Heizen mit Luft: Wie funktionieren Wärmepumpen? | DW

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Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Eine Wärmepumpe macht sich Wärme aus der Umwelt zunutze und nutzt das Prinzip der Verdunstungskälte, um zu heizen. Wer schwitzt oder ein nasses Tuch auf die Haut legt, kennt den Effekt: Wenn das kalte Wasser verdampft, 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.

Durch die Umgebungswärme etwa aus dem Erdreich oder aus der Luft wird dem Kältemittel Wärme zugeführt und es verdampft innerhalb des Kreislaufs. Das gasförmige Kältemittel wird dann in einem Kompressor verdichtet. Dadurch erhöht sich die Temperatur im Kältemittel weiter. Anschließend wird das Kältemittel wieder verflüssigt, dabei wird Wärme an das Heizungswasser abgeben und zur Gebäudeheizung genutzt.

Wasser-, Luft- oder Erdwärmepumpen: Was ist besser?

Es gibt verschiedene Arten von Wärmepumpen, sie alle funktionieren nach demselben Prinzip und entziehen entweder dem Wasser, dem 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 Sonden bis zu 150 Meter tief in den Boden verlegt oder ein Rohrnetz dicht unter der Oberfläche. Je tiefer die Rohre 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 Luftwärmepumpe 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 im 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 Außenlufttemperaturen und sie brauchen mehr Strom. Zur Sicherheit haben Wärmepumpen zudem elektrische Ergänzungsheizungen, die bei jeder Temperatur funktionieren.

Wieviel Strom brauchen Wärmepumpen?

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. 

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 viermal so viel Wärme erzeugt.

Optimal sind gut gedämmte Gebäude mit Fußbodenheizung oder großen Heizkörpern. Die Temperatur des Heizungswassers kann dann sogar unter 30 Grad Celsius liegen. “Jedes Grad weniger für die Temperatur des Heizungswassers verbessert die Effizienz der Wärmepumpe um 3,5 Prozent”, sagt Werner Schenk, Experte für Wärmepumpen an der Hochschule München der DW.

Grundsätzlich können handelsübliche 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 während der Heizperiode im Winter viel weniger Strom als im Sommer. Dann werden mehr Solarmodule für dieselbe Strommenge gebraucht – oder man muss Strom dazukaufen.

Sehr günstige Kombination: Der Betrieb von Wärmepumpen mit Solarstrom vom Dach

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.

Besonders effiziente gekühlt werden kann vor allem mit Grundwasser und Erdwärme ohne Kompressor. Dabei wird mit 1 kWh Strom bis zu 100 kWh Wärme aus dem Gebäude aufgenommen und diese in den Untergrund geleitet.  

Sind Kältemittel klimaschädlich?

Die meisten ja. Bislang werden vor allem chemisch hergestellte Kältemittel (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.

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    1935: Kältetechnik verändert die Welt

    Elektrische Kühlschränke gingen in den 1930er Jahren in Serie. Die Wärmepumpe setzt auf das selbe Prinzip, denn die Kältetechnik kann umgekehrt auch zum Heizen genutzt werden: Während ein Kühlschrank den Innenraum kühlt, und Wärme nach außen leitet, entzieht eine Wärmepumpe dem Außenbereich Wärme und leitet sie als Heizenergie in den Wohnraum.

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    1938: Wärmepumpe heizt Rathaus in Zürich

    Die Schweiz war Vorreiter bei der Entwicklung von großen Wärmepumpen. 1938 wurde im Rathaus von Zürich eine Wärmepumpe zum Heizen des Gebäudes eingebaut. Das war damals eine Sensation. Die Wärmepumpe ist bis heute in Betrieb. Als Wärmequelle wird das Flusswasser des Limat verwendet, der durch die Zürcher Altstadt fließt.

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    1973: Ölkrise beflügelt Produktion

    Nach dem zweiten Weltkrieg war Öl billig. Da konnten Wärmepumpen im Vergleich zu günstigen Ölheizungen nicht mithalten. Doch 1973 begann die Ölkrise – Heizen mit Öl wurde um 300 Prozent teurer. Ingenieure entwickelten die Technik für Wärmepumpen weiter, Firmen produzieren sie in Serie. Für diese Pumpen wird Erdwärme genutzt.

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    1986: Meerwasser beheizt Stockholm

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    1998: Trocknen mit Wärmepumpen-Prinzip

    Wäschetrockner mit Wärmepumpe kamen auf dem Markt. Mit dieser Technik braucht der Trockner nur noch halb so viel Strom, das Trocknen wird günstiger. Heute werden Wärmepumpen auch in Elektroautos eingebaut. Das spart Energie – das Auto kann mit einer Akkuladung längere Strecken fahren.

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    Früher nutzten Wärmepumpen in Deutschland vorwiegend Erdwärme und Grundwasser als Wärmequellen. Seit 2010 werden in Deutschland mehr Geräte verkauft, die Luft als Wärmequelle nutzen. Neben den Solarmodulen auf diesem Dach stecken in dem Kasten Ventilatoren der Luftwärmepumpe. Mit selbst erzeugtem Solarstrom wird das Heizen besonders günstig.

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    2017: Wolkenkratzer mit Erdwärme

    Der Lotte World Tower in Seoul, Südkorea, wurde 2017 eingeweiht. Mit 555 Metern war er damals das fünfthöchste Gebäude der Welt. Gekühlt und geheizt wird der Turm mit Wärmepumpen. Sie holen Erdwärme aus 200 Meter Tiefe und nutzen das Flusswasser zum Wärmen und Kühlen.

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    2018: Saisonale Speicher sparen Heizkosten in Berlin

    Im Berliner Stadtteil Lichterfelde wurden Mehrfamilienhäuser aus den Jahren 1930 und 1960 saniert. Die Besonderheit: Solarthermische Kollektoren auf dem Dach speisen jetzt im Sommer Solarwärme in einen Erdwärmespeicher. Diese gespeicherte Energie aus der Erde nutzen Wärmepumpen im Winter zum Heizen. Das ist besonders effizient und senkt die Heizkosten.

  • Klimaneutral heizen mit Wärmepumpe

    2019: Kaltes Wärmenetz heizt Häuser in der Stadt

    Hier in Bad Nauheim werden 13 Kilometer Rohre in einem Acker verlegt. Durch die Rohre fließt später Wasser, das dem Boden etwas Wärme entzieht und dann weiter zu einem Wohnviertel gepumpt wird. Dort nutzen Wärmepumpen das Wasser und heizen damit Häuser. Solche sogenannten kalten Wärmenetze eignen sich besonders für Städte. Auch Abwärme aus Fabriken lässt sich so gut nutzen.

  • Klimaneutral heizen mit Wärmepumpe

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    In modernen Industriegebäuden wie hier bei Heidelberg stehen zwei Wärmepumpen – sie kühlen und wärmen nach Bedarf. Mit gutem Konzept und effizienter Steuerung kann überschüssige Energie aus einem Teil des Gebäudes in einem anderen Bereich genutzt werden, das spart Energie und Kosten. In dieser Fabrik wird die Abwärme eines Computerservers zum Heizen mitgenutzt.

    Autorin/Autor: Gero Rueter

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