzminden
04|08
Beispiel einer Luft/Wasser-Wärmepumpe (WPL 10 AC)
Bild: Stiebel Eltron, Holzminden
05|08
Beispiel einer Sole/Wasser-Wärmepumpe (WPF E)
Bild: Stiebel Eltron, Holzminden
06|08
Wärmepumpen-Set (WPF 20-32)
Bild: Stiebel Eltron, Holzminden
07|08
Drei große Sole/Wasser-Wärmepumpen in der Klimaschutzsiedlung „Wohnen am Ballenlager“ in Greven
Bild: Stiebel Eltron, Holzminden
08|08
Erdreich kommt wegen der mitunter umfangreichen
Erdarbeiten meist nur bei Neubauten infrage. Erdkollektoren
benötigen ausreichend Platz (120 - 400 m²) und müssen zumindest
unterhalb der Frostgrenze verlegt werden. Erdsonden, die senkrecht
oder schräg in das Erdreich eingebracht werden (Tiefenbohrungen bis
100 m) kommen mit deutlich weniger Platz aus. Eine wichtige Rolle
spielen Bodenbeschaffenheit und der Feuchtegehalt. Das
Temperaturniveau ist in entsprechender Tiefe recht gleichmäßig.
Durch die Leitungen fließt kein Kältemittel, sondern eine
frostsichere Flüssigkeit, die Sole.
Wärmequelle Luft: Ein Wärmetauscher entzieht der Luft Energie. Die Wärmepumpe wandelt diese Energie in nutzbare Wärme um
Bild: Stiebel Eltron, Holzminden
02|08
Wärmequelle Grundwasser: Über einen Saugbrunnen wird Grundwasser zu einem Wärmetauscher befördert. Die Wärmepumpe nimmt die Energie auf und macht sie nutzbar
Bild: Stiebel Eltron, Holzminden
03|08
Wärmequelle Erde: Über obenflächennahe Geothermie wird mit einer Wärmeträgerflüssigkeit Erdwärme zur Wärmepumpe transportiert
Bild: Stiebel Eltron, Holzminden
04|08
Beispiel einer Luft/Wasser-Wärmepumpe (WPL 10 AC)
Bild: Stiebel Eltron, Holzminden
05|08
Beispiel einer Sole/Wasser-Wärmepumpe (WPF E)
Bild: Stiebel Eltron, Holzminden
06|08
Wärmepumpen-Set (WPF 20-32)
Bild: Stiebel Eltron, Holzminden
07|08
Drei große Sole/Wasser-Wärmepumpen in der Klimaschutzsiedlung „Wohnen am Ballenlager“ in Greven
Bild: Stiebel Eltron, Holzminden
08|08
Prozessabwärme aus industriellen Anlagen, z.B.
Kühlwasser von Kraftwerken, Abwärme von Kühl- und Klimaanlagen,
Abluft aus Wohnungen, Hallenbädern, Ställen und dergleichen hat den
Vorteil eines meist relativ hohen Temperaturniveaus. Somit muss nur
noch wenig Energie aufgewendet werden, um die Wärmeenergie auf ein
für die Heizung nutzbares Niveau zu bringen.
Eisspeicher bieten die Möglichkeit, Wärmeenergie
längerfristig zu speichern. In Kombination mit einer reversiblen
Wärmepumpe funktioniert ein Eisspeicher besonders effektiv, denn er
speichert die jeweilige Abwärmeenergie (Wärme oder Kälte) im Sommer
bzw. Winter, die dann ein halbes Jahr später für die Kühlung bzw.
Heizung genutzt werden kann.
Betriebsweise
Bei Wärmepumpen wird darüber hinaus zwischen der monovalenten
und der bivalenten Betriebsweise unterschieden. Bei der
monovalenten übernimmt die Wärmepumpe ganzjährig und bei jeder
Außentemperatur den vollen Wärmebedarf (für Heizung und
Warmwasser). Bei der bivalenten Betriebsweise wiederum wird der
anfallende Wärmebedarf nur bis zu einer bestimmten Außentemperatur
gedeckt. Die Spitzenlasten übernimmt dann ein anderer
Wärmeerzeuger, etwa ein Gas-Brennwertkessel oder ein
Brennstoffzellengerät. Die bivalente Auslegung eines Heizsystems
kann wirtschaftlich Vorteile bieten, da die Wärmepumpenleistung
gegenüber einer monovalenten Auslegung kleiner ausfallen kann,
wodurch sich die Gesamtkosten mitunter verringern lassen.
Vorteile
Wärmepumpen nutzen zu einem großen Teil kostenlose Umweltwärme
und reduzieren somit die Betriebskosten. Sie können zusätzlich mit
einer solarthermischen Anlage zur Erhöhung der Quellentemperatur
kombiniert und/oder mit einer Photovoltaikanlage zur Stromerzeugung
kombiniert werden. Wärmepumpen tragen zur Unabhängigkeit von
fossilen Energieträgern bei und sich ein wichtiger Baustein beim
Klimaschutz, da sie keine direkten CO2-Emissionen
verursachen.
Fachwissen zum Thema
Solarthermieanlage mit Röhrenkollektoren
Bild: Bundesverband der Deutschen Heizungsindustrie (BDH), Köln
Erneuerbare Energien
Erneuerbare Energien in der Gebäudetechnik
Die Ressourcen an fossilen Energieträgern gehen absehbar dem Ende zu. Es gibt jedoch eine Reihe von Technologien, die erneuerbare Energien in Gebäuden zur Stromerzeugung, Heizung, Trinkwassererwärmung und Kühlung einsetzen.
Luft/Wasser-Wärmepumpe
Bild: Stiebel Eltron, Holzminden
Heizung
Wärmeerzeugung
Welche Möglichkeiten stehen für die Erzeugung von Wärmeenergie für Heizung und Warmwasser zur Verfügung? Von Heizkesseln und KWK über Wärmepumpen bis Solarthermie
Dezentrale Lüftungsgeräte sorgen für den nötigen, kontinuierlichen Luftaustausch mit Wärmerückgewinnung.
Bild: Buderus, Wetzlar
Lüftung
Wärmerückgewinnung in Lüftungsanlagen
Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung nutzen die Abwärme der verbrauchten Luft und erwärmen damit die frische Zuluft.
Bauwerke zum Thema
Die Elbarkaden erstrecken sich mit einer Länge von 170 Metern entlang des ehemaligen Mageburger Hafens in Hamburg
Bild: Hagen Stier, Hamburg
Wohnen
Elbarkaden am Magdeburger Hafen in Hamburg
Die Hamburger Hafencity zwischen der historischen Speicherstadt im Norden und der Elbe im Süden ist das flächengrößte...
Der zweigeschossige Baukörper beherbergt Wohn-, aber auch Arbeitsräume (Südansicht)
Bild: Markus Pietrek für Stiebel-Eltron, Holzminden
Wohnen
Haus Meyer in Groß Munzel
Zwischen dem Steinhuder Meer und Hannover liegt inmitten des Calenberger Landes das kleine Örtchen Groß Munzel. Heterogene...
Die vier Mehrfamilienhäuser im Passivhausstandard sind über einer gemeinsamen Tiefgarage lose um eine Grünfläche herum gruppiert
Bild: Stiebel Eltron, Holzminden
Wohnen
Klimaschutzsiedlung „Wohnen am Ballenlager“ in Greven
Mit dem 2009 begonnenen Projekt „100 Klimaschutzsiedlungen in NRW“ will die nordrhein-westfälische Landesregierung einen eigenen...
Die Außenbereiche sind als Terrassen, kleine Gärten oder Spielplätze ausgebildet
Bild: KMP Architekten, Wettingen/CH
Wohnen
Terrassenhaussiedlung Lohrain in Nussbaumen
In einem ruhigen Wohnquartier im schweizerischen Nussbaumen entstand zwischen 2006 und 2007 die Terrassenhaussiedlung Lohrain. Auf...
Bild: Bundesverband der Deutschen Heizungsindustrie (BDH), Köln
Die Ressourcen an fossilen Energieträgern gehen absehbar dem Ende zu. Es gibt jedoch eine Reihe von Technologien, die erneuerbare Energien in Gebäuden zur Stromerzeugung, Heizung, Trinkwassererwärmung und Kühlung einsetzen.
Biomasse
Zur Biomasse gehören u.a. Nebenprodukte tierischer Herkunft aus der Landwirtschaft.
Bild: Baunetz (yk), Berlin
Zu den erneuerbaren Energien zählt auch die Biomasse, also durch Pflanzen oder Tiere angefallene bzw. erzeugte organische Substanzen. Aus diesen lassen sich feste, flüssige oder gasförmige Energieträger erzeugen.
Geothermie
Funktionsprinzip einer oberflächennahen Geothermie
Bild: Agentur für Erneuerbare Energien, Berlin
Die in und unterhalb der Erdkruste vorhandene Wärmeenergie (Erdwärme) kann als Geothermie zur Heizung und Warmwasserbereitung genutzt werden.
Hybridsysteme
In Hybridsystemen werden verschiedene Energieerzeuger (etwa Photovoltaik und Wärmepumpe) zu einem System verbunden.
Bild: Stiebel Eltron, Holzminden
Hybridsysteme kombinieren verschiedene Energiequellen miteinander. Dabei können sowohl fossile und regenerative Energieträger als auch ausschließlich verschiedene erneuerbare zusammenkommen.
Klein-Windkraftanlagen
In windstarken Regionen können Klein-Windkraftanlagen zur dezentralen Stromerzeugung eingesetzt werden.
Bild: Patrick Jüttemann / www.klein-windkraftanlagen.com
Auch kleine Anlagen am Gebäude oder in Gebäudenähe können zur regenerativen Strom- oder auch Warmwassererzeugung beitragen, abhängig von der Region und dem dort vorherrschenden durchschnittlichen Windaufkommen.
Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)
KWK-Anlagen gewinnen aus Brennstoffen gleichzeitig Wärme und Strom. Welcher Brennstoff dabei verwendet wird, ist zunächst zweitrangig.
Bild: Umweltbundesamt, Dessau-Roßlau
Unter KWK versteht man die gleichzeitige Gewinnung elektrischer sowie thermischer Energie in derselben Anlage in einem thermodynamischen Prozess. Die gleichzeitige Strom- und Wärmeproduktion ermöglicht eine hohe Primärenergie-Einsparung.
Photovoltaik
Bei der Errichtung von neuen PV-Anlagen auf Dächern oder an Fassaden ist zunächst keine Genehmigung erforderlich.
Bild: Kati Türschmann, Hamburg
Strom ist das wichtigste Energiemedium der Zukunft. Im Sinne einer dezentralen und regenerativen Energieerzeugung kommt Photovoltaikanlagen deshalb eine besondere Bedeutung zu.
Power-to-X-Technologien
Im Power-to-Gas-Verfahren wird regenerativ erzeugte elektrische Energie in ein leichter speicherbares Brenngas – also in chemische Energie – umgewandelt
Bild: Bine Informationsdienst, Eggenstein-Leopoldshafen
Power-to-X-Technologien leisten einen wichtigen Beitrag, um die Energie sektorenübergreifend und zeitlich unabhängig von Erzeugung und Nutzung zu organisieren.
Sektorkopplung
Im Rahmen der Sektorkopplung wird überschüssiger Ökostrom nicht mehr abgeregelt, sondern zur Erzeugung von Wärme und Antriebsenergie genutzt.
Bild: EnBW Energie Baden-Württemberg, Karlsruhe
Eng verzahnt zum Ziel: mit Ökostrom die Dekarbonisierung im Wärme- und Verkehrssektor voranbringen
Solarthermie
Röhrenkollektor für die Warmwassererzeugung
Bild: Yvonne Kavermann, Berlin
Welche Arten von Solarthermie gibt es und wie effizient ist eine solche Anlage?