Wie Wärmepumpen wirken

Es ist nicht ganz so einfach die Wirkungsweise einer Wärmepumpe mit einem Satz zu beschreiben. Immerhin kann eine Wärmepumpe trotz ihres Namens sowohl Heizen als auch Kühlen, aber das hatte ich ja bereits erwähnt. Grundsätzlich lässt sich sagen, dass eine Wärmepumpe das Energieniveau eines Wärmereservoirs, das sowohl kalt auch als warm sein kann, um den Faktor 3 bis 4 im Vergleich zur aufgewendeten Energiemenge erhöhen bzw. senken kann. Ob eine Wärmepumpe nun kühlt oder heizt, hängt dabei nur davon ab, in welcher Richtung das Kältemittel sich bewegt… naja, jedenfalls einfach ausgedrückt.

Wärmepumpen funktionieren nach mechanischen oder physikalischen bzw. chemischen Prinzipien. Die wohl gebräuchlichste Form der Wärmepumpe ist die Kompressionswärmepumpe, wie sie auch in den allermeisten Kühlgeräten eingesetzt wird. Hier wird das Kältemittel (um einmal bei diesem Term zu bleiben) in einem geschlossenen Kreislauf durch eine Pumpe verdichtet. Danach verflüssigt es sich durch Wärmeabgabe über einen Wärmetauscher an ein kälteres Medium (zum Beispiel das Heizungswasser) und wird entspannt bis es vor dem Neubeginn des Kreislaufs verdampft – so die Reihenfolge, wenn man heizen möchte. Das Kältemittel ist hier eine schon bei niedriger Temperatur siedende Flüssigkeit, zumeist synthetischer Art mit relativ hohem Ozonschädigungspotential.

Die anderen beiden gebräuchlichen Arten von Wärmepumpen sind vornehmlich in größeren Anlagen, wie zum Beispiel in der industriellen Nutzung, zu finden: die Absorptions-Kältemaschine und die Adsorptions-Kältemaschine. Eine Absorptions-Kältemaschine nutzt die Reaktionswärme einer Mischung aus zwei Flüssigkeiten (Kältemittel und Lösungsmittel), die unter geringen Temperaturen vermischt werden und bei denen das Kältemittel bei höheren Temperaturen wieder vom Lösungsmittel desorbiert wird. Bei Adsorptions-Kältemaschinen wird das Kältemittel adsorbtiv an einen Feststoff (feinporöser Stoff wie Aktivkohle oder Zeolith) gebunden, verflüssigt und gibt dabei Energie ab. Aufgrund der geringen Beweglichkeit des Feststoffes kann dieser Prozess allerdings nicht kontinuierlich verlaufen.

Mögliche natürliche Wärmequellen sind die Umgebungsluft, das Erdreich oder das Grundwasser. Bei den letzteren beiden Quellen bietet sich auch die Möglichkeit der Kühlung durch die Wärmepumpe an. Darüber hinaus können auch künstliche Wärmequellen wie industriell produzierte Abwärme eine Wärmepumpe speisen. Als Kriterien für die Auswahl von Wärmequellen für Wärmepumpen sollten folgende Gesichtspunkte berücksichtigt werden:

Verwirrend wird es auch wieder, wenn es darum geht, die Effizienz einer Wärmepumpe zu beschreiben. Es werden hierfür sehr viele Begriffe nahezu gleichwertig verwendet, obwohl sie unterschiedliche Größen beschreiben: Wirkungsgrad, Leistungszahl, COP, Jahresarbeitszahl…

Der Wirkungsgrad η (eta) ist als allgemeine Beschreibung der Effektivität eines technischen Vorgangs das dimensionslose Verhältnis von abgegebener Nutzleistung zur zugeführten Arbeitsleistung. Da solche Vorgänge immer mit Verlusten behaftet sind, ist η entsprechend immer kleiner als 1. Eine rühmliche Ausnahme sind hier Brennwertkessel.

Nun ist es bei Wärmepumpen ja so, dass ein Großteil der abgegebenen Energie als Umweltenergie gratis zur Verfügung gestellt wird. Um dies zu berücksichtigen wurde die Leistungszahl ε (epsilon) – neudeutsch auch Coefficient of Performance (COP) – eingeführt, die auch diesen Umweltanteil berücksichtigt und somit Werte größer 1 erreichen kann. Die Leistungszahl ist jedoch immer ein Momentanwert, der unter Normbedingungen auf einem Prüfstand ermittelt wird. Die Leistungszahl erlaubt daher keine energetische Bewertung der Gesamtanlage, bei der die Randbedingungen von den Testbedingungen sicherlich abweichen. Eine Leistungszahl von 6 heißt also noch lange nicht, dass man im Durchschnitt 6 mal so viel Energie mit einer Wärmepumpe bereit stellen kann, wie eingesetzt wird.

Die Jahresarbeitszahl β (beta, JAZ) hingegen beschreibt die tatsächliche Leistungsfähigkeit einer Wärmepumpe im Betrieb, da sie – wie der Name schon vermuten lässt – über Jahr hinweg und unter realen Bedingungen messtechisch ermittelt wird. Ökonomisch und ökologisch sinnvoll wird eine Wärmepumpe mit zugehöriger Anlage ab einer Jahresarbeitszahl von knapp 3, da erst dann der Primärenergiefaktor von Strom und etwaige Anlagenverluste ausgeglichen werden. Wird der Einsatz einer Wärmepumpe richtig geplant, können heute Jahresarbeitszahlen von 4 und mehr erzielt werden.

Entscheidend für die Effizienz einer Wärmepumpe ist aber u.a. die Temperaturdifferenz zwischen Verdampfer- und Verflüssigerseite. Je geringer diese ist, um so bessere Leistungszahlen werden ermöglicht. Von Vorteil für Wärmepumpenheizungen sind also Wärmequellen, die im Winter über möglichst hohe Temperaturen verfügen, und Heizungssysteme, die mit möglichst niedrigen Temperaturen arbeiten (z.B. Fußbodenheizung). Die maximal sinnvolle Vorlauftemperatur einer Wärmepumpe beträgt demnach auch nur etwa 55°C. Beim Einsatz und der Aufstellung von Wärmepumpen zu Heizzwecken sind darüber hinaus noch einige Eigenheiten zu berücksichtigen: