Wärmepumpen: Wärmequellen und Arten

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.

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Nutzbare Wärmequellen sind:

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Arten von Wärmepumpen

Abhängig von der Quelle als Ausgangsmedium, aus der die notwendige Wärme entnommen wird, und dem Heizmedium (Träger), an das sie abgegeben wird, unterscheidet man folgende Arten von Wärmepumpen:

  • Luft/Wasser-Wärmepumpe
  • Luft/Luft-Wärmepumpe
  • Wasser/Wasser-Wärmepumpe
  • Wasser/Luft-Wärmepumpe
  • Sole/Wasser-Wärmepumpe
  • Sole/Luft-Wärmepumpe
Effizienz und Wirkungsgrad
Als Angabe des Wirkungsgrads von Wärmepumpensystemen haben sich zwei Kennzahlen durchgesetzt: Der Coefficient of Performance (COP), genannt auch Leistungszahl, und die Jahresarbeitszahl (JAZ).
  • Coefficient of Performance (COP)
    beschreibt die Qualität der internen Prozesse in der Wärmepumpe selbst. Für jedes Wertepaar aus Temperatur der Wärmequelle und gewünschter bzw. eingestellter Vorlauftemperatur ergibt sich eine Verhältniszahl für Stromaufwand und Wärmegewinn (z.B. A7/W35). Die Ermittlung dieses Werts findet messtechnisch unter genormten Bedingungen (DIN EN 14511: Luftkonditionierer, Flüssigkeitskühlsätze und Wärmepumpen für die Raumbeheizung und -kühlung und Prozess-Kühler mit elektrisch angetriebenen Verdichtern) statt.
  • Jahresarbeitszahl (JAZ)
    beschreibt ebenfalls das Verhältnis von Stromaufwand und Wärmeertrag, bezieht sich jedoch auf den Mittelwert des Wirkungsgrades der Wärmepumpe über ein Betriebsjahr. Die sich ändernden und reellen Betriebsbedingungen sind dabei berücksichtigt. Deshalb gibt die JAZ an, welcher Wirkungsgrad in einem individuellen Heizsystem erreicht wird. Die JAZ wird mittels eines genormten Verfahrens (VDI 4650: Berechnung der Jahresarbeitszahl von Wärmepumpenanlagen) bestimmt.
Vorteile von Wärmpumpen
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. Außerdem können sie je nach Bedarf ein- oder ausgeschaltet werden, wodurch sich Stromquellen aus erneuerbaren Energien besonders effizient nutzen lassen.

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