Verschiedene Arten der Wärmepumpe im Überblick

Die Energiewende schreitet unaufhörlich voran und wird klassische Heizsysteme schon bald in Vergessenheit geraten lassen. So steht bei Neuinstallationen nicht mehr die maximale Leistung, sondern inzwischen die Energieeffizienz und der Wirkungsgrad der Anlage im Mittelpunkt des Interesses. Die Wärmepumpe gilt innerhalb dieser Entwicklung als Musterbeispiel. Doch welche Arten an Wärmepumpen gibt es eigentlich?

Die drei hauptsächlichen Arten der Wärmepumpen

Alle Wärmepumpen-Arten entziehen ihrer Umwelt Wärmeenergie und transportieren sie in den Wohnbereich. Zu unterscheiden sind hierbei drei wesentlichen Bauformen, die für die Heizungsanlage in Privathaushalten verwendet werden.

Luftwärmepumpen

Die Luftwärmepumpe ist das einzige Modell, das oberirdisch wirkt: Sie nutzt die Wärme der Umgebungsluft und leitet sie direkt oder über ein wassergeführtes Zwischenspeichersystem in die Wohnräume. Da hierfür keine Bohrarbeiten durchgeführt werden müssen, ist diese Pumpe in der Anschaffung erheblich günstiger als die anderen Wärmepumpen-Arten. Die Bauweise ist für die niedrige durchschnittliche Jahresarbeitszahl (JAZ) von 2,9 mitverantwortlich, die im Wesentlichen die Energieeffizienz der Technologie widerspiegelt und eine Schlüsselrolle bei der Beantragung potentieller Fördermittel übernimmt.

Erdwärmepumpen

Bei Erdwärmepumpen pendelt sich der JAZ-Wert dagegen um 3,9 ein. Was kaum verwundern kann, da sie ihre Energie aus Erdkollektoren gewinnen, die bis zu 100 Meter tief im Erdboden platziert werden. Damit repräsentieren sie die Idealvariante für gut isolierte Eigenheime mit Niedrigtemperaturheizungen. Bei Minusgraden benötigen sie aber dennoch die Unterstützung leistungsstarker Sekundärsysteme, was zurzeit noch mit elektrischen Thermoelementen realisiert wird. Auf lange Sicht dürfte es für Eigenheimbesitzer daher günstiger sein, die zusätzliche Nutzwärme mithilfe von Solaranlagen zu generieren.

Grundwasserwärmepumpen

In Gegensatz zu den anderen Arten der Wärmepumpe können Grundwasserpumpen wiederum auch heute schon als Einzelsystem wirken. Sobald die Grundvoraussetzungen (Bohrerlaubnis, Wassergeschwindigkeit, -qualität und -tiefe) erfüllt sind, erzeugen sie genügend Energie für die Warmwasserbereitung und alle gängigen Flächenheizungen, etwa Fußbodenheizungen. Ihre durchschnittliche JAZ schwankt um den Wert 5, womit sie die höchste Energieeffizienz aller Wärmepumpen aufweist.

Kompression von Kältemitteln

Wärmepumpen nutzen invertierte Kühlkreise, die unter anderem auch in Klimaanlagen und Kühlschränken Anwendung finden. Es handelt sich hierbei um ein unter Druck stehendes System, das Wärme in Form von Kälteenergie zwischenspeichert und zum benötigten Zeitpunkt wieder freisetzt. Die Hersteller verwendeten dafür in früheren Zeiten meist Fluorkohlenwasserstoffe (FKW), die die Ozonschicht schädigen und in Deutschland daher mittlerweile nicht mehr zulässig sind. So wird heute auf Ammoniak, Kohlenwasserstoffe, Kohlendioxid oder einfaches Wasser zurückgegriffen.

Bei der Kompressionswärmepumpe muss das Kältemittel so gewählt sein, dass es bei möglichst niedrigen Temperaturen verdampft. Schließlich wird mit der gewonnenen Wärmeenergie ein Kompressor angetrieben, der das Gas stark verdichtet und damit aufheizt. Im zweiten Abschnitt der Anlage wird das Rohrsystem dann durch den Wassertank geführt, der die Heizung speist. Die gespeicherte Wärme wird hier vollständig freigesetzt, sodass das Kältemittel wieder flüssig und zum Kompressor zurückgeleitet wird. Der Vorteil bei dieser Art der Wärmegewinnung ist ihr geringer Platzbedarf. Die Kompressionswärmepumpe stellt aus diesem Grunde die bevorzugte Bauform für die Nutzung in Privathäusern dar. Nachteilig wirkt sich aus, dass der Kompressor mit Strom betrieben werden muss. Der Wirkungsgrad der Anlage leidet so stark darunter, dass sich das Heizungswasser nur auf maximal 55 °C erwärmen lässt. Dafür lässt sie sich aber mit Luft-, Grundwasser- und Geothermie betreiben.

Spezialfall: Kompressionswärmepumpe auf Brauchwasser-Basis

Die Brauchwasserpumpe unterscheidet sich hiervon dadurch, dass sie lediglich die Abwärme des Gebäudes nutzt, um die Warmwasserversorgung zu gewährleisten. Dies geschieht über ein zentrales Lüftungssystem und fast ausschließlich in den Kellerräumen, wo neben dem Heizkessel meist auch elektrische Geräte wie Waschmaschinen und Trockner installiert werden. Sie alle produzieren im Nebeneffekt auch immer etwas Wärme, die für gewöhnlich wirkungslos verpufft. Die Brauchwasserpumpe nutzt etwa 66 Prozent davon und hat sich somit als ideale Ergänzung zu Photovoltaikanlagen etabliert: Die Solarmodule tragen in der Heizsaison die Hauptlast, während die Wärmepumpe nur wenig elektrische Energie benötigt, um den Warmwasserbedarf zu decken. Die Anlage ist im Vergleich sehr günstig und rentiert sich dementsprechend schnell. Der Standort sollte in direkter Nähe zum Trockner und der Waschmaschine gewählt werden, um möglichst viel von deren Abwärme nutzen zu können. Auf diese Art lässt sich zudem die Luftfeuchtigkeit im Waschkeller deutlich absenken.

Die Absorptionstechnik

Im Vergleich zu den anderen Arten der Wärmepumpe sticht die Absorptionstechnik durch den Umstand heraus, dass sie wesentlich mehr Nutzwärme zur Verfügung stellt und somit selbst traditionelle Heizungsanlagen mit Vorlauftemperaturen über 70 Grad speisen kann. Die Absorptionswärmepumpe nutzt dafür mit einer verdünnten Ammoniaklösung ein ebenfalls umweltfreundliches Kältemittel, das durch die gewonnene Wärme verdampft und von einem wasserlöslichen Feststoff aufgesaugt (absorbiert) wird. Die Bewegungsenergie der Ammoniaklösung wird dadurch in Wärme umgewandelt und dem Heizsystem zugeführt. Die Absorptionswärmepumpe setzt die temporäre Verbindung anschließend unter Druck und löst sie mithilfe eines Gasbrenners wieder. Das Kältemittel ist nun wieder flüssig und der Kreislauf startet erneut.

Derartige Pumpen erfreuen sich zunehmender Beliebtheit, da Erdbohrungen hierfür nur bis zu der Tiefe von 50 Metern ausgeführt werden müssen und nur wenige bewegliche Teile im Einsatz sind. Aus diesem Grunde operieren sie fast wartungsfrei und erzielen mit 165% einen sehr hohen Wirkungsgrad. Stark vereinfacht könnte man auch sagen: Absorptionspumpen vereinen die Umweltfreundlichkeit erneuerbarer Energien mit der ständigen Verfügbarkeit klassischer Gasheizungen.

Sie sind im Übrigen nicht mit Adsorptionspumpen zu verwechseln. Hierbei handelt es sich um die direkte Vorgänger-Technologie, bei der sich das Sorptions- und Kältemittel nicht miteinander vermischten. Sie haften lediglich aneinander und können so nur einen Teil der gewonnenen Wärme speichern. Der Wirkungsgrad der Pumpen überstieg daher selten den Wert von 125 Prozent, sodass sie inzwischen zum Auslaufmodell degradiert wurden.

Sind womöglich zu viele Arten der Wärmepumpe im Umlauf?

Die gängigen Arten solcher Pumpen für Privathaushalte sind damit erläutert. Da sich daneben aber auch Modelle auf dem Markt halten, die Thermoelektrizität, das „Tunneling“-Verfahren (Wärmegewinnung durch Querschnittverengung) oder den magnetokalorischen Effekt (Temperaturschwankungen durch Richtungsänderungen magnetischer Feldlinien) nutzen, muss die Frage erlaubt sein, ob sich die Branche in ihrer eigenen Produktpalette nicht langsam zu verheddern droht. Das wirkt auf den ersten Blick tatsächlich so. Dabei darf aber nicht außer Acht gelassen werden, dass die Pumpen zahlreichen Ansprüchen genügen müssen: Luft-Luft-Pumpen kommen fast ausschließlich in Lüftungs- und Klimaanlagen großer Gebäude zum Einsatz.

In Niedrigenergiehäusern dominiert die Kombination aus Solarenergie und Grundwasserpumpe inklusive Warmwasseraufbereitung. Daneben übernimmt die Technik im Fernwärmenetz eine Schlüsselrolle: Sie operiert zumeist im Megawatt-Bereich und dient dort als Sekundärsystem großer Windparks. Bei Windstille schalten sich die Pumpenanlagen automatisch zu und erhöhen damit die Effizienz erneuerbarer Energiequellen. Pumpen dieser Größenordnung speisen zudem nicht selten ganze Industrieparks, indem sie Flüsse, Seen und Meere als Wärmequelle nutzen. Alle Pumpen erfüllen somit ihren spezifischen Zweck, ergänzen und beeinflussen sich aber wiederum gegenseitig in ihrer Entwicklung, was letzten Endes dem Verbraucher zugutekommen wird. Die Einsatzmöglichkeiten der Technologie gehen also weit über Eigenheime hinaus. Für den Endverbraucher sind aber nur die hier detailliert vorgestellten Arten und Bauformen relevant.