Wärmepumpen nutzen Umweltwärme aus Luft, Wasser oder Erde und sind klimafreundlich. Aber wie funktionieren sie überhaupt? Warum braucht es Kältemittel und was sind die Tricks?
Eine Wärmepumpe macht sich Wärme aus der Umwelt zunutze und nutzt das Prinzip der Verdunstungskälte, um zu heizen. Wer schwitzt und ein nasses Tuch auf die Haut legt, kennt den Effekt: Wenn das kalte Wasser verdunstet, also gasförmig wird, wird es kühler auf der Haut. Das physikalische Prinzip: Beim Übergang von Wasser zu Dampf benötigen die Wassermoleküle viel Energie. Die entziehen sie der Umgebung – in diesem Fall der Haut. Darum wird es kühler auf der Haut. Umgekehrt wird die Wärmeenergie wieder freigesetzt beim Übergang von Dampf zu Flüssigkeit.
Wärmepumpen, Kühlschränke und Klimaanlagen nutzen diese Übergänge. In einem geschlossenen Rohrsystem zirkuliert dabei ein spezielles Kältemittel. Solche Kältemittel verdampfen schon bei sehr niedrigen Temperaturen, teils bei unter minus 50 Grad Celsius.
Eine Wärmepumpe macht sich Wärme aus der Umwelt zunutze und nutzt das Prinzip der Verdunstungskälte, um zu heizen. Wer schwitzt und ein nasses Tuch auf die Haut legt, kennt den Effekt: Wenn das kalte Wasser verdunstet, also gasförmig wird, wird es kühler auf der Haut. Das physikalische Prinzip: Beim Übergang von Wasser zu Dampf benötigen die Wassermoleküle viel Energie. Die entziehen sie der Umgebung – in diesem Fall der Haut. Darum wird es kühler auf der Haut. Umgekehrt wird die Wärmeenergie wieder freigesetzt beim Übergang von Dampf zu Flüssigkeit.
Durch die Umgebungswärme etwa aus dem Erdreich oder aus der Luft wird das Kältemittel erwärmt und verdampft innerhalb des Kreislaufs. Das gasförmige Kältemittel wird dann in einem Kompressor zusammengepresst und unter Druck verdichtet. Dadurch erhöht sich die Temperatur im Kältemittel weiter. Anschließend wird das Kältemittel wieder verflüssigt, dabei wird Wärme in die Umgebung abgeben – diese Wärme wird in der Gebäudeheizung genutzt.
Wie funktioniert eine Wärmepumpe?
Es gibt verschiedene Arten von Wärmepumpen, sie alle funktionieren nach demselben Prinzip und entziehen entweder dem Wasser, der Erdreich oder der Luft Wärmeenergie.
Für Wasser-Wärmepumpen kann zum Beispiel Grundwasser oder das Wasser in Flüssen oder Seen verwendet werden. Luft-Wärmepumpen laufen mit normaler Außenluft oder können heiße Abluft aus der Industrie oder Rechenzentren nutzen.
Für Erdwärmepumpen werden je nach Gestein Sonden 100 Meter oder noch tiefer in den Boden gebohrt. Je tiefer die Bohrung in die Erde, desto wärmer wird es. Erd- und Grundwasserwärmepumpen sind effizienter, aber teurer. Luftwärmepumpen funktionieren dafür fast überall, können allerdings etwas laut sein.
Beim Betrieb einer Wärmepumpe im Grundwasser kühlt dieses übrigens um etwa vier Grad ab, bei einer Luftwärmepume sinkt die Temperatur der Umgebungsluft um etwa 10 Grad.
Ja. Auch an kalten Wintertagen ist in der Erde, der Umgebungsluft oder Grundwasser genug Wärme, um ein Gebäude zu heizen. In Skandinavien etwa heizen viele Menschen auch im Winter mit Luftwärmepumpen. Diese entziehen bei bis zu -20 Grad noch Wärmeenergie aus der Luft. Allerdings sind Wärmepumpen dann nicht so effizient wie bei höheren Temperaturen und brauchen mehr Strom. Zur Sicherheit haben Wärmepumpen daher Heizstäbe, die bei jeder Temperatur funktionieren.
Auch wenn die meiste Energie aus der Umgebung genommen wird: Wärmepumpen brauchen zusätzlichen Strom, um den Elektromotor für Kompressor, Pumpen und Ventilatoren zu betreiben. Bei guten Bedingungen können dabei mit einer Kilowattstunde von Antriebsstrom rund sechs Kilowattstunden Wärme gewonnen werden. Eine gedämmte Wohnung von 80 Quadratmeter braucht dann weniger als 1000 Kilowattstunden Strom pro Jahr.
Bei neuen gedämmten Gebäuden sind Wärmepumpen effizienter. In älteren Häusern erzeugen in Deutschland laut einer Studie von Fraunhofer-ISE Luft-Wärmepumpen aus einer Kilowattstunde Strom rund drei Kilowattstunden Wärme. Mit Grundwasser als Wärmequelle wird im Schnitt vier Mal so viel Wärme erzeugt.
Optimal sind gut gedämmte Gebäude mit Fußbodenheizung oder großen Heizkörpern. Die Temperatur des Heizungswasser kann dann sogar unter 30 Grad Celsius liegen. “Jedes Grad weniger für die Temperatur des Heizungswasser verbessert die Effizienz der Wärmepumpe um 3,5 Prozent”, sagt Werner Schenk, Experte für Wärmepumpen an der Hochschule München der DW.
Grundsätzlich können Wärmepumpen Heiztemperaturen von über 70 Grad erzeugen und damit auch ungedämmte Häuser mit alten Heizköpern heizen. Doch der Stromverbrauch für den Antrieb ist dann deutlich höher.
Ja. Solarstrom vom Hausdach ist viel günstiger als aus dem Stromnetz und zudem klimafreundlich. Allerdings erzeugen Solarmodule anders als im Sommer während der Heizperiode im Winter viel weniger Strom. Dann werden mehr Solarmodule für dieselbe Strommenge gebraucht, oder man muss Strom dazukaufen.
Ja. Moderne Wärmepumpen können umschalten und dann auch kühlen. Die Wärmeenergie aus Gebäuden wird dann zum Beispiel in die Luft oder ins Grundwasser geleitet. Umgekehrt können moderne Klimaanlagen auch heizen.
Die meisten ja. Bislang werden vor allem chemisch hergestellten Kältemitteleingesetzt (HFKW) in Wärmepumpen und Klimaanlagen eingesetzt und diese sind bis zu 4000-Mal klimaschädlicher als CO2. Durch Leckagen und falsche Entsorgung gelangen die sogenannten F-Gase in die Atmosphäre. Zunehmend werden darum inzwischen mehr Wärmepumpen mit den klimafreundlichen Kältemitteln Propan, CO2 oder Ammoniak verkauft. Die EU schreibt zudem vor, dass in den nächsten Jahren zunehmend umweltfreundliche Kältemittel in Wärmepumpen und Klimaanlagen eingesetzt werden müssen.
Eine Wärmepumpe macht sich Wärme aus der Umwelt zunutze und nutzt das Prinzip der Verdunstungskälte, um zu heizen. Wer schwitzt und ein nasses Tuch auf die Haut legt, kennt den Effekt: Wenn das kalte Wasser verdunstet, also gasförmig wird, wird es kühler auf der Haut. Das physikalische Prinzip: Beim Übergang von Wasser zu Dampf benötigen die Wassermoleküle viel Energie. Die entziehen sie der Umgebung – in diesem Fall der Haut. Darum wird es kühler auf der Haut. Umgekehrt wird die Wärmeenergie wieder freigesetzt beim Übergang von Dampf zu Flüssigkeit.
Wärmepumpen, Kühlschränke und Klimaanlagen nutzen diese Übergänge. In einem geschlossenen Rohrsystem zirkuliert dabei ein spezielles Kältemittel. Solche Kältemittel verdampfen schon bei sehr niedrigen Temperaturen, teils bei unter minus 50 Grad Celsius.
Wie funktioniert eine Wärmepumpe?
Durch die Umgebungswärme etwa aus dem Erdreich oder aus der Luft wird das Kältemittel erwärmt und verdampft innerhalb des Kreislaufs. Das gasförmige Kältemittel wird dann in einem Kompressor zusammengepresst und unter Druck verdichtet. Dadurch erhöht sich die Temperatur im Kältemittel weiter. Anschließend wird das Kältemittel wieder verflüssigt, dabei wird Wärme in die Umgebung abgeben – diese Wärme wird in der Gebäudeheizung genutzt.
Es gibt verschiedene Arten von Wärmepumpen, sie alle funktionieren nach demselben Prinzip und entziehen entweder dem Wasser, der Erdreich oder der Luft Wärmeenergie.
Für Wasser-Wärmepumpen kann zum Beispiel Grundwasser oder das Wasser in Flüssen oder Seen verwendet werden. Luft-Wärmepumpen laufen mit normaler Außenluft oder können heiße Abluft aus der Industrie oder Rechenzentren nutzen.
Für Erdwärmepumpen werden je nach Gestein Sonden 100 Meter oder noch tiefer in den Boden gebohrt. Je tiefer die Bohrung in die Erde, desto wärmer wird es. Erd- und Grundwasserwärmepumpen sind effizienter, aber teurer. Luftwärmepumpen funktionieren dafür fast überall, können allerdings etwas laut sein.
Wasser, Luft oder Erdwärmepumpen: Was ist besser?
Beim Betrieb einer Wärmepumpe im Grundwasser kühlt dieses übrigens um etwa vier Grad ab, bei einer Luftwärmepume sinkt die Temperatur der Umgebungsluft um etwa 10 Grad.
Können Wärmepumpen auch im kalten Winter heizen?
Ja. Auch an kalten Wintertagen ist in der Erde, der Umgebungsluft oder Grundwasser genug Wärme, um ein Gebäude zu heizen. In Skandinavien etwa heizen viele Menschen auch im Winter mit Luftwärmepumpen. Diese entziehen bei bis zu -20 Grad noch Wärmeenergie aus der Luft. Allerdings sind Wärmepumpen dann nicht so effizient wie bei höheren Temperaturen und brauchen mehr Strom. Zur Sicherheit haben Wärmepumpen daher Heizstäbe, die bei jeder Temperatur funktionieren.
Auch wenn die meiste Energie aus der Umgebung genommen wird: Wärmepumpen brauchen zusätzlichen Strom, um den Elektromotor für Kompressor, Pumpen und Ventilatoren zu betreiben. Bei guten Bedingungen können dabei mit einer Kilowattstunde von Antriebsstrom rund sechs Kilowattstunden Wärme gewonnen werden. Eine gedämmte Wohnung von 80 Quadratmeter braucht dann weniger als 1000 Kilowattstunden Strom pro Jahr.
Bei neuen gedämmten Gebäuden sind Wärmepumpen effizienter. In älteren Häusern erzeugen in Deutschland laut einer Studie von Fraunhofer-ISE Luft-Wärmepumpen aus einer Kilowattstunde Strom rund drei Kilowattstunden Wärme. Mit Grundwasser als Wärmequelle wird im Schnitt vier Mal so viel Wärme erzeugt.
Wieviel Strom brauchen Wärmepumpen?
Optimal sind gut gedämmte Gebäude mit Fußbodenheizung oder großen Heizkörpern. Die Temperatur des Heizungswasser kann dann sogar unter 30 Grad Celsius liegen. “Jedes Grad weniger für die Temperatur des Heizungswasser verbessert die Effizienz der Wärmepumpe um 3,5 Prozent”, sagt Werner Schenk, Experte für Wärmepumpen an der Hochschule München der DW.
Grundsätzlich können Wärmepumpen Heiztemperaturen von über 70 Grad erzeugen und damit auch ungedämmte Häuser mit alten Heizköpern heizen. Doch der Stromverbrauch für den Antrieb ist dann deutlich höher.
Lohnt sich Solarstrom für die Wärmepumpe?
Ja. Solarstrom vom Hausdach ist viel günstiger als aus dem Stromnetz und zudem klimafreundlich. Allerdings erzeugen Solarmodule anders als im Sommer während der Heizperiode im Winter viel weniger Strom. Dann werden mehr Solarmodule für dieselbe Strommenge gebraucht, oder man muss Strom dazukaufen.
Kann eine Wärmepumpe kühlen?
Ja. Moderne Wärmepumpen können umschalten und dann auch kühlen. Die Wärmeenergie aus Gebäuden wird dann zum Beispiel in die Luft oder ins Grundwasser geleitet. Umgekehrt können moderne Klimaanlagen auch heizen.
Die meisten ja. Bislang werden vor allem chemisch hergestellten Kältemitteleingesetzt (HFKW) in Wärmepumpen und Klimaanlagen eingesetzt und diese sind bis zu 4000-Mal klimaschädlicher als CO2. Durch Leckagen und falsche Entsorgung gelangen die sogenannten F-Gase in die Atmosphäre. Zunehmend werden darum inzwischen mehr Wärmepumpen mit den klimafreundlichen Kältemitteln Propan, CO2 oder Ammoniak verkauft. Die EU schreibt zudem vor, dass in den nächsten Jahren zunehmend umweltfreundliche Kältemittel in Wärmepumpen und Klimaanlagen eingesetzt werden müssen.
