Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

(ves) Die Wärmepumpe hat sich als junge und emissionsarme Heiztechnik etabliert: In der Schweiz werden neu erstellte Einfamilienhäuser fast nur noch mit Wärmepumpen bestückt, um die Energie zum Heizen und für die Wassererwärmung zu organisieren. Auch für sanierte Gebäude eignet sich das beliebte Wärmeversorgungssystem. Bereits jedes zweite erneuerte Objekt wird mit einer Wärmepumpe ausgestattet, die ihrerseits eine natürliche Energiequelle in nächster Umgebung nutzt. Das Leistungsvermögen reicht aber auch, um grosse Wohn- und Geschäftshäuser mit Wärmeenergie zu versorgen.

Wärme pumpen: Wie das Prinzip funktioniert?

Ein Kühlschrank entzieht Wärme aus dem Innenfach und gibt sie danach über einen schlaufenförmigen Wärmetauscher an der Rückseite an die Umgebung ab. Die Wärmepumpe funktioniert genau umgekehrt: Sie entzieht der Umgebung Wärme, erhöht deren Temperatur und gibt sie an den Heizungskreislauf ab. Dafür werden altbekannte physikalische Prozesse und bewährte technische Apparaturen eingesetzt – in folgender Anordnung:

• Die Umgebungswärme erwärmt im Verdampfer ein flüssiges Kältemittel (Ammoniak, Propan, Ethan, CO2), das bei geringer Temperaturerhöhung gasförmig wird.
  
• Ein elektrisch angetriebener Kompressor erwärmt den Dampf zusätzlich.
  
• Im nachfolgenden Kondensator wird die Wärme an das Wasser im Heizkreislauf abgegeben. Dadurch verflüssigt sich das gasförmige Kältemittel wieder und die Wärmepumpe kann den Kreislauf wieder von vorne beginnen.
  
• Die abgegebene Wärmeenergie ist dabei drei bis vier Mal so gross wie der selbst verbrauchte Strom.

Wärmepumpen nutzen den Niedertemperaturbereich und arbeiten am effizientesten, wenn sie Vorlauftemperaturen zwischen 30 und 55 °C für den Heizungskreislauf aufbereiten müssen. Dabei gilt: Wird die Heizwassertemperatur um 5 °C abgesenkt, erhöht sich die Effizienz (Jahresarbeitszahl) einer Wärmepumpe um rund 10 %.

Energiequelle: verschiedene Angebote aus der Umgebung

• Erdwärme: Das oberflächennahe Erdreich kann mit einer Erdwärmesonde oder einem Erdregister thermisch angezapft werden. Die Ausgangstemperatur liegt bei etwa 10 bis 15 °C, weshalb eine Sole-Wasser-Wärmepumpe einen relativ hohen Wirkungsgrad, eine Jahreszahl (JAZ) bis 5, erzielen kann.
  
• Luft: Umgebungsluft ist die häufigste Wärmequelle von Wärmepumpen. Im Winter sinkt die Leistung analog den kalten Aussentemperaturen. Die JAZ einer Luft- Wasser-Wärmepumpe liegt typischerweise zwischen 2,7 und 3,5.
  
• Wasser: Grundwasser ist dank der nahezu konstanten und gegenüber dem Erdreich meistens leicht höheren Temperatur eine gute und stabile Wärmequelle. Auch die Energie von Oberflächengewässern wie Seen, Bäche und Flüsse respektive des Abwassers lässt sich mit Hilfe einer Wärmepumpe nutzen. Die JAZ liegt in der Regel zwischen 4 und 5,5.

Zusatzfunktion: ein aktives Kühlen

Optional können Wärmepumpen im Sommer für die Kühlung eines Gebäudes eingesetzt werden. Bei dieser Umkehrfunktion kann auf den Einsatz des Kompressors verzichtet werden; einzig die Pumpe zum Antrieb des Heizungskreislaufs und der Wärmetauscher verbraucht elektrische Energie. Die Kühlfunktion einer Sole-Wasser-Wärmepumpe dient zusätzlich der thermischen Regeneration des Erdreichs. Die im Winter entzogene Wärmemenge kann im Sommerhalbjahr teilweise oder ganz «zurückerstattet» werden.

Die Tiefe der Erdwärmesonden ist jeweils spezifisch darauf ausgelegt, ob das Erdreich nur zum Heizen oder auch zum Kühlen genutzt werden soll. Auch ohne Kühl- und Regenerationsoption ist der effiziente Betrieb eines Wärmepumpen-Heizsystems für mindestens 30 Jahre sichergestellt. Um sich nicht gegenseitig Wärme zu entziehen, müssen benachbarte Anlagen, gemäss den Planungsstandards, einen Mindestabstand von 30 Metern wahren.

Einsatzorte: Worauf bei Umbauten zu achten ist

Wärmepumpen sind im Neubaubereich das mit Abstand beliebteste Heizsystem. Ihr Marktanteil beträgt bei neu erstellten (kleinen und grossen) Wohnbauten deutlich über 50 Prozent. Und zwei von drei neuen Einfamilienhäusern werden mit einer Wärmepumpe bestückt. Im Sanierungsfall kommt das emissionsarme Heizsystem zwar weniger häufig, doch ebenfalls mit steigendem Anteil zum Zug. 

Ein Grund für die unterschiedliche Ausrüstung von Neu- und Umbauten ist: Bestehende Heizsysteme mit einem Brennkessel lassen sich oft nicht eins-zu-eins durch eine Wärmepumpe ersetzen. Zum einen benötigen schlecht gedämmte Gebäude höhere Vorlauftemperaturen. Zum anderen sind Wärmepumpen mit grossflächiger Wärmeabgabe zu kombinieren, weshalb sich Fussbodenheizungen generell besser eignen als Heizkörper.