Wärmepumpe

Grundidee und Einsatz

Eine Wärmepumpe ist eine Kraftwärmemaschine. Sie nimmt unter Einsatz technischer Arbeit thermische Energie aus einem Reservoir mit niedriger Temperatur auf, meist aus der Umgebung, und überträgt diese Energie zusammen mit der Antriebsenergie als Nutzwärme auf ein System mit höherer Temperatur. Umgangssprachlich meint man damit oft die Wärmepumpenheizung für Gebäude.

Wärmepumpen werden zur Raumheizung, zur Brauchwassererwärmung, zur Erzeugung von Prozesswärme und in Wäschetrocknern eingesetzt. Derselbe Kreisprozess kann auch zum Kühlen genutzt werden, etwa im Kühlschrank oder in der Klimaanlage. Der Unterschied liegt darin, welche Seite als Nutzen betrachtet wird: Bei der Wärmepumpe ist die warme Seite die Nutzseite, beim Kälteprozess ist die aus dem zu kühlenden Raum abgeführte Wärme die Nutzenergie, während Wärme und Antriebsenergie als Abwärme an die Umgebung gehen.

Arten und Wärmequellen

Wärmepumpen können nach Verfahren, Wärmequelle, Wärmenutzung, Arbeitsweise und Bauart eingeteilt werden. Nach dem Verfahren unterscheidet man unter anderem Kompressionswärmepumpen, Absorptionswärmepumpen, Adsorptionswärmepumpen sowie Systeme mit Peltier-Effekt, magnetokalorischem, elektrokalorischem oder elastokalorischem Effekt. Die elektrisch angetriebene Kompressionswärmepumpe ist der wichtigste Anwendungsfall.

Als Wärmequellen kommen Außenluft, Abluft, Grundwasser, Oberflächenwasser, Erdwärme, Erdwärmesonden, CO2-Sonden, Direktverdampfer-Sonden, Spiralkollektoren, flächig verlegte Wärmeübertrager mit Soleflüssigkeit oder Kältemittel, thermisch aktivierte Fundamente, industrielle Abwärme, Abwasserwärmerückgewinnung und Eisspeicher infrage. Die Wärmenutzung umfasst Kühlen, Gefrieren, Warmwasser und Heizung, etwa mit Fußboden-, Wand-, Deckenheizung, Heizkörpern, Radiatoren, Konvektoren oder Gebläse-Konvektoren.

In der Gebäudetechnik sind typische Kombinationen Wasser/Wasser-Wärmepumpen, Sole/Wasser-Wärmepumpen, Luft/Wasser-Wärmepumpen und Luft/Luft-Wärmepumpen. Monoblock-Wärmepumpen haben einen werksseitig geschlossenen Kältekreis in einer Einheit. Split-Wärmepumpen verteilen den Kältekreis auf mehrere Baugruppen und werden vor Ort fertiggestellt. Reversible Wärmepumpen können durch Umkehr des Kältekreislaufs heizen und kühlen; bei „Free Cooling“ wird etwa Erdreich oder Grundwasser direkt als Kältequelle genutzt, ohne dass der Kompressor läuft.

Kreisprozess und Bauteile

Die Kompressionswärmepumpe nutzt die Verdampfungsenthalpie, also die Wärmeaufnahme oder Wärmeabgabe beim Wechsel zwischen flüssigem und gasförmigem Zustand. In einem geschlossenen Kältemittelkreislauf zirkuliert ein Kältemittel, das durch einen Kompressor angetrieben wird. Eine Wärmepumpe besteht mindestens aus Verdampfer, Verdichter beziehungsweise Kompressor, Verflüssiger und Drossel beziehungsweise Expansionsventil.

Im Verdampfer verdampft das Kältemittel bei niedrigem Druck durch Wärmezufuhr aus der Umgebung, zum Beispiel aus Außenluft, Erdboden, Abwasser oder Grundwasser. Der Verdichter komprimiert das gasförmige Kältemittel, wodurch Druck und Temperatur steigen. Im Verflüssiger kondensiert das Kältemittel unter Abgabe der Nutzwärme an den Heizkreis oder Warmwasserkreis. Danach wird das flüssige Kältemittel in der Drossel vom Hochdruck auf den Niederdruck entspannt; dabei verdampft ein großer Anteil und die Temperatur sinkt.

Bei größeren Anlagen regeln Ventile den Druck im Verdampfer so, dass die Sattdampftemperatur etwas unter der Temperatur der Wärmequelle liegt. Der Verdichter wird so geregelt, dass die Sattdampftemperatur auf der warmen Seite geringfügig über der Temperatur der Wärmesenke liegt. Das Kältemittel wird so ausgewählt, dass seine Phasenübergangstemperaturen zu Wärmequelle und Wärmesenke passen und möglichst keine Luft in den Kreislauf eindringen kann.

Effizienz und Kennzahlen

Die Leistungszahl COP, englisch coefficient of performance, ist der Quotient aus abgegebener Wärmeleistung und zugeführter elektrischer Verdichterleistung. In der thermodynamischen Betrachtung gilt: COP = Qc / W. Bei typischen Leistungszahlen von 4 bis 5 steht das Vier- bis Fünffache der eingesetzten Leistung als nutzbare Wärmeleistung zur Verfügung; der zusätzliche Anteil stammt aus der Umgebungswärme.

Die theoretisch maximale Leistungszahl ist durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik begrenzt und entspricht dem Kehrwert des Carnot-Wirkungsgrads: COPmax = Twarm / (Twarm - Tkalt), wobei absolute Temperaturen verwendet werden. Die Leistungszahl steigt, wenn die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke klein ist. Deshalb arbeiten Wärmepumpen effizienter bei hoher Quellentemperatur und niedriger Heiztemperatur. Der Gütegrad ηWP beschreibt das Verhältnis der tatsächlichen Leistungszahl zur idealen Leistungszahl: ηWP = COP / COPmax. Praktisch werden Wärmepumpengütegrade im Bereich 0,45 bis 0,55 erreicht.

Der COP wird auf Prüfständen nach EN 14511 ermittelt und gilt nur für die jeweiligen Prüfbedingungen. Für die reale Anlage ist die Jahresarbeitszahl JAZ wichtiger. Sie ist das Verhältnis der über ein Jahr genutzten Wärme zur aufgewendeten elektrischen Energie: JAZ = QHeiz / Wel. Je nach Bilanzierung werden Speicherverluste und Pumpenenergie einbezogen oder nicht. Der SCOP beschreibt eine standardisierte jahreszeitliche Effizienz eines Modells; die JAZ beschreibt den realen Betrieb in einem konkreten Gebäude und Klima. Datenblätter verwenden Betriebspunkte wie B0/W35: B steht für Sole, W für Wasser, die Zahlen geben Temperaturen in °C an.

Optimierung, Kältemittel und Betrieb

Eine hohe Effizienz erreicht man vor allem durch geringe Temperaturdifferenzen. Die Wärmeübertrager sollten so ausgelegt sein, dass zwischen Primär- und Sekundärseite nur kleine Temperaturunterschiede auftreten. Verschmutzte Wärmetauscherflächen sollen regelmäßig gereinigt werden. Auf der Heizungsseite sind niedrige Vorlauftemperaturen günstig; Fußboden-, Wand- oder Deckenheizungen sind deshalb besonders geeignet. Auch größere Heizkörper und ein hydraulischer Abgleich können helfen, die notwendige Vorlauftemperatur zu senken.

Pro Grad weniger Vorlauftemperatur wird eine Energieersparnis von etwa 2 % bei Reduktion von 60 °C auf 59 °C bis etwa 4 % bei Reduktion von 31 °C auf 30 °C genannt. Handelsübliche moderne Heizungswärmepumpen mit Propan R-290 erreichen 70 °C bis 75 °C; Wärmepumpen mit R-407/R-410A liefern häufig maximal 55 bis 60 °C. Wenn höhere Temperaturen nötig sind, kann ein elektrischer Heizstab nachheizen, hat dabei aber COP = 1.

Kältemittel beeinflussen Technik und Nachhaltigkeit. Früher wurden natürliche Kältemittel wie Ammoniak R-717 und Propan R-290 eingesetzt. Von 1930 bis Anfang der 1990er Jahre waren FCKW verbreitet; sie wurden in Deutschland 1995 verboten, weil sie die Ozonschicht schädigen. FKW schädigen die Ozonschicht nicht, tragen aber zum Treibhauseffekt bei. Propan und andere Kohlenwasserstoffe gelten als natürliche Kältemittel, erfordern wegen Brennbarkeit aber Sicherheitsmaßnahmen. Bei luftbeaufschlagten Verdampfern kann Eis entstehen, wenn die Sattdampftemperatur unter 0 °C fällt. Die effektivste Abtauung ist die Heißgasabtauung durch Umkehr des Prozesskreislaufs; ein Heizstab gilt als ineffizient.

Große Anlagen, Beispiele und Normen

Großwärmepumpen können Wärme in Fernwärmenetze einspeisen und sind für die Dekarbonisierung der Gebäudebeheizung wichtig. Bestehende Wärmenetze müssen bis 2030 einen Anteil von 30 % und bis 2040 einen Anteil von 80 % erneuerbarer Energie für die Wärmeerzeugung erreichen. Studien nennen thermische Leistungsbereiche von 0,5 MWtherm bis zu mehreren 100 MWtherm. Für große Fernwärmenetze werden meist Wasser-Wasser-Wärmepumpen genutzt, etwa mit industrieller Abwärme oder Fluss- und Meerwasser; Außenluft ist wegen Wärmeaustauschfläche und Lärmemissionen ungeeignet.

Großwärmepumpen benötigen höhere Vorlauftemperaturen als dezentrale Anlagen. Während bei Gebäude-Wärmepumpen maximal 55 °C angestrebt werden, sind in Fernwärmenetzen etwa 100 °C erforderlich. Das kann die Leistungszahl deutlich verschlechtern und oft zweistufige Verdichtung nötig machen. Als Kältemittel werden bei neuen Anlagen unter anderem CO2 R-744 eingesetzt; dabei treten hohe Drücke auf, etwa ca. 120 bar auf der Hochdruckseite und ca. 80 bar auf der Niederdruckseite.

Beispiele sind die 2024 in Esbjerg in Betrieb genommene Großwärmepumpe mit Meerwasser als Wärmequelle, CO2 als Kältemittel und insgesamt 70 MW Heizleistung, dazu ein Heißwasserspeicher mit 46'000 m³. In Stockholm wurden 1984 bis 1986 Anlagen mit 180 MW Gesamtheizleistung gebaut. In Köln-Niehl ist eine Flusswasser-Wärmepumpe mit 150 MW thermischer Leistung geplant, voraussichtlich ab 2027, mit etwa JAZ 3 und 280 Mio. Euro Investitionsvolumen.

Für Wärmepumpen gelten europäische Richtlinien und Normen. Anlagen sind Maschinen und Druckgerätebaugruppen und müssen nach Maschinenrichtlinie 2006/42/EG sowie ab bestimmter Größe nach Druckgeräterichtlinie 2014/68/EU zertifiziert werden. Die Normenreihe EN 378 behandelt sicherheitstechnische und umweltrelevante Anforderungen. EN 14511 beschreibt Prüfungen und Prüfverfahren für elektrisch angetriebene Wärmepumpen.