Wie funktionieren Wärmepumpen?

Wärmepumpen werden als klimafreundliche Option zum Warmhalten von Häusern angepriesen, da die Menschen nach Alternativen zu Öl und Gas suchen. DW erklärt die Geheimnisse dahinter.

Rund die Hälfte der deutschen Haushalte wird mit Erdgas und ein Viertel mit Öl beheizt. Während das Land angesichts der Klimakrise von fossilen Brennstoffen abweicht, suchen viele nach Alternativen.

Wärmepumpen sind eine Technologie, die viel diskutiert wird. Doch wie funktionieren sie genau?

Eine Wärmepumpe entzieht der Außenluft, dem Boden oder einer nahe gelegenen Wasserquelle Wärme, um mithilfe der sogenannten Verdunstungskühlung Wärme zu erzeugen. Sie werden wissen, wie wohltuend es ist, bei drückenden Temperaturen ein kaltes Tuch auf die Haut zu legen. Es ist der gleiche Effekt. Das kalte Wasser verdunstet, wird gasförmig und man kühlt ab.

Hier ist die Wissenschaft dahinter: Der Übergang von Wasser zu Dampf erfordert viel Energie. Um ihren Zustand zu ändern, beziehen die Wassermoleküle diese Energie aus ihrer Umgebung, in diesem Fall aus der warmen Haut. Durch diesen Vorgang entsteht der Kühleffekt. Umgekehrt wird ein Großteil dieser Energie als Wärme wieder an die Luft abgegeben, sobald das verdampfte Wasser wieder flüssig wird.

Wärmepumpen, Kühlschränke und Klimaanlagen nutzen alle diese Übergänge. Kühlschränke kühlen innen ab und erwärmen sich außen. Bei Wärmepumpen ist es umgekehrt.

Bei Wärmepumpen zirkuliert ein spezielles Kältemittel in einem geschlossenen Rohrsystem. Kältemittel verdampfen bei sehr niedrigen Temperaturen, manchmal unter minus 50 Grad Celsius (minus 58 Fahrenheit).

Beispielsweise erwärmt Erdwärme oder Luft das Kältemittel, das dann im Kreislauf verdampft. Ein Kompressor drückt die Moleküle des Kältemittelgases zusammen und erhöht so dessen Temperatur weiter. Wenn es sich dann wieder verflüssigt, gibt es die überschüssige Wärme an das Heizsystem ab. Das bedeutet, dass Wärmepumpen zum Heizen oder Kühlen eines Hauses, eines Büros oder eines anderen Innenraums eingesetzt werden können.

Obwohl es verschiedene Arten von Wärmepumpen gibt, arbeiten sie alle nach dem gleichen Prinzip, der Umwelt Wärmeenergie zu entziehen.

Wasserwärmepumpen können Grundwasser oder Wasser aus Flüssen oder Seen nutzen. Luftquellen werden mit normaler, von außen angesaugter Luft oder heißer Abluft betrieben, die an Industriestandorten oder Rechenzentren erzeugt wird.

Bei Erdwärmepumpen werden Sonden je nach Gesteinsdichte 100 Meter oder mehr in den Boden gebohrt. Je tiefer das Bohrloch im Boden ist, desto wärmer wird es.

Grundwasserwärmepumpen sind effizienter, aber auch teurer. Die Variante mit Luftquelle funktioniert fast überall, kann jedoch laut sein.

Beim Heizen eines Gebäudes können Wärmepumpen das Grundwasser um 4 Grad abkühlen oder die Lufttemperatur um 10 Grad senken.

Selbst an kalten Wintertagen ist unter der Erde, in der Luft oder im Grundwasser genügend Wärmeenergie vorhanden, um ein Gebäude zu heizen. In Skandinavien beispielsweise heizen viele Menschen auch in strengen Wintern mit Luftwärmepumpen. Diese entziehen der Luft bereits bei Temperaturen von minus 20 Grad Celsius Wärmeenergie.

Dennoch benötigen sie mehr Energie, um bei Kälte zu funktionieren und bei wärmerem Wetter besser zu funktionieren. Als Backup sind Wärmepumpen auch mit Heizstäben ausgestattet, die Strom verbrauchen.

Während der Großteil der Energie aus der Umgebung stammt, benötigen die Geräte zusätzliche Energie, um den Elektromotor für Kompressor, Pumpen und Lüfter anzutreiben. Unter guten Bedingungen können aus einer Kilowattstunde Antriebsstrom rund sechs Kilowattstunden Wärme erzeugt werden. Eine 80 Quadratmeter große isolierte Wohnung benötigt weniger als 1.000 Kilowattstunden Strom pro Jahr.

Wärmepumpen sind in neuen isolierten Gebäuden effizienter, insbesondere in solchen mit Fußbodenheizung und großen Heizkörpern. Laut einer Studie des Freiburger Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme erzeugen Luftwärmepumpen in älteren Häusern in Deutschland etwa drei Kilowattstunden Wärme aus einer Kilowattstunde Strom. Beim Einsatz von Grundwasser als Energiequelle wurde im Vergleich dazu im Durchschnitt viermal so viel Wärme erzeugt.

Grundsätzlich können Wärmepumpen Temperaturen von mehr als 70 Grad Celsius erzeugen. Das heißt, sie können auch ungedämmte Häuser mit alten Heizkörpern heizen. Allerdings wäre der Stromverbrauch des Geräts dann deutlich höher.

Solarenergie von Ihrem Dach ist günstiger als aus dem Stromnetz und zudem klimafreundlich. Doch bei kälteren Bedingungen erzeugen Solarmodule deutlich weniger Strom. Um in der Winterheizperiode die gleiche Strommenge zu produzieren, wäre also mehr nötig. Oder man müsste Strom zusätzlich kaufen.

Moderne Pumpen können vom Heiz- auf den Kühlbetrieb umschalten. Dabei wird die Wärmeenergie aus dem Gebäudeinneren einfach an die Außenluft oder das Grundwasser übertragen. Ebenso können moderne Klimaanlagen auch heizen.

Die meisten von ihnen sind. Chemische Kältemittel, sogenannte Fluorkohlenwasserstoffe, sind traditionell die vorherrschende Wahl als Kühlmittel für Wärmepumpen und Klimaanlagen. Diese sind bis zu 4.000-mal klimaschädlicher als CO2, wenn sie in die Atmosphäre gelangen, was durch Leckage oder falsche Entsorgung passieren kann.

Immer mehr Wärmepumpen werden mittlerweile mit den klimafreundlicheren Kältemitteln Propan, CO2 oder Ammoniak verkauft. Die Europäische Union stellt den Einsatz von HFKW in Wärmepumpen und Klimaanlagen zugunsten umweltfreundlicherer Alternativen ein.

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Dieser Artikel wurde ursprünglich auf Deutsch veröffentlicht.