Ganz allgemein erklärt ist eine Wärmepumpe ein technisches Gerät, das seiner Umgebung Energie entzieht. Diese Energie wird dann durch die Übertragung auf ein Heizsystem für den Menschen nutzbar. Mögliche Energiequellen sind dabei Luft und Erde sowie auch Wasser. Anders als bei einem Wärme-Kraft-Prozess in klassischen Heizsystemen wird bei diesem Vorgang Energie mit niedriger Temperatur aus der Umwelt aufgenommen und an ein System mit höherer Temperatur übertragen – das ist in diesem Fall die Heizung. Dieselbe Funktionsweise findet sich auch bei Kühlschränken: Der Kühlschrank entzieht einer Umgebung mit niedriger Temperatur (nämlich seinem Innenraum) Energie und gibt diese an eine Umgebung mit höherer Temperatur (den Außenraum) ab.
Wie funktioniert der Heizprozess?
Bei genauerer Betrachtung gliedert sich die Funktionsweise einer Wärmepumpe in zwei Schritte, die im Folgenden erläutert werden.
1. Energie wird aus der Umgebung gewonnen
Wärmepumpen sind mit sogenannten Wärmequellenanlagen verknüpft. In diesen Anlagen zirkuliert eine Flüssigkeit, welche die Umweltwärme aufnimmt und zu der Wärmepumpe transportiert. Bei Luft-Wärmepumpen findet die Energiegewinnung nicht über eine Wärmequellenanlage, sondern durch einen Ventilator statt.
2. Die gewonnene Energie wird nutzbar gemacht
Neben der Flüssigkeit, die die Umgebungswärme aufnimmt, zirkuliert in der Wärmepumpe auch ein Kältemittel, auf das die gewonnene Umweltenergie übertragen wird. Das geschieht im sogenannten Wärmetauscher oder auch Verdampfer. Wie der Name bereits andeutet, führt die Übertragung der Umweltwärme auf das Kältemittel dazu, dass dieses verdampft. Das nun gasförmige Kältemittel wird an einen Verdichter weitergeleitet, der dieses komprimiert. Dadurch wird die Temperatur des Kältemittels stark erhöht. Dieses heiße Kältemittel-Gas wird nun in einem zweiten Wärmetauscher, dem Verflüssiger, kondensiert. Dabei gibt es seine Wärme ab und geht wieder in den flüssigen Zustand über. Schließlich wird das flüssige Kältemittel an eine Drossel weitergeleitet, in der sein Druck reduziert wird. Von dort aus wird es an den Verdampfer zurückgeführt. Die Wärme, die das Kältemittel im Verflüssiger abgibt, ist letztendlich das entscheidende Ergebnis dieses Prozesses: Sie wird nämlich von dem Heizmedium in dem zu beheizenden Gebäude aufgenommen.
Wo kann eine Wärmepumpe zum Einsatz kommen?
Im Allgemeinen ist es die Funktion einer Wärmepumpe, Umweltenergie für die Gebäudeheizung nutzbar zu machen. Im Folgenden werden spezielle Einsatzmöglichkeiten genauer betrachtet. Abgesehen von Gebäuden eignen sich Wärmepumpen auch zur Temperierung von Brauchwasser. Das geschieht entweder in einem separaten System über einen Wärmepumpen-Boiler oder über eine direkte Verbindung mit dem Warmwasserspeicher durch einen zweiten Wärmetauscher. Das oben erläuterte Prinzip bleibt dabei jedoch im Grunde gleich. Neben einer Heizfunktion verfügt eine Wärmepumpe auch über die Möglichkeit zur Kühlung. Hierbei wird die Funktionsweise der Wärmepumpe leicht modifiziert. Im Allgemeinen wird lediglich der oben beschriebene Prozess umgekehrt. Das heißt, dass die Fließrichtung des Kältemittels abgeändert wird: Anstatt dass Wärme aus Erde, Luft oder Wasser aufgenommen und im Verdichter gesteigert wird, fließt das Kühlmittel direkt zum ursprünglichen Verflüssiger. Der funktioniert nun aber als Verdampfer und überträgt die aufgenommene Raumwärme an das Kühlmittel. Von da wird das Kühlmittel dann wieder zum Verdichter geführt und gelangt schließlich zum Wärmetauscher. Der Wärmetauscher gibt die dem Gebäude entzogene Wärme dann an die Erde ab und sorgt somit für die Temperatursenkung im Innenraum. Dieser Prozess nennt sich aktive Kühlung – bei Wärmepumpen gibt es aber auch die Option der passiven Kühlung. Dabei wird der Wärmetauscher dazu genutzt, die Raumwärme durch ein weiteres Ventil nach außen abzugeben. Bei diesem Prozess wird der natürliche Temperaturunterschied zwischen Innenraum und Außenraum zur Kühlung genutzt, was auch „natural cooling“ genannt wird. Beim passiven Kühlen wird ein kühler Wärmeträger gleichzeitig mit Heizungswasser in Raumtemperatur zum Wärmetauscher geführt. Der sorgt dann dafür, dass sich die Temperaturen des kühlen Wärmerträgers und des raumtemperierten Heizungswassers ausgleichen. Das hat letztendlich zur Folge, dass kühles Heizungswasser im Gebäude zirkuliert, was dementsprechend zur Klimatisierung beiträgt. Diese Art der Kühlung ist besonders umweltfreundlich, allerdings auch weniger leistungsstark. Dagegen kann man durch aktive Kühlung mit wenig Stromaufwand auch im Sommer angenehme Innentemperaturen erreichen.
Wärmepumpe vs. Solarthermie – Vorteile und Nachteile
Im direkten Vergleich zwischen den beiden Heizsystemen lassen sich sowohl Stärken als auch Schwächen feststellen. Die Wärmepumpe fällt durch hohe Investitionskosten gegen Solarthermie ab: Zur Installation muss eine passende Wärmequelle erschlossen werden, was oftmals mit kostspieligen Baumaßnahmen verbunden ist. Allerdings kommt die Solarthermie an die Lebensdauer der Wärmepumpe von bis zu fünfzig Jahren nicht heran. Außerdem muss ein Gebäude, das mit Solarthermie beheizt werden soll, deutlich höheren baulichen Ansprüchen genügen. Eine Wärmepumpe ist somit flexibler einsetzbar, insbesondere deshalb, weil verschiedene Energieträger wie Luft, Wasser oder Erde verwendet werden können. Außerdem ist sie im Vergleich zur Solarthermie langlebiger und zieht dadurch auch weniger Folgekosten mit sich, was den hohen Investitionsbetrag ausgleicht. Dazu kommt eine deutlich einfachere Nachrüstung: Im Gegensatz dazu sind die Möglichkeiten zur Heizungserneuerung bei Solarthermie nämlich eher eingeschränkt. Beide Heizsysteme zeichnen sich durch hohe Umweltfreundlichkeit aus – laut eines Projekts der Wüstenrot-Stiftung in Kooperation mit der Forschungsstelle für Energiewirtschaft unterbietet Solarthermie mit saisonalem Speicher derzeit aber die CO2-Emissionswerte von Wärmepumpen. Letztlich können jedoch beide Systeme dank hoher Effizienz und geringer laufender Kosten auch mit einer guten Wirtschaftlichkeit überzeugen.