RM Rudolf Müller
Darstellung Wärmepumpenkollektoren

 
Energetisches Bauen
25. Juli 2013 | Artikel teilen Artikel teilen

Erklärt: Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Die Wärme der Sonne ist allgegenwärtig auf der Erde. Man kann sie mit Solarkollektoren einfangen und dann in künstlichen Solarspeichern zum Heizen bevorraten. Man kann aber auch auf die natürlichen Speicher unseres Planeten zurückgreifen. Genau das macht eine Wärmepumpe: Sie zapft die Sonnenenergie an, die in der Erde, im Grundwasser oder in der Außenluft als Wärme gespeichert ist und nutzt sie zum Beispiel für die Gebäudeheizung oder die Warmwasserbereitung.

In Deutschland waren Mitte 2013 etwa 500.000 solcher Anlagen zur Wärmeerzeugung aus regenerativer Umweltwärme installiert. Ein typisches Wärmepumpen-System besteht aus drei Teilen: die Wärmequellanlage, mit der dem Außenbereich Wärme entzogen wird, die eigentliche Wärmepumpe und das Wärmeverteil- und Speichersystem des jeweiligen Gebäudes (siehe Grafik). Zusammengefasst kann man sagen, dass eine Wärmepumpenanlage thermische Energie aus dem Außenbereich aufnimmt und auf ein spezielles Wärmeträgermedium überträgt. Indem man dieses Medium zunächst verdampft und anschließend wieder verflüssigt, wird Wärmeenergie mit einer erhöhten Temperatur erzeugt.

Heizen oder kühlen

Doch der Reihe nach. Die Wärme, mit der die Pumpe arbeitet, wird meist dem Erdreich und seltener auch dem Grundwasser entzogen. Ferner gibt es Wärmepumpen, die mit der Außenluft oder sogar mit der Raum-Abluft arbeiten. Im Erdreich liegen die Temperaturen etwa zehn Meter unter der Erdoberfläche ganzjährig um die 10°C, das Gleiche gilt für oberflächennahes Grundwasser.

Eine solche Wärmeenergie hilft einem beim Beheizen eines Innenraums natürlich noch nicht weiter. Temperaturen von 10°C sind ein Grund zum Heizen und keine Quelle behaglicher Wärme. Damit würde man einen Raum eher abkühlen – und genau das passiert auch, wenn eine Wärmepumpe als energiesparende, passive Klimaanlage genutzt wird. Dabei wird ein Gebäude nämlich direkt mit der „Wärme“ aus dem Erdreich gekühlt. Doch das ist ein Sonderfall der Anwendung, bei dem der eigentliche Clou der Technik gar nicht zum Einsatz kommt. Denn normalerweise ist es die Aufgabe einer Wärmepumpe, die aus dem Außenbereich aufgenommene Wärme auf ein höheres Temperaturlevel anzuheben.

Verschiedene Wärmequellanlagen

Funktionsprinzip einer Wärmepumpe

Wärmepumpen-Anlagen bestehen aus drei Teilen: die Wärmequellanlage, die eigentliche Wärmepumpe und das Wärmeverteil- und Speichersystem des Hauses.

Dafür muss man die verschiedenen Wärmequellen erst einmal anzapfen. Bei der Nutzung von Erdwärme geschieht das mithilfe von vertikalen Erdwärmesonden oder horizontalen Erdwärmekollektoren. Eine Sonde verbraucht wenig Platz auf einem Grundstück, aber dafür muss man ziemlich tief in das Erdreich hineinbohren – bei einem Einfamilienhaus in der Regel rund 100 Meter. In das senkrechte Bohrloch, für das zuvor eine Genehmigung einzuholen ist, wird dann die Wärmequellanlage eingeführt, die, vereinfacht ausgedrückt, aus einem u-förmigen Kunststoffrohr besteht. In diesem Rohrsystem fließt meistens mit Frostschutzmittel versetztes Wasser, das die Umweltwärme aufnimmt und zur Wärmepumpe transportiert.

Die Alternative zur Sonde sind Erdwärmekollektoren. Bei dieser Variante werden die Kunststoffrohre waagerecht in nur etwa eineinhalb Metern Tiefe verlegt – schlaufenförmig wie bei einer Fußbodenheizung. Damit dieses oberflächenahe System genügend Wärme sammeln kann, muss es relativ großflächig sein. In der Regel werden die Kollektoren auf einem Grundstücksareal verlegt, das mindestens anderthalb mal so groß ist wie die Fläche, die von der Wärmepumpe beheizt werden soll. Der Einbau ist kostengünstiger als bei einer Erdsonde, und es ist auch keine behördliche Genehmigung notwendig. Der Nachteil: Die Kollektorenfläche darf nicht versiegelt oder überbaut werden, damit das Erdreich nicht von der Wärme spendenden Sonne abgeschirmt wird.

Ein Anzapfen des Grundwassers ist relativ aufwändig und lohnt sich daher nur für größere Bauprojekte. Es müssen dafür nämlich gleich zwei Brunnen angelegt werden. Einer, der das Wasser zur Wärmepumpe an der Oberfläche pumpt, und ein zweiter zur Rückführung des abgekühlten Wassers in den Boden.

Verhältnismäßig günstig sind dagegen Luft-Wärmepumpen, bei denen die Umgebungswärme mit Ventilatoren angesaugt wird. Das ist natürlich im Sommer besonders effizient, aber im Winter, während der eigentlichen Heizperiode, sind diese Systeme weniger effizient als Erd-Wärmepumpen.

Funktionsprinzip der Wärmepumpe

Wie aber nun schafft es die Wärmepumpe, die gesammelte thermische Energie aus Erde, Wasser oder Luft so zu erhöhen, dass man damit heizen kann? Dies geschieht durch den Einsatz so genannter Kältemittel. Das sind ausgesprochen „flüchtige“ Stoffe wie zum Beispiel Propan, Propen, Butan oder die Fluorkohlenwasserstoffe. Sie wechseln sehr leicht vom flüssigen in den gasförmigen Zustand und umgekehrt. Laut DIN EN 378-1 ist ein Kältemittel eine Flüssigkeit, die „bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck Wärme aufnimmt und bei höherer Temperatur und höherem Druck Wärme abgibt.“

In einer Wärmepumpe spielen diese Eigenschaften der Fluide eine entscheidende Rolle. Die im Wasser der jeweiligen Wärmequellrohre gespeicherte thermische Energie wird über einen Wärmetauscher – den „Verdampfer“ – an einen zweiten Rohrkreislauf übertragen, in dem sich das Kältemittel befindet. Durch die Temperaturerhöhung verdampft das zunächst flüssige Kältemittel umgehend. Der Dampf wird anschließend zu einem so genannten Verdichter weitergeleitet, dem zentralen technischen Bestandteil der Wärmepumpe. Dort wird die gasförmige Substanz – wie der Name schon sagt – stark verdichtet, und als Folge davon erhöht sie ihre Temperatur, womit der Zweck der Wärmepumpe erfüllt wäre.

Wärmeverteil- und Speichersystem

Nun muss das gewonnene Temperaturplus nur noch dem Heizkreislauf oder der Warmwasseraufbereitung des Hauses zur Verfügung gestellt werden. Dafür gelangt das erwärmte Kältemittelgas zunächst in einen weiteren Wärmetauscher, den so genannten „Verflüssiger“. Dort befindet sich zugleich die Schnittstelle zum Wärmeverteil- und Speichersystem des Gebäudes. Im Verflüssiger gibt das Kältemittel Wärme an den in der Regel mit Wasser gefüllten Heizkreislauf des Hauses ab. Dadurch kühlt es ab, kondensiert und fließt im flüssigen Zustand wieder zurück zum Verdampfer, wo der Kreislauf nun erneut beginnen kann.



Über den Autor Roland Grimm ist seit Februar 2013 freier Journalist mit Sitz in Essen und schreibt regelmäßig Fachwissen-Artikel für BaustoffWissen. Zuvor war er rund sechs Jahre Fachredakteur beim Branchenmagazin BaustoffMarkt und außerdem verantwortlicher Redakteur sowie ab 2010 Chefredakteur der Fachzeitschrift baustoffpraxis. Kontakt: rgrimm1968@aol.com

 

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