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Mein Beitrag zum Internet - mbzi.de

Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

In neuen Einfamilienhäusern werden kaum noch Gas- oder Ölheizungen eingebaut und auch bei energetischen Sanierungen von Altbauten ist eine Wärmepumpe eine oft empfohlene Alternative zu fossilen Energieträgern wie Öl oder Gas. Es wird behauptet, die Wärmepumpe sei nachhaltig, energieeffizient und mache unabhängig von den als sicher angenommenen Preissteigerungen bei Öl und Gas. Eigentlich hat sie offenbar nur Vorteile - aber stimmt das? Soviel vorweg: Ich weiß es nicht mit Sicherheit, glaube es aber so sehr, dass ich 2011 auch eine gekauft habe :-) Warum ich das glaube, ergibt sich vielleicht oder hoffentlich aus der folgenden Funktionsbeschreibung.

Allgemeines Funktionsprinzip der Wärmepumpe

Eigentlich funktioniert die Wärmepumpe genau wie ein Kühlschrank, nur das quasi innen und außen getauscht sind. Beim Kühlschrank wird Wärme aus dem Inneren nach außen gepumpt mit dem Ziel, innen zu kühlen. Bei der Wärmepumpenheizung wird Wärme von außen nach innen gepumpt, um innen die Temperatur zu erhöhen.

Der pfiffige Trick gegenüber allen anderen Arten zu heizen ist, dass man also die Wärme, die man im Inneren haben will, nicht erzeugen muss. Man muss sie lediglich an den Ort "pumpen", an dem man sie gerne hätte. Ganz offensichtlich ist das Pumpen von Wärme leichter als das "Erzeugen" - denkt man :-) So grundsätzlich stimmt das aber nicht.

Energieeffizient!?

Wasser fällt vom Berg
Wasser "fällt" ganz von selbst vom Berg

Bildlich gesprochen

Wasser fließt von selbst bergab und wenn man möchte, dass es zurück auf den Berg kommt, muss man es unter Aufwendung von Energie hinauf pumpen. Man muss also Energie aufwenden, wenn man das Wasser entgegen seiner natürlichen Flussrichtung bewegen möchte. Die erforderliche Energiemenge ist umso größer, je höher der Berg ist und je mehr Wasser man Pumpen möchte.

Übertragen wir dies Beispiel auf die Wärmepumpe: Wärme fließt von selbst vom warmen zum kalten Ort. Die Wärmepumpe pumpt also Wärme unter Aufwendung von Energie entgegen der natürlichen Flussrichtung vom kalten zum warmen Ort. Die für diesen Pumpvorgang aufzuwendende Energie ist umso größer, je größer der Temperaturunterschied zwischen warm und kalt ist und je mehr Energie man Pumpt.

Ein bisschen Physik

Physikalisch ergibt sich der Energieaufwand für das Pumpen der Wärme aus dem Carnotschen Kreisprozess. Für den reinen Pumpprozess ohne Eigenverbrauch der Wärmepumpe oder sonstige Verluste, ergibt sich ein Energiebedarf gemäß:

EAufwand = Egepumpt · (Twarm - Tkalt)/Twarm

Klar, oder nicht? :-) Machen wir mal ein Beispiel: Angenommen, wir wollen 1 kWh Wärmeenergie vom 0 °C (273 K) kalten Außenraum in den 20 °C (293 K) warmen Innenraum pumpen, dann brauchen wir dazu mindestens:

EAufwand = 1 kWh · (293 K - 273 K)/293 K = 0,068 kWh

Wenn das so stimmen würde, wäre die Wärmepumpe ein Zauberding, denn statt durch Verbrennung von Öl oder Gas 1 kWh Wärmeenergie im Innern des Hauses zu erzeugen, müsste man nur 0,068 kWh Energie aufwenden, um unter den angegebenen Bedingungen dem Außenraum 1 kWh Wärme zu entziehen und sie dem Innenraum zuzuführen.

Tatsächlich sind aktuelle Wärmepumpen relativ weit von dieser Idealvorstellung weg. Statt der oben berechneten 0,068 kWh brauchen sie nach meiner Einschätzung für diesen Pumpvorgang etwa 0,2 - 0,3 kWh; unter schlechten Bedingungen auch schon mal deutlich mehr. Meine Wärmepumpe wird etwa so bei -15 °C bis -20 °C Außentemperatur zu einer "normalen" Heizung. D.h. um eine 1 kWh Wärme ins Haus zu bringen, wendet sie 1 kWh Strom auf :-(. Bei höheren Außentemperaturen ist sie aber tatsächlich ein Zauberding :-) mit 0,2 - 0,3 kWh Strombedarf pro gepumpter kWh Wärme.

Wärmepumpen sind also tatsächlich sehr energieeffiziente Heizungen. Sie reizen die physikalischen Möglichkeiten aktuell bei Weitem noch nicht aus sind aber schon viel besser als eine konventionelle Heizung.

Funktionsweise

schematischer Aufbau der Wärmepumpe
Schematischer Aufbau der Wärmepumpe mit grün markierter Drossel

Jetzt habe ich so viel darüber gesprochen, dass Pumpen von Wärme ganz großartig ist - aber wie geht das? Eine Wasser- oder Luftpumpe kann man sich ja ganz gut vorstellen aber wie pumpt man bitte "Wärme"? Die Antwort ist ganz einfach: Eigentlich gar nicht. Stattdessen pumpt man mit einem Kompressor ein Kältemittel (so heißt es beim Kühlschrank) als Medium, dass die Wärme als innere Energie mitführt. Durch die pfiffige Konstruktion überredet man das Medium im kalten Außenraum aus der Umgebung Wärme aufzunehmen und diese im warmen Innenraum wieder abzugeben.

Beschreibung

Die beiden entscheidenden Bauteile der Wärmepumpe sind der Kompressor und die Drossel. Das Medium wird vom Kompressor angesaugt und gegen die Drossel gepresst. Das Medium staut sich vor der in der Abbildung hellgrün markierten Drossel.Hierdurch steigt vor der Drossel der Druck und durch den hohen Druck wird das Medium verflüssigt. Hinter der Drossel expandiert das Medium in den freien Raum, in dem der Druck viel geringer ist als vor der Drossel. Hierdurch verdampft das Medium. Durch den kontinuierlichen Pumpvorgang wird das gasförmige Medium wieder angesaugt und vor der Drossel komprimiert und dadurch wieder verflüssigt usw.

Das Verdampfen des Mediums geschieht im Außenraum. Hierbei nimmt das Medium Energie aus dem Außenraum auf, wodurch sich der Außenraum abkühlt. Das Verflüssigen (Kondensieren) geschieht im Innenraum. Hierbei gibt das Medium die beim Verdampfen aufgenommene Energie wieder als Wärme ab und der Innenraum erwärmt sich.

Noch ein bisschen Physik

Um einen Stoff zu verdampfen, muss Energie aufgewendet werden. Vereinfacht gesagt ist diese Energie nötig, da die Moleküle des Stoffes gegen die gegenseitige Anziehungskraft voneinander entfernt werden müssen. Wenn man einen Stein hoch hebt, muss man ebenso Energie aufwenden, weil man den Stein gegen die gegenseitige Anziehungskraft von der Erde entfernt. In beiden Fällen muss aus physikalischer Sicht längs eines Weges eine Kraft überwunden werden - es wird also Arbeit verrichtet.

Bleiben wir bei dem Stein: Wenn wir den Stein an einen Faden binden und darüber beim Herabsinken des Steins einen Dynamo antrieben, sehen wir, dass der Stein, an dem wir beim Hochheben Arbeit verrichtet haben, nun für uns Arbeit verrichten kann. Zwingen wir die Moleküle des Mediums vor der Drossel also wieder so nah aneinander, dass der Stoff verflüssigt wird, geben die Moleküle die in sie beim Verdampfen investierte Arbeit als Wärme zurück.

Durch das Verdampfen des Mediums im Außenraum und das Kondensieren im Innenraum hat also das Medium Wärme aus dem Außenraum in den Innenraum transportiert und weil wir das Medium "gepumpt" haben, nennen wir die Maschine Wärmepumpe.

Wärmepumpentypen

Je nach verwendeter "Wärmequelle" im Außenraum und Übergabemedium für die Wärme im Innenraum werden verschiedene Typen an Wärmepumpen unterschieden, die aber nach meiner Einschätzung etwas uneinheitlich benannt werden. Ich werde deshalb im Folgenden keine "Herstellerbezeichnungen" verwenden, sondern mich auf Wärmequelle und Wärmeziel beschränken.

Wärmequelle im Außenraum

Im Außenraum kommen zwei grundsätzlich verschiedene Quellen für die abzupumpende Wärme in Betracht: Die das Haus umgebende Luft oder irgendetwas im Boden, also der Boden selbst, das Grundwasser oder irgendein verbuddelter Wassertank oder etwas Vergleichbares.

Luft

Die Luft ist sehr einfach als Wärmequelle zu benutzen, da man "nur" eine ausreichend große Menge Außenluft ansaugen und ihr die Wäre entziehen muss. Wegen des im Vergleich geringen Aufwands sind luftbasierte Wärmepumpen i.d.R. die preiswerteste Lösung (ich habe auch so eine). Der offensichtliche Vorteil ist, dass im Außenbereich des Hauses keine teuren Bau- oder Bohrarbeiten nötig sind. Neben der Kostenersparnis ist deshalb oft auch die Umsetzung formal viel einfacher, weil man keine Genehmigung von irgendeiner Behörde braucht.

Diese Vorteile erkauft man allerdings mit einigen Nachteilen:

  1. In der Zeit, in der man die größte Heizleistung braucht - wenn es draußen so richtig kalt ist - enthält die "Wäremquelle" am wenigsten Wärme und man kann ihr mit vertretbarem Energieaufwand nur relativ wenig Wärme entziehen. Luftbasierte Wärmepumpen arbeiten also umso uneffektiver, d.h. mit umso höherem Energiebedarf aus der Steckdose, je kälter es draußen ist. Sie haben ihren schlechtesten Wirkungsgrad eben gerade genau dann, wenn sie am nötigsten gebraucht werden. Somit sind sie nur für relativ geringe Heizleistungen und demnach nur für wirklich gut gedämmte Häuser wirtschaftlich sinnvoll.
  2. Luft enthält insgesamt nur wenig Wärme, weil sie eine relativ geringe Wärmekapazität hat. Man muss also eine relativ große Menge Luft in die Heizung saugen, um eine insgesamt ausreichende Menge Wärme aus der Luft entnehmen zu können. Diese Luftmassen lassen sich nicht geräuschlos bewegen und im Bereich des Luftein- und auslasses ist die Heizung akkustisch relativ deutlich wahrnehmbar. Ich finde das persönlich nicht sehr aufdringlich aber wenn man draußen neben den Öffnungen steht, hört man das schon recht deutlich. Da die Heizung im Sommer zur Warmwasserbereitung benutzt wird, gibt es dieses Geräusch auch zur "Terrassenzeit" und man sollte die Lüftungsöffnungen weit genug von der eigenen Terasse und auch von der des Nachbarn entfernt vorsehen, damit es da keine Probleme gibt. Bei uns ist eine Hausecke dazwischen und die Windgeräusche sind auf der Terrasse immer lauter als die Lüftung und man hört nichts aber direkt daneben möchte ich nicht sitzen.
  3. Es wird eine relativ große Menge kalter Luft ins Haus gesaugt. Diese Luft wird abgekühlt und kälter wieder nach draußen geblasen. Dabei bildet sich im Inneren der Heizung Kondenswasser. Deshalb ist die Heizung an die Abwasserleitung angeschlossen, um das Wasser abzuleiten - kein Problem also? Mit der Luft wird trotz aller Filter eine Menge Staub angesaugt, der mit dem Wasser zusammen Richtung Abfluss gespült werden muss. Wie auch immer es passieren konnte: Nach etwa 5 Jahren Betrieb hat der Staub bei uns den Abfluss verstopft und das Kondenswasser lief in den Keller. Bis wir das entdeckt hatten - wie oft ist man schon im Heizungskeller - stand der Fußboden einige Millimeter unter Wasser. Im Keller war das eher kein Problem aber im Heizungsraum neben dem Wohnzimmer mit dem teuren Echtholzparkett sollte so was nicht passieren.

Boden oder (Grund)wasser

Hier gibt es eine riesige Auswahl verschiedener Varianten:

Der Vorteil bei allen Varianten ist, dass die Wärmequelle das ganze Jahr über eine nahezu konstante Temperatur hat. Der Wirkungsgrad der Wärmepumpe ist also nicht von der Witterung abhängig und immer etwa gleich gut. Im Durchschnitt sind diese Wärmepumpen deshalb energieeffizienter als die luftbasierten Typen, die im Winter mit einer sehr kalten Wärmequelle viel von ihrer Effizienz einbüßen. Außerdem hat die Wärmequelle eine vergleichsweise hohe Wärmekapazität, sodass die Temperatur dort nur wenig sinkt, wenn die Wärmepumpe dort Wärme entzieht. Man kann deshalb höhere Heizleistungen realisieren, weshalb sich diese Wärmepumpentypen auch für einen größeren Heizenergiebedarf nutzen lassen.

Nachteilig sind die höheren Kosten für die zusätzlichen Baumaßnahmen im Außenbereich und die eventuell auftretenden Probleme mit der behördlichen Genehmigung.

Links

Verschiedene Hersteller bieten Übersichtseiten über die unterschiedlichen Wärmepumpen mit teilweise ganz hübsche Abbildungen.

Natürlich gibts noch weitere Hersteller und ich will auch hier keine Werbung für irgendeinen von ihnen machen. Die Links führen zu den "Erklärseiten" der drei Hersteller (zumindest tun sie das heute am 02.03.2017). Gucks Dir an und lass Dich erleuchten und dann lädst Du den Wärmepumpenhändler Deines Vertrauens ein und lässt Dir ein wunderschönes Angebot machen. Nach meiner persönlichen Einschätzung ist es wichtiger einen gescheiten Monteur vor Ort zu haben, der dieses doch eher komplizierte Stück Technik installieren und warten kann als den letzten Euro beim Kauf zu sparen. So eine Wärmepumpe ist komplizierter als eine Gasheizung und wenn der Servicetechniker 100te km Anreise hat, musst Du ggf. ganz schön lange frieren ehe ein Fehler behoben ist. Ich würde bei dem Heizungsbauer im Ort kaufen und nehmen, womit er sich auskennt. Warm macht das in jedem Fall und funktionieren wird das auch, denn sonst hätte Dein Heizungsbauer sich damit nicht beschäftigt. Und wenn es erstmal etwas teurer ist - Samstags um 23:45 Uhr jemanden anrufen zu können, der 20 Minuten später da ist und bis zum Besuch der Schwiegermutter am Sonntag zum Kaffee das Wohnzimmer wieder warm gemacht hat, ist unbezahlbar :-)

Wärmeziel im Innenraum

Im Innenraum gibt es eigentlich nur zwei grundsätzlich verschiedene Vorgehensweisen:

  1. Wie bei einer klassischen Zentralheizung wird die ins Haus gepumpte Wärme auf Wasser in einem klassischen Heizkreislauf übertragen. Das so erwärmte Wasser wird durchs Haus gepumpt und gibt die Wärme über Fußboden-, Wand- oder Deckenheizung - in jedem Fall über große Flächen - an die Luft in den einzelnen Räumen ab.
  2. Die ins Haus gepumpte Wärme wird auf zirkulierende Luft übertragen und die so erwärmte Luft wird in die zu beheizenden Räume geblasen. Ein zusätzlicher, wasserbasierter Heizkreis entfällt.

Die erste Variante ist deutlich weiter verbreitet, da ein Liter Wasser bei gleicher Temperatur viiiiieeeeel mehr Energie transportiert als ein Liter Luft. Mit einem klassischen, wasserbasierten Heizkreis lässt sich also viel schneller viel mehr Wärme im Haus verteilen und es sind somit viel größere Heizleistungen möglich. Außerdem braucht man bei der zweiten Variante einen konstanten Luftstrom durch alle Räume - andernfalls kommt keine Wärme in den Raum. Die zweite Variante ist also nur für Häuser mit sehr guter Wärmedämmung überhaupt geeignet. Selbst da wäre ich skeptisch, ob eine ausreichende Beheizung unter allen Umständen ohne störende Strömungsgeräusche oder Luftströmungen möglich ist - Erfahrungen habe ich damit aber keine. Wir haben uns an dieses System nicht heran getraut und eine klassische Fußbodenheizung installiert.

Nachteile - hochgradig subjektiv

Nix ist ohne Nachteil - auch so ein Zauberding nicht. Oben klang es ja schon mehrmals an: So eine Wärmepumpe, zumindest unsere, will doch öfter lieb gehabt werden als eine konventionelle Heizung. Man spart sich den regelmäßigen Besuch des Schornsteinfegers aber wartungsfrei ist das Ding nun wirklich nicht. Wir hatten in über 5 Jahren noch keinen echten Defekt und es musste noch nie ein Profi ran aber wir hatten das Wasserproblem (s.o.) und es müssen regelmäßig alle möglichen Luftfilter gewechselt oder gereinigt werden und wer weiß, wie lange die Wärmepumpe halten wird? Es gibt Ölheizungen, die schon seit 30 Jahren funktionieren - ich glaube nicht, dass unsere Wärmepumpe so lange ohne Reparaturen auskommt. Dazu ist sie einfach zu komplex.

Dazu kommt, dass eine Wärmepumpe wie ein Kühlschrank funktioniert und auch so klingt :-). Bei uns übertragen sich seit etwa zwei Jahren diese Geräusche, die scheinbar lauter geworden sind, auf die Heizleitungen, sodass man sie überall im Haus hört - nicht sehr laut und auch nur, wenn man still da liegt und genau hin hört aber man hört es. Gasheizungen sind sicher geräuschärmer. Bei uns steht die Wärmepumpe im Keller aus Beton und ist von den Wohnräumen durch eine Betondecke bzw. eine Kellertür getrennt. Ohne Keller wäre ggf. nur eine Trockenbauwand oder eine normale Zimmertür dazwischen, die den Schall viel schlechter schlucken. Das Geräusch wäre also womöglich bei einem Heizungsraum im Erdgeschoss störend.

Zum Schluss: Das liebe Geld! Eine Wärmepumpe ist (doll) teuer und gegenüber einer Gas- oder Ölheizung zur Zeit (2017) in der Anschaffung in der Regel teurer. Ob sich diese Mehrkosten jemals amortisieren, kann ich nicht sagen. Ich teile zwar die Auffassung, dass Gas und vor allem Öl in den nächsten Jahren sehr viel teurer werden aber wer weiß das schon genau. Ich glaube, dass es sich amortisieren wird aber erstmal muss man schon deutlich mehr ausgeben und das Geld muss man eben auch erstmal haben.