Heizen mit Luft: Wie funktionieren Wärmepumpen? | Wissen & Umwelt | DW | 16.08.2022
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Wissen & Umwelt

Heizen mit Luft: Wie funktionieren Wärmepumpen?

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?

Handwerker-Nachwuchs im Bildungs- und Technologiezentrum der Handwerkskammer zu Leipzig diskutieren über die Technik der Wärmepumpe an einer Wärmepumpe

Wie funktioniert eine Wärmepumpe optimal? Fachhandwerker bei der Ausbildung

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.

Infografik: So funktioniert eine Wärmepumpe

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. 

Infografik Wärmepumpe: Heizen mit Umweltwärme mit Sonden, Abwasser, Wasser, Luft, Erde

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.

Luft-Wärmepumpe auf dem Dach, daneben Solarkollektoren

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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