Wärmepumpen erreichen Leistungszahlen von 4 bis 5, das bedeutet: Für jede eingesetzte Kilowattstunde Strom liefern wir das Vier- bis Fünffache als nutzbare Wärme. Diese beeindruckende Effizienz macht die Wärmepumpe Funktionsweise so revolutionär. Dabei wandelt die Technologie Umweltenergie in Heizleistung um und senkt den CO2-Ausstoß im Vergleich zu konventionellen Heizsystemen auf rund die Hälfte. In diesem Artikel erklären wir, wie der Kältemittelkreislauf funktioniert, welche Unterschiede zwischen Luft-Wasser-Wärmepumpe Funktionsweise und Sole-Wasser-Wärmepumpe Funktionsweise bestehen und welche physikalischen Prinzipien dahinterstecken.
Die Anfänge: Vom Kühlschrank zur Heizung (1777-1852)
William Cullens Entdeckung 1777
Die Grundlagen der Wärmepumpe Funktionsweise entstanden in einem schottischen Labor. William Cullen, Mediziner und Chemiker an der University of Glasgow, führte 1755 das erste dokumentierte Experiment zur künstlichen Kälteerzeugung durch. In einem Glaskolben brachte er flüssigen Diethylether durch Unterdruck zum Verdampfen. Der Umgebung wurde dabei Wärme entzogen, und als der Kolben abkühlte, gefror das Wasser daran zu Eis.
Cullens Versuchsaufbau war simpel, aber wirkungsvoll. Durch das Abpumpen der Gasphase aus Luft und Etherdampf verdunstete die Flüssigkeit und kühlte sich ab. Dieser Prozess zeigte erstmals, dass Verdunstung eine messbare Kühlwirkung erzeugt. Allerdings gab es anfänglich noch keine Nutzanwendungen für diese Entdeckung. Die Kälteerzeugung blieb zunächst ein wissenschaftliches Kuriosum ohne praktischen Zweck.
Jacob Perkins erste Kühlmaschine 1834
Fast acht Jahrzehnte vergingen, bis aus Cullens Experiment eine funktionierende Maschine wurde. Jacob Perkins, ein amerikanischer Erfinder, der 1819 nach England ausgewandert war, entwickelte die erste Kältemaschine mit einem geschlossenen Dampfkompressionsprozess. Am 14. August 1834 meldete er sein britisches Patent Nr. 6662 “Apparatus for Producing Ice and Cooling Fluids” an, das am 14. Februar 1835 erteilt wurde.
Der entscheidende Unterschied zu Cullens offenem System: Perkins nutzte einen geschlossenen Kreislauf mit Ether als Kältemittel. John Hague, ein Ingenieur und Mitarbeiter von Perkins, baute das Gerät nach den Patentzeichnungen. Die Anlage war klein und kompakt, auf einer Holzbasis montiert, etwa fünf Fuß lang und zwei bis zweieinhalb Fuß breit. An einem Ende befand sich eine ummantelte Kupferpfanne. Im Inneren befand sich Wasser zum Gefrieren, während im Mantel die flüchtige Flüssigkeit und ihr Dampf zirkulierten.
Obwohl die Maschine funktionierte und zur Eisherstellung eingesetzt wurde, fand sie zunächst wenig Beachtung. Die kommerzielle Verwertung ließ auf sich warten. Erst Alexander Twining, dessen erste Versuche bereits 1848 begannen, und James Harrison, der 1851 eine mechanische Eismaschine baute, brachten die Dampfkompressions-Kältetechnik in die praktische Anwendung.
William Thomsons Vision 1852
Die Wende vom Kühlen zum Heizen vollzog sich theoretisch im Jahr 1852. William Thomson, später bekannt als Lord Kelvin, veröffentlichte eine Abhandlung über Kältemaschinen. Darin beschrieb er als Erster die theoretische Grundlage für die Wärmepumpe Funktionsweise: Wärme kann allein durch Energiezufuhr vom kalten in den warmen Bereich fließen.
Thomsons entscheidende Erkenntnis lag in der Umkehrung des Prozesses. Diese Kältemaschinen würden sich in umgekehrter Weise hervorragend zum Heizen eignen. In seinen Forschungen über die “Heating Machine” zeigte Thomson, dass diese Heizmaschinen wesentlich weniger Primärenergie einsetzen mussten als eine herkömmliche direkte Heizung. Die theoretische Basis für die Sole-Wasser-Wärmepumpe Funktionsweise und Luft-Wasser-Wärmepumpe Funktionsweise war damit gelegt.
Die erste praktische Umsetzung folgte bereits ein Jahr später. Peter Ritter von Rittinger baute 1853 eine Anlage zum Abdampfen von Salzsole. Das Verfahren erbrachte eine Energieersparnis von 80 Prozent gegenüber dem herkömmlichen Eindampfprozess mit Holz. Damit war bewiesen: Das Prinzip funktionierte nicht nur in der Theorie, sondern lieferte messbare Effizienzgewinne in der industriellen Praxis.
Das physikalische Prinzip der Wärmepumpe
Wärmeübertragung bei niedrigen Temperaturen
Wärme fließt stets vom wärmeren zum kälteren Ort. Dieses fundamentale Gesetz der Thermodynamik bildet die Grundlage der Wärmepumpe Funktionsweise. Entsprechend dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik erfolgt die Wärmeübertragung immer in Richtung der Orte mit tieferen Temperaturen. Dabei unterscheiden wir drei Übertragungswege: Wärmeleitung durch mechanische Berührung, Konvektion als Mitführen thermischer Energie in einem strömenden Medium und Wärmestrahlung durch elektromagnetische Wellen.
Bei der Wärmeleitung wird kinetische Energie zwischen benachbarten Teilchen übertragen, ohne dass Material mittransportiert wird. Die Wärmeströmung hingegen führt thermische Energie als innere Energie oder Enthalpie mit sich. Wärmestrahlung erfolgt mit elektromagnetischen Wellen, vor allem mit Wellen aus dem infraroten Spektrum, und ist die einzige Wärmeübertragung, die fähig ist, ein Vakuum zu durchdringen.
Der Wärmeübergangskoeffizient gibt Auskunft zur Fähigkeit von Gasen oder Flüssigkeiten, Energie von der Oberfläche eines Stoffes abzuführen oder an sie abzugeben. Gleichwohl muss die Temperatur der Wärmequelle immer höher sein als die Verdampfungstemperatur des Kältemittels, damit ein Temperaturgradient vorhanden ist, der für eine Wärmeübertragung erforderlich ist.
Der Carnot-Prozess als theoretische Grundlage
Nicolas Léonard Sadi Carnot formulierte 1824 ein Gedankenexperiment über eine Wärmekraftmaschine, das zum Grundstein der sich in der Folge entwickelnden Thermodynamik wurde. Der Carnot-Prozess beschreibt, wie mithilfe von Wärme mechanische Arbeit oder umgekehrt erzeugt wird. Dabei steht ein Gas wechselweise mit einem Wärmereservoir von konstant hoher Temperatur zur Aufnahme von Wärme und einem Kältereservoir mit konstant niedrigerer Temperatur zur Abgabe von Wärme in Kontakt.
Der Prozess ist als ideale Wärmekraftmaschine oder als ideale Wärmepumpe denkbar. Im Wärmepumpen-Prozess kann die gewonnene Arbeit verlustfrei eingesetzt werden, um die beim Wärmekraft-Prozess an das kalte Wärmereservoir abgegebene Wärme zusammen mit der in Wärme umgewandelten Antriebsarbeit in das heiße Wärmereservoir wieder hochzupumpen. Aufgrund dieser Umkehrbarkeit wird der Prozess als reversibel bezeichnet.
Der Wirkungsgrad ergibt sich theoretisch als Kehrwert des Wirkungsgrads des Carnot-Prozesses, folglich ist für die Wärmepumpe dieser Wert wesentlich größer als eins. Die Formel lautet: η = Th / (Th – Tc), wobei Th die Temperatur des heißen Reservoirs und Tc die Temperatur des kalten Reservoirs darstellt. Beispielsweise verwenden wir die Temperatur des Erdbodens in einigen Metern Tiefe, die in Deutschland der mittleren Jahrestemperatur von 8,5 °C entspricht. Als Th verwenden wir die Vorlauftemperatur einer Fußbodenheizung von 40 °C. Mit den entsprechenden Kelvin-Temperaturen erhalten wir einen theoretischen Wirkungsgrad von η = 313,15 / 31,5 ≈ 10.
Praktisch wird für die gegebenen Temperaturen nur ein Wirkungsgrad zwischen 3 und 5 erreicht, da alle Reibungsverluste außerhalb des Wohnraums Wärmeverluste darstellen. Die theoretische Leistungszahl einer reversibel arbeitenden Wärmepumpe ist entsprechend dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik begrenzt durch den Kehrwert des Carnot-Wirkungsgrads. Mehr zum Thema Carnot Prozess: https://de.wikipedia.org/wiki/Carnot-Prozess
Warum funktioniert Heizen bei Minusgraden?
Das Kältemittel besitzt einen sehr niedrigen Siedepunkt und verdampft bereits bei Temperaturen weit unter 0 °C. Durch den niedrigen Siedepunkt, der bei Propen (R290) beispielsweise bei -42,1 °C liegt, funktioniert das auch bei extremer Kälte. Die Wärmepumpe senkt im Verdampfer gezielt den Druck des Kältemittels ab. Durch diesen niedrigen Druck kühlt das Kältemittel auf eine Temperatur, die deutlich unter der Außentemperatur liegt. Herrschen draußen beispielsweise -5 °C, kühlt das Kältemittel auf unter -20 °C ab.
Selbst wenn die Außenluft eiskalt ist, enthält sie noch nutzbare Wärmeenergie. Da das Kältemittel kälter als die Umgebungsluft ist, nimmt es diese Energie auf und verdampft dabei. Die Umgebungsluft hat immer Wärmeenergie, solange die Temperatur über dem absoluten Nullpunkt (-273,15 °C) liegt. Die Wärmepumpe kann der Außenluft problemlos noch bei Außentemperaturen unter -20 °C Energie entziehen.
Je nach eingesetztem Kältemittel liegt der Siedepunkt zwischen minus 25 und minus 40 Grad Celsius. Mittlerweile können Hochleistungswärmepumpen bis rund minus 30 Grad Celsius arbeiten. Bei extrem niedrigen Temperaturen benötigen Luft-Wasser-Wärmepumpen mehr Strom, um die Umweltenergie in Wärme umzuwandeln. Dadurch sinkt die Effizienz der Wärmepumpe in diesem Zeitraum. Ebenso erreichen Systeme, die Erdwärme oder Grundwasser nutzen, über das Jahr hinweg gleichmäßigere Werte, da ihre Quellen konstant temperiert sind.
So funktioniert eine Wärmepumpe: Der Kältemittelkreislauf in 4 Schritten
Im Inneren jeder Wärmepumpe läuft ein geschlossener Kreisprozess ab, bei dem ein Kältemittel kontinuierlich zwischen flüssigem und gasförmigem Zustand wechselt. Dieser Prozess basiert auf dem Carnot-Prozess und gliedert sich in vier aufeinanderfolgende Schritte. Zwischen den Hauptkomponenten – Verdampfer, Verdichter, Verflüssiger und Expansionsventil – zirkuliert das Kältemittel in einem geschlossenen Kreislauf.
Schritt 1: Verdampfer nimmt Umweltwärme auf
Der Verdampfer bildet den Startpunkt des Kältemittelkreislaufs. In der Wärmequellenanlage strömt die aufgenommene Umweltwärme zum Verdampfer, wo sie auf das flüssige Kältemittel trifft. Das Kältemittel verdampft bereits bei sehr niedrigen Temperaturen. Dadurch kann die Wärmepumpe auch bei Frost Wärme aus der Umgebung aufnehmen.
Bei der Luft-Wasser-Wärmepumpe Funktionsweise wird das Kältemittel über einen Ventilator und Wärmetauscher mit der Außenluft in Kontakt gebracht. Bei der Sole-Wasser-Wärmepumpe Funktionsweise hingegen nimmt eine Flüssigkeit Umweltwärme auf, beispielsweise aus Erde oder Grundwasser. In der Regel handelt es sich dabei um ein Wasser-Frostschutz-Gemisch, eine sogenannte Sole, die die aufgenommene Wärme über Wärmetauscher an den eigentlichen Wärmepumpenprozess abgibt.
Das Kältemittel hat vor dem Kontakt mit der Wärmequelle eine Temperatur von -5 bis -10 °C. Durch die zugeführte Umweltwärme erwärmt es sich und verdampft bei niedrigem Druck. Die Flüssigkeit wird gasförmig und dehnt sich aus. Die Umgebungstemperatur des Verdampfers muss dabei stets höher sein als die dem Druck entsprechende Siedetemperatur des Kältemittels.
Schritt 2: Verdichter erhöht Druck und Temperatur
Das nun gasförmige Kältemittel gelangt zum Verdichter, auch Kompressor genannt. Der Verdichter saugt das gasförmige Kältemittel kontinuierlich an. Unter hohem Druck wird es stark komprimiert. Dabei steigt die Temperatur des Dampfes bis auf rund 70 °C an.
Der elektrisch angetriebene Verdichter verdichtet das dampfförmige Kältemittel von einem niedrigen Anfangsdruck zu einem hohen Enddruck. Während der Kompression erhöht sich dessen Temperatur. Dieser Druck- und Temperaturanstieg macht die vom Verdampfer aufgenommene Umweltwärme für Heizzwecke nutzbar. Je höher die gewünschte Temperatur sein soll, desto mehr Strom verbraucht der Verdichter.
Die Verdichtung durch den Kompressor ist für den Großteil des Stromverbrauchs der Wärmepumpe verantwortlich. Während der Kompressor ständig weiteres Kältemittel aus dem Verdampfer absaugt, verdampft die Flüssigkeit weiter und die Temperatur steigt deutlich höher als die Verdampfungstemperatur unter niedrigem Druck.
Schritt 3: Verflüssiger gibt Wärme an Heizsystem ab
Im dritten Schritt überträgt das komprimierte, erhitzte Kältemittel seine Wärme auf den Heizungskreislauf. Dies geschieht im Verflüssiger, auch Kondensator genannt. Wenn das vom Kompressor kommende heiße Kältemittel mit hohem Druck in den Kondensator strömt, gibt das Kältemittel seine Wärme an das Heizwasser ab.
Der überhitzte Dampf tritt in den Verflüssiger ein, wird durch die kältere Oberfläche des Wärmetauschers auf Verflüssigungstemperatur abgekühlt und kondensiert. Das vorher gasförmige Kältemittel ist nun wieder flüssig, steht aber weiterhin unter Druck. Dabei kühlt es auf eine bestimmte Temperatur herunter, wodurch sich der Dampf verflüssigt.
Nach der Verflüssigung wird das Kondensat noch weiter gekühlt, um Dampfblasen vor dem Expansionsventil zu vermeiden. Die Wärmemenge, die der Verflüssiger auf das Heizmedium überträgt, ist in etwa die Summe der Wärme, die im Verdampfer aufgenommen wurde, plus der vom Verdichter aufgenommenen elektrischen Energie. Durch das Heizsystem im Gebäude zirkuliert Wasser, das die Wärme aufnimmt und an Flächenheizungen, Heizkörper oder einen Pufferspeicher für Heizung oder Warmwasser leitet.
Schritt 4: Expansionsventil senkt den Druck
Das verflüssigte Kältemittel muss sowohl an Temperatur als auch an Druck verlieren, um wieder in seinen ursprünglichen Zustand zurückzukehren. Das Expansionsventil reguliert den Fluss des Kältemittels und sorgt dafür, dass die Wärmepumpe unter verschiedenen Bedingungen optimal arbeitet.
Wenn das Kältemittel durch das Expansionsventil strömt, verringert sich der Druck schlagartig und das Kältemittel kühlt ab. Das Bauteil verringert den Druck auf das Kältemittel, wodurch sich dieses ausdehnt und vollends verflüssigt. Durch die Ausdehnung sinkt zudem das Temperaturniveau des Kältemittels, sodass es im Verdampfer erneut Energie aufnehmen kann.
Im Anschluss wird der Druck des Kältemittels über ein Expansionsventil wieder verringert, wodurch seine Temperatur nochmals stark absinkt. Das entspannte, flüssige und abgekühlte Kältemittel wird nun zum Verdampfer zurückgeführt, wo es erneut Umweltwärme aufnehmen kann. Der Kreislauf beginnt von vorn.
Luft-Wasser-Wärmepumpe Funktionsweise
Außenluft als Wärmequelle
Bei der Luft-Wasser-Wärmepumpe Funktionsweise dient die thermische Energie der Außenluft als Wärmequelle. Ein integrierter Ventilator saugt kontinuierlich Umgebungsluft an und leitet sie zum Verdampfer. Die Erschließung der Luftenergie erfordert lediglich das Aufstellen des Geräts, wodurch sich der bauliche Aufwand erheblich reduziert. Im Verdampfer trifft die angesaugte Luft auf das Kältemittel, das aufgrund seiner thermischen Eigenschaften bereits bei geringer Temperatur seinen Aggregatzustand ändert.
Da die Lufttemperatur nicht konstant ist, sondern sich mit der Jahreszeit verändert, entstehen Temperaturunterschiede, die das System ausgleichen muss. Je kälter die angesaugte Außenluft ist, desto stärker muss das Kältemittel erhitzt werden, damit das Heizungswasser die benötigte Vorlauftemperatur erreicht. Rund 75% der Energie bezieht die Wärmepumpe aus der Umwelt, lediglich weitere 25% müssen durch zusätzlichen Strom hinzugeführt werden. Moderne Systeme erreichen einen Coefficient of Performance (COP) von bis zu 4,0 bei zwei Grad Celsius Außentemperatur und 35 Grad Celsius Vorlauftemperatur.
Monoblock vs. Split-Bauweise
Luft-Wasser-Wärmepumpen sind die einzige Wärmepumpenart, die es in zwei Bauformen gibt. Bei Monoblock-Wärmepumpen befinden sich alle wichtigen technischen Komponenten des Wärmegewinnungs-Prozesses einschließlich des gesamten Kältemittelkreislaufs in einem einzigen Gerät. Die gewonnene Umweltwärme wird anschließend über gut isolierte Wasserleitungen direkt ins Haus geführt. Die Installation ist einfach und kostengünstig, da der Kältekreislauf hermetisch geschlossen ab Werk kommt und der Installateur keinen Sachkundenachweis für die Montage vor Ort benötigt.
Allerdings muss bei sehr langen Zuleitungen und extremen klimatischen Verhältnissen eine gewisse Einfriergefahr der Leitungen in Kauf genommen werden. Moderne Geräte besitzen jedoch einen integrierten Frostschutz durch Abtauautomatik oder Frostschutzventile.
Im Gegensatz dazu wird bei der Split-Bauweise der Kältekreislauf auf zwei Geräte aufgeteilt. Die Außeneinheit umfasst in der Regel den Verdampfer, den Verdichter sowie das Expansionsventil. Die Wärme wird zunächst über Kältemittelleitungen ins Gebäude geleitet und erst in der Inneneinheit an das Heizsystem abgegeben. Diese Bauweise bietet maximale Flexibilität bei der Platzierung der Komponenten. Zudem friert das Kältemittel in den Außenleitungen nicht ein. Die Kältemittelleitungen müssen allerdings von einem Kältemittelfachmann erstellt werden und je nach Distanz zwischen Außen- und Inneneinheit regelmäßig durch eine qualifizierte Fachperson kontrolliert werden.
Abtauen bei Minustemperaturen
Im Herbst und Winter kann es bei Luftwärmepumpen durch niedrige Außentemperaturen und hohe Luftfeuchtigkeit ganz natürlich zur Vereisung des Verdampfers kommen, weil sich Wasserdampf an der kalten Fläche absetzt und dort gefriert. Eine leichte Reif- oder Eisbildung ist ein normaler physikalischer Vorgang und tritt besonders bei Temperaturen um den Gefrierpunkt auf. Reif entsteht immer dann, wenn die Oberfläche der Wärmepumpe kälter ist als der Taupunkt der Luft. Oft bei Temperaturen zwischen +5 °C und -5 °C.
Wächst die Eisschicht auf dem Verdampfer, erhöht sich der Wärmewiderstand und der Luftdurchsatz sinkt. Dadurch nimmt die Leistungsfähigkeit und Effizienz der Wärmepumpe ab. Luftwärmepumpen starten den Abtauprozess in der Regel automatisch, sobald sich eine Eisbildung bemerkbar macht. Dazu schaltet das Vier-Wege-Ventil in den Umkehrmodus und der Kompressor arbeitet mit hoher Leistung. Dabei heizt die Anlage nicht aktiv das Gebäude, sondern überträgt die Wärme vom Heizungswasser auf das Kältemittel in der Außeneinheit, um mit dem heißen Kältemittelgas das Eis zu schmelzen.
Die Abtauung wird normalerweise durch Sensoren und Steuerungseinheiten gesteuert, die Betriebsbedingungen wie Temperatur, Druck und Frostbildung überwachen. Um zu verhindern, dass die Wärmepumpe im Winter ständig im Abtauprogramm läuft, gibt es eine sogenannte Sperrzeit, die nach dem Abtauen beginnt und je nach System beispielsweise 30 Minuten dauert. Allein infolge von Abtauvorgängen kann die Winter-Effizienz grob 8 bis 15 Prozent niedriger ausfallen. Bei Luft-Wasser-Wärmepumpen liegt der COP-Wert an kalten Wintertagen um minus 7 °C bei gut ausgelegten Anlagen mit niedrigen Vorlauftemperaturen häufig grob bei 2,7 bis 3,0.
Sole-Wasser-Wärmepumpe Funktionsweise
Die Sole-Wasser-Wärmepumpe Funktionsweise basiert auf Erdwärme, die unterhalb der Erdoberfläche gespeichert ist. Eine Trägerflüssigkeit aus Wasser und Frostschutzmittel, die sogenannte Sole, zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf durch Erdreich und Wärmepumpe. Diese Wärmeträgerflüssigkeit nimmt die thermische Energie der Erde auf und transportiert sie zur Wärmepumpe ins Gebäude. In der Wärmepumpe wird die gesammelte Energie an das Kältemittel abgegeben und durchläuft anschließend den bereits beschriebenen Verdichtungsprozess.
Erdwärme über Sonden und Kollektoren
Zur Erschließung der Erdwärme stehen zwei grundsätzlich unterschiedliche Systeme zur Verfügung. Erdwärmesonden werden vertikal oder schräg in den Boden eingelassen. In einer Tiefe von 40 bis 100 Metern nimmt die Sole die Erdwärme auf und leitet sie an einen Wärmetauscher weiter. Bei Flächenkollektoren hingegen werden die Rohrleitungen horizontal in einer Tiefe von etwa 1,2 bis 1,5 Metern verlegt. Diese Systeme decken eine weitläufige Fläche unterhalb der Erdoberfläche ab.
Der Platzbedarf unterscheidet sich erheblich zwischen beiden Varianten. Flächenkollektoren benötigen ungefähr die doppelte Quadratmeterzahl der zu beheizenden Fläche. Bei einer Wohnfläche von 200 Quadratmetern beträgt der Platzbedarf für die Installation folglich etwa 400 Quadratmeter. Erdwärmesonden hingegen kommen mit rund 20 Quadratmetern aus. Bei trockenem, sandigem Boden kann die Entzugsleistung des Kollektors zwischen 10 und 15 Watt pro Quadratmeter liegen, während sie bei Grundwasser führendem Boden bis zu 40 Watt pro Quadratmeter erreicht.
Die Entzugsleistung von Erdwärmesonden liegt zwischen 30 und 100 Watt pro Meter Sondenlänge. Für ein modernes Einfamilienhaus wird dabei eine Sondenlänge von 150 Metern benötigt, die in der Regel auf verschiedene Bohrungen aufgeteilt wird. Grabenkollektoren stellen eine platzsparende Alternative dar und ermöglichen eine Entzugsleistung von bis zu 100 Watt. Für ein Einfamilienhaus genügen dabei Gräben mit einer Gesamtlänge von rund 80 Metern.
Konstante Temperaturen im Erdreich
Ab einer Tiefe von 10 Metern bleibt die Bodentemperatur über das Jahr hinweg praktisch unverändert und liegt bei etwa 10 Grad Celsius. Bis zu einer Tiefe von 100 Metern steigen die Temperaturen im Mittel auf 15 Grad Celsius an. In einer Tiefe von 150 bis 250 Metern beträgt die Temperatur das ganze Jahr über zwischen 14 und 16 Grad. Diese konstante Wärmequelle ermöglicht es Sole-Wasser-Wärmepumpen, auch bei sehr niedrigen Außentemperaturen effizient zu arbeiten.
In 100 Metern Tiefe herrscht ganzjährig eine Temperatur von ungefähr 10 Grad Celsius. Bei 300 Metern erreicht sie circa 20 Grad Celsius. Der Temperaturbereich in tieferen Schichten liegt in der Regel bei rund 8 bis 12 Grad Celsius. Diese weitestgehend konstante Erdwärme macht Sole-Wasser-Wärmepumpen zu einer effektiven Alternative im Bereich der Wärmepumpentechnologie.
Schweizer Pionierleistung: Die ersten Erdwärmesonden
Die Schweiz spielte eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung der Erdwärmesondentechnik. Jürg Rechsteiner war der Schweizer Pionier beim Übergang von horizontalen Erdkollektoren zu vertikalen Erdwärmesonden. Er rammte seine ersten koaxialen Stahlsonden bereits 1974 in den sandigen Boden von Lustenau im Vorarlberg. Häufige Leckagen zwischen den 2,5 Meter langen Sondenelementen ruinierten allerdings zunächst den Ruf dieser Technik.
Daraufhin entwickelte Rechsteiner die erste U-Rohr-Erdwärmesonde aus Polyethylen. Bereits 1980 erfolgte der Bau einer ersten Wärmepumpenanlage mit Doppel-U-Sonden aus Polyethylen für ein Einfamilienhaus in Arbon. Die Bohrtiefe lag in den Anfängen bei 50 Metern und erreichte ab 1985 über 100 Meter. Rechsteiners Erfindung wurde seither weltweit tausendfach kopiert und ist gegenwärtig die Standardlösung für Erdwärmesonden. Die Lebensdauer einer Erdsonde ist nahezu unbegrenzt.
Durchbruch und Weiterentwicklung (1938-1990)
Züricher Rathaus-Wärmepumpe 1938
1938 markierte einen internationalen Meilenstein in der praktischen Anwendung der Wärmepumpe Funktionsweise. Das Zürcher Rathaus erhielt eine der ersten großen Wärmepumpen weltweit. Der Grund war zunächst profan: Bis dahin wurden die Räume des ehrwürdigen Baus einzeln mit Holzöfen beheizt. Um diese durch eine zentrale Kohleheizung zu ersetzen, fehlte der Platz für die Lagerung des Brennstoffs. Das Rathaus steht in der Limmat und hat keinen Keller.
Die installierte Anlage nutzte das Wasser der Limmat mit einer mittleren Temperatur von 7 Grad während der Heizperiode als Wärmequelle. Das Flusswasser wurde um etwa 1,5 Kelvin abgekühlt, die nominale Wärmeleistung betrug 100 Kilowatt. Es wurde eine Heizungsvorlauftemperatur von 60 Grad Celsius erreicht. Als Novum für ganz Europa konnte die Anlage im Sommer auch zur Kühlung eingesetzt werden. Diese historische Wärmepumpe beheizte das Rathaus während 63 Jahren bis ins Jahr 2001. Nach mehrfacher Revision wurde sie durch eine neue Anlage ersetzt, wird aber weiterhin während einer Stunde pro Woche betrieben, um sie am Leben zu erhalten.
Kriegszeit und Energieknappheit
Während und nach dem Ersten Weltkrieg litt die Schweiz an stark erschwerten Energieimporten. Schon um 1918 begann eine ernsthafte Diskussion um die Einführung von Wärmepumpen zu Heizzwecken. Die Kohleknappheit vor und während des Zweiten Weltkrieges verschärfte die Situation dramatisch. Die neutrale Schweiz war vollständig von faschistisch regierten Ländern umringt.
Zwischen 1937 und 1945 wurden in der Schweiz rund 35 Wärmepumpen gebaut und in Betrieb genommen. Bis 1955 kamen noch rund 25 weitere Wärmepumpen dazu. Hauptwärmequellen waren Seewasser, Flusswasser, Grundwasser und Abwärme. Mitten im Krieg 1942 beschloss der Bundesrat, durchaus als Bekenntnis zur Unabhängigkeit, eine Wärmepumpe mit der Nutzung des Limmatwassers zu bauen. Weltweit wurden hier erstmals Wärmepumpen in ein Fernwärmenetz integriert.
Die Ölkrise als Wendepunkt 1973
Das Erdölembargo von 1973 führte zu einer erneuten Konzentration auf alternative Energien. Am 17. Oktober 1973 stieg der Ölpreis von rund 3 US-Dollar pro Barrel auf über 5 US-Dollar. Im Verlauf des nächsten Jahres stieg der Ölpreis weltweit auf über 12 US-Dollar pro Barrel. Dieser Preisanstieg begünstigte die Weiterentwicklung der Wärmepumpentechnologie enorm.
Allerdings fand der Wärmepumpenboom infolge unausgereifter Technik und erneut sinkender Erdölpreise ein abruptes Ende. Viele Gebäude eigneten sich aufgrund der schlechten Dämmung weniger gut für eine Wärmepumpe. Nach den Ölkrisen rückte diese Technologie erst einmal in den Hintergrund.
Kältemittel-Entwicklung: Von FCKW zu R290
Die ursprünglich verwendeten Kältemittel Ammoniak, Schwefeldioxid und Methylchlorid brachten aufgrund ihrer Gefährlichkeit Nachteile mit sich. Bereits zu Beginn der 1930er Jahre wurden unbrennbare und ungiftige synthetische Kältemittel entwickelt: R-11 und R-12. Diese Entwicklung war ein großer Schritt vorwärts, zumindest bis die durch Fluorchlorkohlenstoffe verursachten Umweltschäden bekannt wurden.
Nach der Entdeckung des Ozonlochs über der Antarktis wurde 1987 mit dem Montreal Protokoll der Ausstieg aus den FCKW-Kältemitteln vereinbart. Deshalb werden neuerdings Lösungen mit natürlichen Kältemitteln wie Propan, Isobutan, Ammoniak, Kohlendioxid und Kohlenwasserstoffen gesucht.
Moderne Wärmepumpentechnologie seit 1990
Ab 1990 beschleunigte sich die technische Weiterentwicklung der Wärmepumpe Funktionsweise erheblich. Drei zentrale Innovationen prägten diese Phase: die Einführung der Invertertechnik, neue Verdichtertypen und die digitale Vernetzung mit intelligenten Steuerungssystemen.
Invertertechnik und Leistungsregelung
Herkömmliche Systeme kennen nur zwei Betriebszustände: An und Aus. Sobald die Temperatur einen Schwellenwert überschreitet, schaltet sich das Gerät ein. Dieses On-Off-Prinzip bedeutet: Bei Wärmebedarf arbeiten die Anlagen unter Volllast bei 100 Prozent Leistung und schalten nach getaner Arbeit ab. Inverter-Wärmepumpen hingegen passen ihre Leistung stufenlos dem Bedarf an, sodass sie nicht mit der vollen Wärmepumpenleistung arbeiten, sondern immer nur mit der Leistung, die für das Anforderungsniveau ausreicht.
Bereits 1981 setzte Toshiba Verdichter serienmäßig mit Invertern ein. Frequenzumrichter wandeln die Netzspannung von 50 Hz erst in Gleichstrom um und erzeugen anschließend veränderliche Wechselspannungen. Die Frequenz zur Ansteuerung des Verdichters wird bei einigen Systemen auf bis zu minimal 10 Hz reduziert. Dadurch läuft der Verdichter permanent bei möglichst niedriger Drehzahl, statt ihn bei Bedarf anzuschalten, mit 100 Prozent Leistung arbeiten zu lassen und anschließend komplett auszuschalten.
Scroll- und Schraubenkompressoren
Der Scrollkompressor wurde 1905 erfunden, aber die damalige Metallgusstechnologie reichte für seine Entwicklung nicht aus. Erst in den 80er Jahren begann die kommerzielle Herstellung als Kältemittelkompressoren. Zwei sich ineinander bewegende Spiralen verdichten das Kältemittel und fördern es fort. Scrollverdichter haben weniger bewegliche Teile und damit eine längere Nutzungsdauer als andere Verdichterarten.
Schraubenverdichter bestehen aus zwei gegenläufig rotierenden Schraubenrotoren, die das Kältemittel kontinuierlich in axialer Richtung verdichten. Aufgrund des nahezu pulsationsfreien Betriebs und der hohen Effizienz werden Schraubenverdichter vor allem in großen Wärmepumpen, industriellen Kälteanlagen und Hochleistungsanwendungen eingesetzt.
Smart-Home-Integration und Fernüberwachung
Moderne Systeme verfügen über integrierte Kommunikationsmodule mit verschiedenen Protokollen: WLAN/Ethernet für direkte Internetanbindung, SG Ready-Schnittstelle für standardisierte Kommunikation mit Energiemanagementsystemen, Modbus TCP für professionelle Gebäudeautomatisierung und EEBUS-Protokoll für herstellerübergreifende Geräte-Kommunikation. Intelligente Energiemanagementsysteme analysieren Wettervorhersagen, PV-Erträge und Verbrauchsmuster, um den Betrieb optimal zu steuern.
Kombination mit Photovoltaik
Eine PV-Anlage deckt je nach Energiestandard des Gebäudes etwa 25 bis 35 Prozent des Energieverbrauchs der Wärmepumpe. Mit einem intelligenten Energie-Management-System lassen sich die Werte auf bis zu 50 Prozent steigern. In Kombination mit einem passenden Stromspeicher ist sogar eine Bedarfsdeckung von bis zu 70 Prozent möglich. Der Bezug von Hausstrom kostet etwa 30 Cent pro Kilowattstunde, während die Einspeisung von überschüssigem Strom nur etwa 6 bis 9 Cent pro Kilowattstunde bringt.
Effizienz in der Praxis: COP und Jahresarbeitszahl
Was bedeutet COP?
Der Coefficient of Performance beschreibt das Verhältnis zwischen erzeugter Heizleistung und aufgenommenem Strom unter standardisierten Laborbedingungen. Die Berechnung erfolgt durch Division der abgegebenen Heizleistung durch die elektrische Leistungsaufnahme. Ein COP von 4 bedeutet folglich, dass aus einer Kilowattstunde Strom vier Kilowattstunden Wärme entstehen. Die Messung wird bei definierten Temperaturen durchgeführt, beispielsweise bei einer Lufttemperatur von 2 Grad Celsius und einer Vorlauftemperatur von 35 °C. Dabei gilt: Je höher der COP-Wert ausfällt, desto effizienter arbeitet die Anlage.
Jahresarbeitszahl für reale Bedingungen
Während der COP eine Momentaufnahme unter Laborbedingungen darstellt, setzt die Jahresarbeitszahl gemessene Energiemengen über ein gesamtes Betriebsjahr ins Verhältnis. Die JAZ wird erst nach etwa einem Jahr Betrieb ermittelt und berücksichtigt alle schwankenden Bedingungen wie Außentemperaturen, Heizverhalten und Abtauvorgänge. Zur Ermittlung benötigen wir einen Wärmemengenzähler und einen separaten Stromzähler. Der SCOP bildet die Brücke zwischen COP und JAZ, indem er die Effizienz bei verschiedenen klimatischen Bedingungen auf dem Prüfstand berücksichtigt.
Einflussfaktoren auf die Effizienz
Die Vorlauftemperatur beeinflusst die Effizienz maßgeblich. Jedes Grad weniger Vorlauftemperatur ergibt eine Einsparung von bis zu 2,5 Prozent beim Stromverbrauch. Wärmepumpen funktionieren bei einer Vorlauftemperatur von 35 °C um rund 14 Prozent effizienter als bei 55 °C. Gleichwohl spielt die Wärmequelle eine zentrale Rolle, da der Temperaturunterschied zur Vorlauftemperatur möglichst gering sein sollte.
Vergleich: Luft-, Sole- und Wasser-Wärmepumpen
Luft-Wasser-Wärmepumpen erreichen durchschnittliche JAZ-Werte zwischen 2,5 und 3. Sole-Wasser-Wärmepumpen mit Erdsonden liegen bei 4 bis 4,5. Wasser-Wasser-Wärmepumpen erzielen mit einer JAZ von 5 die höchste Effizienz. Bei den COP-Werten zeigt sich ein ähnliches Bild: Luft-Wasser-Wärmepumpen erreichen bei -7 °C Außentemperatur und 35 °C Vorlauf Werte zwischen 2,5 und 3,5, während Sole-Wasser-Wärmepumpen bei 0 °C Sole und 35 °C Wasser auf 4,0 bis 5,0 kommen.
Schlussfolgerung
Die Wärmepumpe Funktionsweise basiert auf jahrhundertealter Forschung, von Cullens ersten Experimenten 1755 über Thomsons theoretische Grundlagen bis zur modernen Invertertechnik. Der Kältemittelkreislauf wandelt Umweltenergie durch Verdampfung, Verdichtung, Verflüssigung und Entspannung in nutzbare Wärme um. Grundsätzlich erreichen moderne Anlagen Leistungszahlen zwischen 4 und 5, wobei Sole-Wasser-Wärmepumpen aufgrund konstanter Erdtemperaturen die höchste Jahresarbeitszahl erzielen. Luft-Wasser-Systeme punkten hingegen durch einfache Installation. Die Kombination mit Photovoltaik und Smart-Home-Integration macht diese Technologie zur zukunftsweisenden Lösung für klimafreundliches Heizen. Niedrige Vorlauftemperaturen steigern die Effizienz merklich und senken den Stromverbrauch nachhaltig.
FAQs
Q1. Wie viel Strom verbraucht eine Wärmepumpe im Vergleich zur erzeugten Wärme? Moderne Wärmepumpen erreichen Leistungszahlen von 4 bis 5. Das bedeutet, dass aus einer Kilowattstunde Strom vier bis fünf Kilowattstunden Wärme erzeugt werden. Rund 75% der Energie stammt dabei aus der Umwelt, nur 25% müssen durch Strom zugeführt werden.
Q2. Funktionieren Wärmepumpen auch bei Minusgraden im Winter? Ja, Wärmepumpen arbeiten auch bei extremer Kälte. Das Kältemittel hat einen sehr niedrigen Siedepunkt (bei Propan beispielsweise -42,1 °C) und kann der Außenluft selbst bei Temperaturen unter -20 °C noch Energie entziehen. Moderne Hochleistungswärmepumpen funktionieren bis etwa -30 °C, wobei die Effizienz bei sehr niedrigen Temperaturen abnimmt.
Q3. Was ist der Unterschied zwischen COP und Jahresarbeitszahl? Der COP (Coefficient of Performance) ist eine Momentaufnahme unter standardisierten Laborbedingungen, die das Verhältnis zwischen erzeugter Heizleistung und aufgenommenem Strom beschreibt. Die Jahresarbeitszahl hingegen wird nach einem Jahr Betrieb ermittelt und berücksichtigt alle realen Bedingungen wie schwankende Außentemperaturen, Heizverhalten und Abtauvorgänge.
Q4. Welche Wärmepumpenart ist am effizientesten? Wasser-Wasser-Wärmepumpen erzielen mit einer Jahresarbeitszahl von 5 die höchste Effizienz, gefolgt von Sole-Wasser-Wärmepumpen mit Werten zwischen 4 und 4,5. Luft-Wasser-Wärmepumpen erreichen durchschnittlich Werte zwischen 2,5 und 3, sind aber einfacher zu installieren und benötigen keine aufwendigen Erdarbeiten.
Q5. Wie kann die Effizienz einer Wärmepumpe verbessert werden? Die Vorlauftemperatur hat den größten Einfluss auf die Effizienz. Jedes Grad weniger spart bis zu 2,5% Strom. Wärmepumpen arbeiten bei 35 °C Vorlauftemperatur etwa 14% effizienter als bei 55 °C. Zusätzlich steigert die Kombination mit Photovoltaik und einem intelligenten Energiemanagementsystem die Eigenverbrauchsquote auf bis zu 70%.
