Wärmepumpen sind heute ein Politikum. Für die einen sind sie das Sinnbild einer energetischen Revolution durch die Nutzung erneuerbarer elektrischen Energie. Für die anderen sind sie ein Reizbild.
Insgesamt sind Wärmepumpen, insofern die Stromversorgung nachhaltig und gesichert ist, ein technologischer Fortschritt im Sinne energetischer Effizienz. Wenn denn die Technik dauerhaft mitspielt und die Stromversorgung – bestenfalls mit Photovoltaik und Batteriespeicherung als Puffer – dauerhaft funktioniert.
Winterbetrieb (Heizung)
Im Winter nutzt die Wärmepumpe die Außenluft, den Boden oder das Grundwasser als Wärmequelle, auch wenn die Außentemperaturen sehr niedrig sind. Hier ist der Ablauf:
Wärmeaufnahme: Die Wärmepumpe entzieht der Außenluft, dem Boden oder dem Grundwasser Wärme. Auch wenn die Temperaturen draußen kalt sind, enthält diese Umgebung Wärme, die von der Wärmepumpe genutzt werden kann.
- Beispiel: Auch bei -5 °C gibt es noch Wärme in der Luft, die von der Wärmepumpe extrahiert werden kann.
Verdampfung: Das Kältemittel in der Wärmepumpe nimmt diese Wärme auf und verdampft. Es hat einen niedrigen Siedepunkt, wodurch es auch bei niedrigen Außentemperaturen verdampfen kann.
Kompression: Das gasförmige Kältemittel wird von einem Kompressor verdichtet. Durch die Verdichtung steigt seine Temperatur stark an.
Wärmeabgabe: Das heiße gasförmige Kältemittel gibt seine Wärme an das Heizsystem des Hauses ab (z. B. Fußbodenheizung oder Heizkörper).
Expansion: Das Kältemittel wird entspannt, kühlt ab und der Zyklus beginnt von vorne.
Ergebnis im Winter: Die Wärmepumpe nimmt auch bei niedrigen Außentemperaturen Wärme aus der Umgebung auf und sorgt für Heizwärme im Gebäude.
Sommerbetrieb (Kühlung)
Im Sommer kann die Wärmepumpe als Klimaanlage verwendet werden, um das Gebäude zu kühlen. In diesem Fall wird die Funktionsweise umgekehrt:
Wärmeaufnahme: Die Wärmepumpe entzieht der Innenluft des Gebäudes Wärme. Die Wärme wird durch das Kältemittel aufgenommen, das dabei verdampft.
Kompression: Das gasförmige Kältemittel wird wie im Winter komprimiert, wodurch es seine Temperatur erhöht.
Wärmeabgabe: Das heiße Kältemittel gibt seine Wärme nach außen ab, etwa an die Außenluft oder das Erdreich, je nach System. Der Außenbereich dient nun als Senke für die überschüssige Wärme.
Expansion: Nach der Wärmeabgabe wird das Kältemittel entspannt, wodurch es wieder abkühlt und der Kreislauf erneut beginnt.
Ergebnis im Sommer: Die Wärmepumpe sorgt für Kühlung, indem sie Wärme aus dem Gebäude entzieht und nach außen abgibt.
- Winter: Die Wärmepumpe nimmt Wärme aus der Außenumgebung (z. B. Luft, Boden) auf und leitet sie ins Haus, um zu heizen.
- Sommer: Die Wärmepumpe entzieht dem Gebäude Wärme und gibt sie nach draußen ab, um das Haus zu kühlen.
Das bedeutet, dass eine Wärmepumpe im Winter als Heizgerät und im Sommer als Klimaanlage arbeiten kann, was sie zu einer vielseitigen Lösung für das ganze Jahr macht.
Der Wirkungsgrad bei Heizungen beschreibt das Verhältnis zwischen der eingesetzten Energie (z. B. Brennstoff oder Strom) und der tatsächlich in nutzbare Wärme umgewandelten Energie. Er wird in der Regel in Prozent angegeben und ist ein Maß für die Effizienz eines Heizsystems.
Bei Wärmepumpen ist der Wirkungsgrad nicht direkt anwendbar, da sie mehr Wärme liefern, als sie elektrische Energie benötigen. Stattdessen wird die Leistungszahl (COP) oder die Jahresarbeitszahl (JAZ) verwendet, die das Verhältnis von nutzbarer Wärme zu eingesetztem Strom beschreibt (infolgedessen haben diese einen Wirkungsgrad von z. B. 300 % bis 500 %).
Ein COP von 3 bis 5 bedeutet, dass pro 1 kWh elektrischer Energie 3 bis 5 kWh Wärme erzeugt werden. Die Effizienz hängt von der Temperaturdifferenz ab.
Vergleich mit anderen Heizsystemen:
Literatur:
[1] Panos Konstantin: „Praxisbuch Energiewirtschaft – Energieumwandlung, -transport und -beschaffung, Übertragungsnetzausbau und Kernenergieausstieg“, Springer Verlag, Berlin 2017
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