Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Verglichen mit Öl- und Gasheizungen können Wärmepumpen deutlich energieeffizienter heizen – und sie lassen sich sogar klimaneutral betreiben. Möglich macht das ein Prinzip, das auch in Kühlschränken zum Einsatz kommt.

Wärme ist physikalisch gesehen eine Form von Energie. Erzeugen lässt sie sich auf unterschiedlichen Wegen: In konventionellen Heizungen wird beispielsweise Öl, Gas oder Holz verbrannt und so die darin gespeicherte chemische Energie in Wärmeenergie umgewandelt. Bei dieser Art des Heizens entstehen allerdings klimaschädliche Gase. Um die in Deutschland angestrebten Klimaschutzziele zu erreichen, sollen Gebäude künftig zunehmend durch umweltfreundlichere Technologien beheizt werden – etwa mithilfe von Wärmepumpen. Diese Anlagen lassen sich nicht nur klimaneutral betreiben, sie gelten auch als besonders energieeffizient.

Bei Wärmepumpen macht man sich zunutze, dass Wärmeenergie praktisch überall zu finden ist – selbst in Umgebungen, die man landläufig als kalt bezeichnen würde: etwa im Grundwasser, das normalerweise eine Temperatur von rund 10 bis 12 Grad Celsius aufweist, oder in der Außenluft, auch im Winter. Ohne Zutun fließt Wärmeenergie stets vom wärmeren zum kälteren Ort, wodurch sich Temperaturunterschiede ausgleichen. Die Aufgabe einer Wärmepumpe besteht nun darin, die Situation umzukehren. Sie soll einem vergleichsweise kühlen Ort, also dem Grundwasser, dem Erdreich oder der Luft, aktiv einen Teil der Wärmeenergie entziehen und diese einem wärmeren Ort, nämlich dem zu beheizenden Gebäude, zuführen.

Mal flüssig, mal gasförmig

Technisch umsetzen lässt sich dieses Vorhaben mithilfe einer speziellen chemischen Substanz, die in einem geschlossenen Kreislauf aus Rohren zirkuliert und dabei mal flüssig und mal gasförmig vorliegt. Ein typisches Beispiel für ein solches Arbeitsmittel sind Fluorkohlenwasserstoffe. Entscheidend ist nun der Übergang zwischen den beiden Aggregatzuständen: Beim Verdampfen nimmt das Arbeitsmittel nämlich Wärmeenergie auf, beim Verflüssigen gibt es Wärmeenergie ab. Wann sich ein bestimmtes Arbeitsmittel im flüssigen und wann im gasförmigen Zustand befindet, hängt nicht nur von der Temperatur, sondern auch vom Druck in der Anlage ab.

Diese physikalischen Zusammenhänge erlauben es, den Aggregatzustand des Arbeitsmittels gezielt zu beeinflussen: Dort, wo es Wärmeenergie aus der Umgebung aufnehmen soll, wird der Druck mithilfe eines Drosselventils so weit gesenkt, dass die Substanz bei der gegebenen Umgebungstemperatur verdampft. Anschließend verdichtet ein Kompressor das nun gasförmige Arbeitsmittel, bis es sich schließlich verflüssigt. Die bei diesem Prozess entstehende Wärme wird in einem Wärmetauscher an das Wasser übertragen, das durch die Heizkörper oder eine Fußbodenheizung fließt. Das durch die Wärmeabgabe abgekühlte Arbeitsmittel dehnt sich hinter dem Drosselventil wieder aus und der Kreislauf beginnt von vorne.

Funktionsweise einer Wärmepumpe

Mit dieser Funktionsweise ist die Wärmepumpe das Gegenstück zur Wärmekraftmaschine, die Wärme in mechanische Arbeit umwandelt. Paradebeispiel dafür sind die Verbrennungsmotoren in Autos. Bei der Wärmepumpe hingegen wird mechanische Arbeit in Form von Kompression und Expansion genutzt, um thermische Energie zu gewinnen. Dieses Prinzip ist auch in einem Kühlschrank oder einer Klimaanlage umgesetzt, hier allerdings zum Kühlen.

Erstaunlich effizient

Die Bauteile, die die mechanische Arbeit verrichten, – also der Kompressor, die Pumpen zum Transport des Arbeitsmittels und gegebenenfalls die Ventilatoren am Wärmetauscher – werden mit Elektromotoren betrieben. Daher benötigt eine Wärmepumpe elektrischen Strom. Aus einem Teil elektrischer Energie erzeugt sie dann aber ein Vielfaches an nutzbarer Heizenergie – dank der Wärmeenergie aus Grundwasser, Erdreich oder Luft. So können beispielsweise zwei Drittel der Heizenergie aus der Umgebungswärme stammen und nur ein Drittel aus elektrischer Energie. Manche Wärmepumpen sind sogar noch effizienter. Damit übertreffen sie jeden Verbrennungsofen und auch einfache Elektroheizungen, die elektrisch zugeführte Energie eins zu eins in Gebäudewärme umwandeln.

Generell gilt: Je geringer der Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle und gewünschter Heiztemperatur, desto effizienter arbeitet eine Wärmepumpe. Denn fällt die Temperaturdifferenz klein aus, bedeutet das weniger Arbeit für den Kompressor. Schließlich muss das Gas im Kreislauf nicht so stark verdichtet werden und das spart elektrische Energie. Günstig, aber nicht zwingend, sind demzufolge Anlagen mit großflächigen Heizkörpern – also etwa Fußbodenheizungen –, die mit einer niedrigen Vorlauftemperatur arbeiten. Stammt der Strom für den Betrieb dann noch aus erneuerbaren Energien, läuft die Wärmepumpe sogar klimaneutral.