Wärmepumpe

Abbildung 1: RI-Fließbild einer Kompressionswärmepumpe und Darstellung der Wärme- und Exergieströme:
1) Kompressor, 2) Verflüssiger (Kondensator), 3) Drossel (thermostatisches Expansionsventil), 4) Verdampfer,
Dunkelrot: Gasförmig, hoher Druck, sehr warm
Rosa: Flüssig, hoher Druck, warm
Blau: Flüssig, niedriger Druck, sehr kalt
Hellblau: Gasförmig, niedriger Druck, kalt

Eine Wärmepumpe ist eine Maschine, die unter Aufwendung technischer Arbeit thermische Energie aus einem Reservoir mit niedrigerer Temperatur (in der Regel ist das die Umgebung) aufnimmt und – zusammen mit der Antriebsenergie – als Nutzwärme auf ein zu beheizendes System mit höherer Temperatur überträgt.

Der verwendete Prozess ist im Prinzip die Umkehrung eines Wärme-Kraft-Prozesses, bei dem Wärmeenergie mit hoher Temperatur aufgenommen, teilweise in mechanische Nutzarbeit umgewandelt und die Restenergie bei niedrigerer Temperatur als Abwärme abgeführt wird, meist an die Umgebung.

Eine wichtige Anwendung sind Wärmepumpenheizungen zur Gebäudeheizung. Das Prinzip der Wärmepumpe verwendet man auch zum Kühlen (so beim Kühlschrank), der Begriff „Wärmepumpe“ wird umgangssprachlich meist für Geräte verwendet, die zum Heizen konzipiert sind. Beim Kühlprozess ist die Nutzenergie die aus dem zu kühlenden Raum aufgenommene Wärme, die zusammen mit der Antriebsenergie als Abwärme an die Umgebung abgeführt wird.

Einteilung

nach dem Verfahren:

• Kompression (mechanische Energie als Antriebsleistung)
• Absorption (Hochtemperaturwärme als Antriebsleistung; siehe: Absorptionswärmepumpe)
• Adsorption (zum Beispiel Adsorption und Desorption eines Stoffes an einer Oberfläche wie Aktivkohle oder einem Zeolith, dabei wird die Adsorptionswärme frei oder auch die Desorptionswärme aufgenommen)
• Peltier-Effekt
• Magnetokalorischer Effekt

nach der Wärmequelle:

• Außenluft
• Abluft
• Grundwasser (mit Schluckbrunnen)
• Oberflächenwasser
• Erdwärme
  • Erdwärmesonde
  • CO₂-Sonde
  • Direktverdampfer-Sonde mit Kältemittel gefüllt
  • Spiralkollektor
  • flächig verlegter Wärmeübertrager mit Soleflüssigkeit befüllt
  • flächig verlegter Wärmeübertrager mit Kältemittel befüllt
  • thermisch aktivierte Fundamente
• Abwärme von industriellen Anlagen
• Abwasserwärmerückgewinnung (AWRG)
• Nutzung von Latenter Wärme in Form eines Eisspeichers

nach der Wärmenutzung:

• Kühlen
• Gefrieren
• Warmwasser
• Heizung
  • mit Flächenheizung Fußbodenheizung, Wandheizung, Deckenheizung
  • mit Heizkörpern, Radiatoren, Konvektoren
  • mit Gebläse-Konvektoren

nach der Arbeitsweise:

Es gibt verschiedene physikalische Effekte, die in einer Wärmepumpe Verwendung finden können. Die wichtigsten sind:

• Die Verdampfungsenthalpie bei Wechsel des Aggregatzustandes (flüssig/gasförmig);
• die Reaktionswärme bei Mischung zweier verschiedener Stoffe;
• die Temperaturabsenkung bei der Expansion eines (nicht idealen) Gases (Joule-Thomson-Effekt);
• der thermoelektrische Effekt;
• das Thermotunneling-Verfahren;
• sowie der magnetokalorische Effekt.

in der Gebäudetechnik

Wärmepumpen werden vielfach auch zur Erwärmung von Wasser für die Gebäudeheizung (Wärmepumpenheizung) und Bereitstellung von Warmwasser eingesetzt. Eingesetzt werden können Wärmepumpen sowohl alleine, in Kombination mit anderen Heizungsarten, sowie in Fern- und Nahwärmesystemen. Zu letzterem zählt z. B. die Kalte Nahwärme. Üblich sind die folgenden Kombinationen (Abkürzungen in Klammern):

• Wasser/Wasser-Wärmepumpe (WWWP) mit Entzug der Wärme aus dem Grundwasser über Förder- und Schluckbrunnen, aus Oberflächenwässern oder Abwässern
• Sole/Wasser-Wärmepumpe (SWWP), als Wärmequellen dienen:
  • Erdwärmesonden und Erdwärmekollektoren (Spiralkollektoren, Grabenkollektoren, Erdwärmekörbe etc.)
  • die Sonnenenergie über Sonnenkollektoren und Pufferspeicher
  • der Umgebung über Massivabsorber, Energiezaun, o. ä.
• Luft/Wasser-Wärmepumpe (LWWP) mit Entzug der Wärme aus Abluft oder Außenluft, seltener auch mit Vorerwärmung durch Erdwärmetauscher, Fassadenkollektoren oder ähnlichem; Wärmeabgabe über wasserführende Heizsysteme, preiswert und häufig verwendet
• Luft/Luft-Wärmepumpen (LLWP) werden nur in großen Gebäuden zur Erwärmung oder Kühlung der Zuluft von Lüftungsanlagen (Klimaanlagen) verwendet und haben meist keinen Kältemittelkreislauf, sind nur Wärmetauscher.

nach der Bauart:

• Monoblock-Wärmepumpen
• Split-Wärmepumpen

Funktionsprinzipien

Die Kompressions-Wärmepumpe

nutzt den physikalischen Effekt der Verdampfungsenthalpie. In ihr zirkuliert ein Kältemittel in einem Kreislauf, das, angetrieben durch einen Kompressor, die Aggregatzustände flüssig und gasförmig abwechselnd annimmt.

Die Absorptions-Wärmepumpe

nutzt den physikalischen Effekt der Reaktionswärme bei Mischung zweier Flüssigkeiten oder Gase. Sie verfügt über einen Lösungsmittelkreis und einen Kältemittelkreis. Das Lösungsmittel wird im Kältemittel wiederholt gelöst oder ausgetrieben.

Die Adsorptions-Wärmepumpe

arbeitet mit einem festen Lösungsmittel, dem „Adsorbens“, an dem das Kältemittel ad- oder desorbiert wird. Dem Prozess wird Wärme bei der Desorption zugeführt und bei der Adsorption entnommen. Da das Adsorbens nicht in einem Kreislauf umgewälzt werden kann, kann der Prozess nur diskontinuierlich ablaufen, indem zwischen Ad- und Desorption zyklisch gewechselt wird.

Kompressions-Wärmepumpe

Die elektrisch angetriebene Kompressions-Wärmepumpe stellt den Hauptanwendungsfall von Wärmepumpen dar. Mit der Wärmepumpe kann ein Vielfaches der eingesetzten elektrischen Leistung als Wärmeenergie erzeugt werden. Der Wärmepumpenprozess, nach Rudolf Plank Plank-Prozess genannt, wird auch als Kraftwärmemaschine bezeichnet. Der Grenzfall einer reversibel arbeitenden Kraftwärmemaschine ist der linksläufige Carnotprozess.

Elektrisch angetriebene Wärmepumpen werden mit einem geschlossenen Kältemittelkreislauf betrieben. Das Kältemittel verdampft bei niedrigem Druck unter Wärmezufuhr und nach der Verdichtung kondensiert das Kältemittel unter Abgabe der Nutzwärme. In der Drossel wird das flüssige Kältemittel von dem Hochdruck auf den Niederdruck entspannt. Dabei verdampft der größte Anteil des Kältemittels und die Temperatur sinkt. Die Drossel besteht bei kleinen Anlagen aus einer Kapillaren, bei größeren Anlagen werden thermostatisch geregelte Ventile eingesetzt, die den Druck im Verdampfer so einstellen, dass die entsprechende Sattdampftemperatur etwas tiefer als die Temperatur der Wärmequelle liegt, so dass das Kältemittel durch die Wärmeaufnahmen verdampft. Der Abluft, der Außenluft, dem Erdboden, dem Abwasser oder dem Grundwasser kann Wärme durch Einsatz einer Wärmepumpe entzogen werden.

Der Verdichter wird so geregelt, dass die zum Verdichtungsenddruck zugehörige Sattdampftemperatur geringfügig über der Temperatur der Wärmesenke liegt. Die Wärmequelle für Wärmepumpen ist die Umgebungsluft, die Erdwärme oder ein Wasserfluss. Die Wärmesenke ist der Warmwasser- oder Brauchwasserkreislauf, die eine Seite des Verflüssiger-Wärmetauscher bildet.

Das Verhältnis von der in den Heizkreis abgegebenen Wärmeleistung zur zugeführten elektrischen Verdichterleistung wird als Leistungszahl bezeichnet. Die Leistungszahl (COP= coefficient of performance) hat einen oberen Wert, der nicht überschritten und aus dem Carnot-Kreisprozess abgeleitet werden kann. Die Leistungszahl wird auf einem Prüfstand gemäß der Norm EN 14511 (früher EN 255) ermittelt und gilt nur unter den jeweiligen Prüfbedingungen. Der COP ist Gütekriterium für Wärmepumpen, erlaubt jedoch keine energetische Bewertung der Gesamtanlage.

Das Kältemittel wird in Bezug auf den Prozess so gewählt, dass die Temperaturen des Phasenübergangs einen für die Wärmeübertragung ausreichenden Abstand zu den Temperaturen von Wärmequelle und Wärmesenke haben. Soweit möglich wird ein Kältemittel verwendet, dessen Verdampfungsdruck bei der niedrigsten Arbeitstemperatur über dem Umgebungsdruck liegt, um das Eindringen von Luft in den Kältemittelkreislauf zu verhindern. Weitere Aspekte zur Auswahl des Kältemittels siehe Abschnitt Kältemittel (Arbeitsgase).

Im Gegensatz zur Kälteanlage wird bei der Wärmepumpe die Energie auf der warmen Seite genutzt. Der Wärmepumpenkreislauf ist in der Abbildung 1 dargestellt. Eine Wärmepumpe besteht mindestens aus den vier dargestellten Komponenten: Verdampfer, Verdichter (Kompressor), Verflüssiger und Drossel.

Thermodynamische Betrachtung

Leistungszahl

→ Hauptartikel: Leistungszahl

Die Leistungszahl ε einer Wärmepumpe, in der Literatur auch als Heizzahl bezeichnet (englisch Coefficient Of Performance $(COP)$), ist der Quotient aus der Wärme Q_c, die in den Heizkreis abgegeben wird, und der eingesetzten Energie $W$:

$\mathrm {COP} ={\frac {Q_{c}}{W}}$

Bei typischen Leistungszahlen von 4 bis 5 steht das Vier- bis Fünffache der eingesetzten Leistung als nutzbare Wärmeleistung zur Verfügung, der Zugewinn stammt aus der entzogenen Umgebungswärme.

Die Leistungszahl hängt stark vom unteren und oberen Temperaturniveau ab. Die theoretisch maximal erreichbare Leistungszahl $\mathrm {COP} _{\mathrm {max} }$ einer Wärmepumpe ist entsprechend dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik begrenzt durch den Kehrwert des Carnot-Wirkungsgrads $\eta _{C}$

$\mathrm {COP} _{\mathrm {max} }={\frac {1}{\eta _{C}}}={\frac {T_{\text{warm}}}{T_{\text{warm}}-T_{\text{kalt}}}}$

Für die Temperaturen sind die absoluten Werte einzusetzen.

Gütegrad

→ Hauptartikel: Gütegrad

Der Gütegrad $\eta _{\mathrm {WP} }$ einer Wärmepumpe ist die tatsächliche Leistungszahl bezogen auf die ideale Leistungszahl bei den verwendeten Temperaturniveaus. Er berechnet sich zu:

$\eta _{\mathrm {WP} }={\frac {\mathrm {COP} }{\mathrm {COP} _{\mathrm {max} }}}\Leftrightarrow \mathrm {COP} =\mathrm {COP} _{\mathrm {max} }\cdot \eta _{\mathrm {WP} }$

Praktisch werden Wärmepumpengütegrade $\eta _{\mathrm {WP} }$ im Bereich 0,45 bis 0,55 erreicht.

Der Kreisprozess der Wärmepumpe

Abbildung 2: log(p)-h-Diagramm für das Kältemittel R134a zwischen den Temperaturen 0 °C und 50 °C, idealer Prozess

Abbildung 3: T-s-Diagramm des Vergleichsprozesses

Die in der Thermodynamik verwendeten Diagramme für Kreislaufprozesse (Log p-h-Diagramm oder T-S-Diagramm) sind gute Hilfen, um Kreisprozesse darzustellen. Die spezifischen Parameter können in dem Diagramm des betrachteten Stoffes direkt ermittelt werden. In dem log p-h-Diagramm können zu den Arbeitspunkten direkt die Enthalpien h für die spezifischen Wärmeströme und Verdichterarbeit auf der Ordinate abgelesen werden.

In der Abbildung 2 ist der ideale Wärmepumpenprozess mit dem Kältemittel R134a dargestellt. Die Anergie (Umweltwärme) wird bei 0 °C dem Verdampfer zugeführt und bei 50 °C wird die Wärme in Heizungssystem abgeführt. Die einzelnen Prozessschritte sind:

• 1 - 2: Isentrope Verdichtung von 2,93 bar auf 13,18 bar; Das Kältemittel ist geringfügig überhitzt (50,1 °C).
• 2 - 3: Das Kältemittel kühlt im Verflüssiger auf die Sattdampftemperatur (50,1 °C auf 50 °C) ab und anschließend kondensiert das gesamte Kältemittel bei einer Temperatur von 50 °C durch Wärmeabgabe an das Heizungssystem,
• 3 - 4 Das flüssige Kältemittel wird auf den Sattdampfdruck von 0 °C entspannt. Der Endpunkt liegt im Zweiphasengebiet, wobei bei dem speziellen Arbeitspunkt „4“ 64 % des Kältemittel noch flüssig ist.
• 4 - 1 Das gesamte Kältemittel verdampft in dem Verdampfer durch Wärmeaufnahme aus der Umgebung. Es wird anschließend wieder dem Verdichter zugeführt.

Aus dem Beispiel kann auf der Koordinate oder anhand thermodynamischer Näherungsfunktionen abgelesen werden:

${\dot {q}}_{\mathrm {U} }=h_{1}-h_{4}=398{,}6\,\mathrm {kJ/kg} -271{,}6\,\mathrm {kJ/kg} =127{,}0\,\mathrm {kJ/kg}$;

${\dot {w}}_{\mathrm {t} }=h_{2}-h_{1}=435{,}3\,\mathrm {kJ/kg} -398{,}6\,\mathrm {kJ/kg} =36{,}7\,\mathrm {kJ/kg}$;

${\dot {q}}_{\mathrm {h} }=h_{2}-h_{3}=435{,}3\,\mathrm {kJ/kg} -271{,}6\,\mathrm {kJ/kg} =163{,}7\,\mathrm {kJ/kg}$

Mit diesen Angaben kann der COP dieses idealisierten Prozesses berechnet werden:

$\mathrm {COP} _{\text{ideal}}={\frac {{\dot {q}}_{\mathrm {h} }}{{\dot {w}}_{\mathrm {t} }}}=4{,}46$

Vergleicht man den COP_ideal mit dem Kehrwert des Carnotwirkungsgrad des reversiblen Prozesses

$\eta _{\mathrm {c} }={\frac {T_{\text{H}}-T_{\text{U}}}{T_{\text{H}}}}={\frac {323{,}15\,{\text{K}}-273{,}15\,{\text{K}}}{323{,}15\,{\text{K}}}}=0{,}154$

${\frac {1}{\eta _{\mathrm {c} }}}={\frac {\text{thermische Energie}}{\text{Exergie}}}=6{,}46$

so liegt der COP_ideal niedriger. Die Ursache ist, dass auch der idealisierte Wärmepumpenprozess (isentrope Verdichtung, Temperaturgradient an den Wärmetauschern wird vernachlässigt, Druckverluste werden nicht berücksichtigt) nicht reversibel ist. Die realen Gase weichen von den idealen Gasen ab und die Entspannung an der Drossel ist adiabat und aus dem Druckgefälle wird auch bei dem idealisierten Prozess keine Arbeit gewonnen. Der Kehrwert des Carnotfaktors ist aber sehr hilfreich, die Auswirkung unterschiedlicher Arbeitstemperaturen abzuschätzen. Der COP des realen Prozesses kann man mit dem Produkt aus COP_max und dem Gütegrad η_WP abgeschätzt werden, der hier mit 0,5 als Erfahrungswert herangezogen wird. Damit erhält man einen COP von 3,23, wobei in dem Beispiel (0 °C / 50 °C) ein ungünstiger Betriebspunkt gewählt wurde.

Abbildung 3 zeigt den Prozess im T-s-Diagramm. Theoretisch wäre es möglich, die Arbeitsfähigkeit des Kondensates beim Entspannen (Drossel) auf den niedrigeren Druck durch eine Kraftmaschine, beispielsweise eine Turbine, zu nutzen, wie es der reversible Carnot-Prozess beschreibt. Doch dabei würde die Flüssigkeit teilweise verdampfen. Die Nutzung der Entspannungsenthalpie ist technisch nur sehr aufwändig zu realisieren und wird daher nicht angewendet. Deshalb verwendet man der Einfachheit halber hier eine Drossel (Entspannung mit konstanter Totalenthalpie). Insofern liegen der COP des idealen Wärmepumpenprozesses mit Drosselung niedriger als der Carnot-Faktor.

Beispiel Wärmepumpe mit dem Kältemittel Propan

Abbildung 4: Das Innere eines Verdampfergehäusess einer Luft-Wasser-Wärmepumpe

Bei der Wärmepumpe werden physikalische Effekte des Übergangs einer Flüssigkeit in die gasförmige Phase und umgekehrt ausgenutzt. So kann zum Beispiel Propan in Wärmepumpen als Kältemittel verwendet werden, indem die verschiedenen Temperatur-Druck-Verhältnisse ausgenutzt werden, zu denen es entweder gasförmig oder flüssig ist. In Abbildung 3 ist in dem T-s-Diagramm die Taulinie (rechts vom kritischen Punkt an der Spitze der Kurve) und die Siedelinie (links vom kritischen Punkt) dargestellt. Propan ist bei normalem Luftdruck (1,013 bar) und niedriger Außentemperatur (zum Beispiel 5 °C) gasförmig. Wenn das Gas komprimiert wird, wird es wärmer und bleibt aber gasförmig. Kühlt das Gas bei dem hohen Druck dann auf Zimmertemperatur ab, wird es flüssig. Wenn das flüssige Propan anschließend entspannt wird (adiabate Drosselung), verdampft es zum größten Teil und die Temperatur fällt. Diesen Effekt kann man an einer Propangasflasche nachvollziehen; bei starker Entnahme kann sich ein Eisansatz an der Flasche bilden. Diesen Effekt nutzt man bei der Wärmepumpe aus: Das Propangas wird im Verdichter durch einen elektrisch angetriebenen Verdichter komprimiert, wobei sich das Gas erhitzt. Das heiße, komprimierte Gas kann dann im Wärmetauscher seine Wärme an das Wasser der Heizungsanlage abgeben. Dabei kühlt sich das komprimierte und überhitzte Gas erst ab (Überhitzung des Gases), bis die Temperatur erreicht ist, die dem Sattdampfdruck entspricht. Anschließend kondensiert das Propangas bei einer konstanten Temperatur in einem Wärmetauscher (Kondensator, in der Kältetechnik ist der Begriff Verflüssiger üblich). Beim anschließenden Durchgang durch das Expansionsventil, eine Drossel, wird das flüssige Propan entspannt, verdampft dabei weitgehend und wird sehr kalt. Lässt man das Gas-Flüssig-Gemisch dann durch einen zweiten, äußeren Wärmetauscher strömen (zum Beispiel durch Grundwasser oder die Außenluft), dann verdampft das Propan vollständig. Auf diese Weise nimmt das Propan aus dem Grundwasser oder der Außenluft Wärme auf. Die Wärme, die vom Verdampfer auf das Kältemittel übertragen wird und die elektrisch aufgebrachte Leistung am Verdichter stellen die Wärme dar, die an das Heizungssystem abgeführt werden kann.

Effizienz

Abbildung 5:Leistungsbilanz der Wärmepumpe: Der COP beschreibt den Quotienten aus nutzbarer Wärme (rot) und der dafür aufgewendeten elektrischen Verdichterleistung (gelb)

Der Wärmepumpenprozess bzw. Kälteanlagenprozess, nach Rudolf Plank Plank-Prozess genannt, wird auch als Kraftwärmemaschine bezeichnet. Der Grenzfall einer reversibel arbeitenden Kraftwärmemaschine ist der linksläufige Carnotprozess. Die Leistungszahl COP (Coefficient Of Performance) einer Wärmepumpe wird durch viele Faktoren beeinflusst. Im Falle einer reversiblen Wärmepumpe könnte durch die Umkehrung des Kreisprozesses an dem Generator einer Entspannungsturbine wieder die eingebrachte elektrische Leistung abgegriffen werden, wenn die Wärmemengen wieder in den Prozess eingebracht werden. Bei dem Grenzfall des Carnot-Prozesses und der Verwendung eines idealen Gases wäre der COP identisch mit dem Kehrwert des Carnotfaktor η_c.

$COP_{\text{reversibel}}={\frac {1}{\eta _{\mathrm {c} }}}={\frac {T_{\text{Senke}}}{T_{\text{Senke}}-T_{\text{Quelle}}}}$

Aus der Gleichung kann entnommen werden, dass der COP steigt, wenn die Temperatur der Quelle kleiner wird (niedrigere Heiztemperatur) und die Temperatur der Senke (z. B. Außenluft) steigt. Um eine möglichst hohe Leistungszahl und somit eine hohe Energieeffizienz zu erlangen, sollte die Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle (Umgebung) und der Wärmesenke (Heizungsvorlauf) möglichst gering sein. Die Wärmeübertrager sollten effizient sein und die Temperaturdifferenz zwischen der Primär- und Sekundärseite sollte gering sein.

Der Kehrwert des Carnotwirkungsgrad kann bei realen Kreisprozessen für den COP_max schon aufgrund der Exergieverluste bei der Drosselung nicht erreicht werden. Bei vorgegebener oberer und unterer Temperatur des Kreisprozesses müssen folgende weitere Verluste berücksichtigt werden:

• Wirkungsgrad des elektrischen Motors am Verdichter
• Dissipation bei der Verdichtung, Reibungsverluste, Spülverluste
• Druckverluste in den Rohrleitungen und Druckbehältern
• Wärmeverluste an den Bauteilen
• Temperaturdifferenz der Medien im Verflüssiger (Verflüssigungstemperatur des Kältemittels > Temperatur der Wärmesenke)
• Temperaturdifferenz der Medien im Verdampfer (Verdampfungstemperatur des Kältemittels < Temperatur der Wärmequelle)
• In der Regel muss das Medium der Wärmequelle mit einer Pumpe oder einem Lüfter zu dem Wärmetauscherflächen des Verdampfers geleitet werden. Die elektrische Antriebsenergie muss bei dem realen Prozess berücksichtigt werden.

Maßnahmen zur Erhöhung der Effizienz

Grundsätzlich sollte vor der Installation der Energiebedarf des Gebäudes oder des Prozesses gesenkt werden. Dies kann bei Gebäuden durch eine Wärmedämmung, hochwertige Fenster mit niedrigem k-Wert und ggf. mit einer Wärmerückgewinnung bei der Lüftung erreicht werden.

Die Wärmeübertrager sollten für möglichst geringe Temperaturdifferenzen zwischen der Primär- und Sekundärseite ausgelegt sein. Zur Vermeidung von Druckverlusten und Verschlechterung des Wärmeübergangs sollten verschmutzende Flächen der Wärmetauscher regelmäßig gesäubert werden (z. B. Rohranordnung der luftbeaufschlagten Verdampfer). Auf der Verflüssigerseite sind niedrige Vorlauftemperaturen anzustreben. Im Falle einer Gebäudeheizung ist der Anschluss einer Fußboden-, Wand- oder Deckenheizung die optimale Lösung. Bei Bestandsgebäuden kann auch durch Tausch von Heizkörpern die Heizfläche vergrößert werden, etwa wenn Gußheizkörper durch groß dimensionierte Plattenheizkörper ersetzt werden.

An den Heizkörpern sollte ein hydraulischer Abgleich vorgenommen werden, so dass alle Heizkörper entsprechend ihrer Dimensionierung mit dem optimalen Wasservolumenstrom versorgt werden. Damit kann oft die Vorlauftemperatur reduziert werden, da auch Heizkörper mit langen Rohrleitungsverlauf mit der optimale Wassermenge versorgt werden. Um noch günstige COP-Werte und Jahresarbeitszahlen der Wärmepumpe zu erzielen, sollte die Vorlauftemperatur möglichst auch an den kältesten Tagen nicht über 50 °C liegen. Die Verflüssigungstemperatur von einstufigen Wärmepumpen ist begrenzt, da durch die steigende Temperatur das Kältemaschinenöl im Verdichter thermisch vercrackt. Sollten höhere Temperaturen erforderlich sein, muss das zu heizende Medium noch mit einem elektrischen Heizstab nacherhitzt werden. Bei dieser direkten elektrischen Beheizung entspricht die erzeugte Wärmeenergie genau der eingesetzten elektrischen Energie (COP=1).

Mittlerweile (2022) sind zweistufige Wärmepumpen auf dem Markt, die deutlich höhere Verflüssigungstemperaturen ermöglichen (80 °C), die allerdings physikalisch bedingt eine deutliche schlechteren COP aufweisen und technisch aufwändiger sind.

Jahresarbeitszahl

Ein Maß für die Effizienz einer Wärmepumpe ist die Jahresarbeitszahl. Die Jahresarbeitszahl berechnet sich nach folgender Formel:

• $JAZ={\frac {\int _{0}^{\text{Jahr}}{\dot {Q}}_{\text{Heiz}}\,dt}{\int _{0}^{\text{Jahr}}P_{\mathrm {el} }\,dt}}$

Sie beschreibt das Verhältnis der Nutzenergie in Form von Wärme zur aufgewendeten Verdichterenergie in Form von Strom. In die Jahresarbeitszahl gehen alle Betriebszustände ein; Übergangszeiträume mit relativ hohen Außentemperaturen und niedrigen Vorlauftemperaturen führen zu hohen COP-Werten, während bei Zeiträumen mit niedrigen Außentemperaturen höhere Vorlauftemperaturen notwendig sind, um den notwendigen Wärmestrom über die Heizkörper an den Raum zu übertragen. In diesen Zeiträumen liegt der COP deutlich ungünstiger.

An dem Beispiel einer Wärmepumpe für ein Einfamilienhaus mit einem Heizenergiebedarf von 150 kWh/m²*a werden für verschiedene Anordnungen der Verdampfer folgende Jahresarbeitszahlen angegeben:

• Luft-Wasser-Wärmepumpe (JAZ = 2,5)
• Sole-Wasser-Wärmepumpe (JAZ = 3,6)
• Wasser-Wasser-Wärmepumpe (JAZ = 5)

Hinsichtlich des Kältekreislaufes und der Heizkreislaufes gibt es noch Optimierungsmöglichkeiten. Das Kältemittel kann nach der Verflüssigung bei der hohen Temperatur für die Vorwärmung des Brauchwassers bei niedrigeren Temperaturen genutzt werden. Mit dieser Maßnahme kann der COP erhöht werden, da die nutzbare Wärme zunimmt. Der Heizungswasserkreislauf kann mit Wärmespeichern ausgerüstet werden, damit die Wärmepumpe bei niedrigen Außentemperaturen nicht an den kältesten Tagesstunden betrieben werden muss.

Wirtschaftlichkeit

Mit Hilfe der Jahresarbeitszahl können die wirtschaftlichen Gesichtspunkten für den Einsatz einer Wärmepumpe mit einer herkömmlichen Heizung, z. B. Gas, verglichen werden. Falls der Strompreis für die Wärmepumpe (in €/kWh) höher als der Gaspreis (in €/kWh) multipliziert mit der Jahresarbeitszahl ist, ist die Wärmepumpe nicht wirtschaftlicher als eine Gasheizung. Bei dieser Betrachtung sind die Investitionskosten nicht berücksichtigt.

Aufgrund der drastisch gestiegenen Gaspreise in Folge des Ukraine-Kriegs hat sich das Verhältnis des spezifischen Gaspreises zum Strompreis deutlich geändert.

$COP_{\text{Wirtschaftlich}}>{\frac {K_{\text{Strom}}}{K_{\text{Erdgas}}}}$

Bei den Werten aus dem Monat August 2022 kann folgender Grenzwert für die Wirtschaftlichkeit angesetzt werden:

$COP_{\text{Wirtschaftlich}}>{\frac {37\,\mathrm {ct/kWh} }{18\,\mathrm {ct/kWh} }}=2{,}05$

Mit dieser einfachen Betrachtung ergibt sich bei den spezifischen Energiepreisen, dass auch Wärmepumpen mit Jahresarbeitszahlen von 2,5 als wirtschaftlich angesehen werden können. Einige Stromversorger bieten günstigere Stromtarife für Wärmepumpen an, die ggf. mit Sperrstunden belegt sind. Hier ist der Einbau eines größeren Wärmespeichers sinnvoll, um die Wärmeversorgung in den Sperrzeiten zu gewährleisten. Mit diesen Tarifen verlagert sich Wirtschaftlichkeit weiter zu niedrigeren Jahresarbeitszahlen. Das heißt, dass der Einbau von Luft-Wasser-Wärmepumpen in Altbauten sinnvoll ist, wenn begleitende Maßnahmen (Dämmung, Vergrößerung der Heizkörper, hydraulischer Abgleich) vorgenommen werden. Die Investitionskosten sind hier nicht berücksichtigt, wobei diese bei Wärmepumpen deutlich höher liegen als bei Brennwert-Gaskesseln. Ein Nachteil der Wärmepumpe ist der deutlich höhere apparative Aufwand. Besonders kostenintensiv sind wirkungsvolle Verdampfer (Erdwärmesonden, erdverlegte Flächenverdampfer) durch die damit verbundenen Erdarbeiten. Für erdverlegte Verdampferrohre ist eine Fläche erforderlich, die dem Doppelten der Wohnfläche entspricht. Die kann in dicht gebauten Gebieten kaum realiert werden, außerdem muss das Erdreich bis auf eine Tiefe von 1 m ausgehoben werden. Die Verlegung von Erdsonden bedarf der Zustimmung der Behörde. Daher kann in den meisten Anwendungsfällen nur eine Luft-Wasser-Wärmepumpe installiert werden. Hinsichtlich der Auswahl des Aufstellungsortes muss der Schallpegel der Lüfters und des Verdichters berücksichtigt werden. Der Kältekreislauf muss regelmäßig auf Dichtigkeit durch einen Kälte-Sachkundigen geprüft werden. Allerdings entfallen bei Einsatz der Wärmepumpe die Schornsteinfegerkosten.

Nachhaltigkeit

Abbildung 6: Vergleich der Nutzung fossiler Energie a) Einsatz im Kraftwerk und Verwendung einer Wärmepumpe zur Wärmeerzeugung, b) Direkte Verbrennung im Heizkessel

In der Abbildung 6 ist die Ausnutzung der fossilen Energie für Erzeugung von Heizwärme dargestellt. Bei dem derzeitigen Energiemix der Kraftwerke in Deutschland wird die Hälfte des Stroms mit fossilen Brennstoffen und die andere Hälfte aus regenerativen Quellen gewonnen (Die Atomkraft wird hier vernachlässigt). Der Wirkungsgrad sehr hochwertiger Kraftwerke (GuD-Kraftwerk) liegt über 50 %; bei Kohlekraftwerken um die 40 %. Eine Wärmepumpe mit dem COP von 2 erzeugt bei dem unterstellten Strommix aus 100 % Energieinhalt des fossilen Brennstoffes 200 % Wärmeenergie. Bei der direkten Verbrennung des fossilen Brennstoffes (z. B. Erdgasfeuerung im Brennwertkessel) kann nur der Energieinhalt des Brennstoffes als Heizwärme genutzt werden (100 %). D.h. in diesem ungünstigen Fall verringert sich der CO₂-Ausstoß um die Hälfte.

Für strombetriebene Wärmepumpen ist es notwendig, einen möglichst hohen Anteil regenerativ erzeugten Stroms im Strommix zu erreichen. Zur Erhöhung der Nachhaltigkeit und Verringerung des CO₂-Ausstoßes werden mittlerweile Photovoltaikanlage an den zu beheizenden Gebäuden installiert, um zumindest einen Teil des erforderlichen Strom regenerativ zu erzeugen.

Kältemittel (Arbeitsgase)

Von 1930 bis zum Anfang der 1990er Jahre waren die Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) die bevorzugten Kältemittel. Sie kondensieren bei Raumtemperatur unter leicht handhabbarem Druck. Sie sind nicht giftig, nicht brennbar und reagieren nicht mit den üblichen Werkstoffen. Wenn FCKW freigesetzt werden, schädigen sie jedoch die Ozonschicht der Atmosphäre und tragen zum Ozonloch bei. In Deutschland wurde daher der Einsatz von Fluorchlorkohlenwasserstoffen im Jahr 1995 verboten. Die als Ersatz verwendeten Fluorkohlenwasserstoffe (FKW) schädigen nicht die Ozonschicht, tragen jedoch zum Treibhauseffekt bei und sind im Kyoto-Protokoll als umweltgefährdend erfasst. Als natürliche Kältemittel gelten reine Kohlenwasserstoffe wie Propan oder Propylen, wobei deren Brennbarkeit besondere Sicherheitsmaßnahmen erforderlich macht. Anorganische, nicht brennbare Alternativen wie Ammoniak, Kohlendioxid oder Wasser wurden ebenfalls für Wärmepumpen eingesetzt. Aufgrund spezifischer Nachteile haben sich diese Kältemittel nicht im größeren technischen Maßstab durchsetzen können. Ammoniak (NH₃) und Kohlendioxid (CO₂) werden generell in industriellen Kühlanlagen wie Kühlhäusern und Brauereien eingesetzt. CO₂ ist anstelle von Fluorkohlenwasserstoffen für die Klimatisierung von Fahrzeugen angedacht und wird bereits von ersten Herstellern eingesetzt (Stand 2017).

Bauart

Abbildung 7: Monoblock-Wärmepumpe mit Maschinengehäuse im Freien; 1: Verdichter, 2: Verflüssiger, 3: Expansionsventil, 4: Aussenluftverdampfer, 5: Heizungspumpe, 6: Membrausdehnungsbehälter

Abbildung 8: Split-Wärmepumpe mit Verdampfergehäuse einschließlich Verdichter im Freien und Verflüssiger im Gebäude;

Abbildung 9: Heißgasabtauung und Betriebszustände der Wärmepumpe; rot: Wärmepumpenbetrieb; blau: Heißgasabtauung und Kühlbetrieb;

Geht es um die Bauart einer Wärmepumpe, sind heute zwei Varianten erhältlich. Der größte Teil aller Umweltheizungen wird als Monoblockwärmepumpe hergestellt. Dabei befinden sich alle für den Betrieb benötigten Komponenten (Bsp.: Verdampfer, Verdichter, Verflüssiger, Expansionsventil) in einer kompakten Einheit, die sich im Innen- oder im Außenbereich aufstellen lässt. Da der Kältekreislauf werksmäßig erstellt und gefüllt wird, ist nur ein Anschluss an das Heizungssystem erforderlich. Bei den Verbindungsrohrleitungen muss die Wärmedämmung und ggf. Frostschutzmaßnahmen beachtet werden. Die Monoblockanlage ist etwas preisgünstiger als die Splitanlage.

Luft-Wärmepumpen sind darüber hinaus auch in der von Klimageräten bekannten Splitbauweise erhältlich. Sie bestehen dabei aus mindestens einer Außen- sowie einer Inneneinheit, welche durch Kältemittelleitungen miteinander verbunden sind. Die Außeneinheit enthält den Ventilator, den Verdampfer sowie meistens auch den Verdichter und damit alle Bauteile, die im Betrieb Geräusche verursachen. In der Inneneinheit befindet sich hingegen nur der Verflüssiger. Außerdem enthält die Inneneinheit die erforderliche Technik, um die Anlage an das übrige Heizsystem anzuschließen. Da die Aggregate nur mit Kältemittelrohrleitungen verbunden sind, entfallen Maßnahmen zum Frotschutz.

Abtauen und Kühlbetrieb

Beim Betrieb des lufterwärmten Verdampfers tritt das Problem auf, dass auf den Wärmeübetragungsflächen Wasser aus der Luftströmung kondensieren kann. Wenn die Sattdampftemperatur im Verdampfer unter 0 °C fällt, vereisen die Übertragungsflächen und der Wärmeaustausch wird schlechter und versagt bei durchgehendem Eisfilm. Dies kann schon bei einer Außentemperatur einige Grad über 0 °C auftreten, da die Sattdampftemperatur des Kältemittels unter der Außentemperatur liegen muss, um einen Wärmeübergang aufrechtzuerhalten. Die effektivste Methode ist die Heißgasabtauung. Dabei wird der Prozesskreislauf umgekehrt, indem ein 4-2-Wegeventil auf den Saug- und Druckseite des Verdichters installiert wird. Im normalen Wärmepumpenbetrieb strömt das verdichtete warme Gas durch den Verflüssiger und gibt die Verdampfungswärme an das Heizungssystem ab. Die Wärmeaufnahme erfolgt durch den lufterwärmten Verdampfer bei niedrigem Arbeitsdruck. Für die Abtauung wird das Heißgas zuerst auf den Verdampfer geleitet, der nunmehr als Verflüssiger fungiert. Die hohe Temperatur der Wärmeübertragungsflächen sorgt für ein effektives Abtauen, das nach einem kurzen Zeitraum abgeschlossen ist. Bei dem Zustand wird Wärme dem Verflüssiger entzogen, der jetzt als Verdampfer wirkt. Die Wärme für das Abtauen wird somit dem Heizungssystem entzogen, das jetzt als Wärmesenke wirkt. Diese Schaltung der Funktionsumkehrung von Verflüssiger und Verdampfer ist auch geeignet, die Wärmepumpe als Kälteanlage für die Raumkühlung zu nutzen. Da allerdings im Kühlbetrieb bei größeren Temperaturdifferenzen zur Raumtemperatur Kondenswasser an den nun als Kühlkörpern genutzten Heizkörpern anfallen kann und diese nicht für das Auffangen von Kondensat ausgelegt sind, kann diese Betriebsweise nur eingeschränkt genutzt werden.

Beispielwerte

Das untere Temperaturniveau einer Wärmepumpe liegt bei 10 °C (= 283,15 K), und die Nutzwärme wird bei 50 °C (= 323,15 K) übertragen. Bei einem idealen reversiblen Wärmepumpenprozess, der Umkehrung des Carnotprozesses, würde die Leistungszahl bei 8,1 liegen. Real erreichbar ist bei diesem Temperaturniveau eine Leistungszahl von 4,5. Mit einer Energieeinheit Exergie, die als mechanische oder elektrische Leistung eingebracht wird, können 3,5 Einheiten Anergie aus der Umgebung auf das hohe Temperaturniveau gepumpt werden, so dass 4,5 Energieeinheiten als Wärme bei 50 °C Heizungs-Vorlauftemperatur genutzt werden können. (1 Einheit Exergie + 3,5 Einheiten Anergie = 4,5 Einheiten Wärmeenergie).

In der Gesamtbetrachtung müssen aber der exergetische Kraftwerkwirkungsgrad und die Netzübertragungsverluste berücksichtigt werden, welche einen Gesamtwirkungsgrad von ca. 35 % erreichen. Die benötigte 1 kWh Exergie erfordert einen Primärenergieeinsatz von 100 / 35 × 1 kWh = 2,86 kWh. Wenn die Primärenergie nicht im Kraftwerk eingesetzt, sondern direkt vor Ort zur Beheizung genutzt wird, erhält man bei einem Feuerungswirkungsgrad von 95 % – demnach 2,86 kWh × 95 % = 2,71 kWh thermische Energie.

Mit Bezug auf das oben aufgeführte Beispiel kann im Idealfall (Leistungszahl = 4,5) mit einer Heizungswärmepumpe das 1,6fache und bei einer konventionellen Heizung das 0,95fache der eingesetzten Brennstoffenthalpie als Wärmeenergie umgesetzt werden. Unter sehr günstigen Randbedingungen kann so bei dem Umweg Kraftwerk → Strom → Wärmepumpe eine 1,65-fach höhere Wärmemenge gegenüber der direkten Verbrennung erreicht werden.

Am Prüfstand wird bei einer Grundwassertemperatur von 10 °C und einer Temperatur der Nutzwärme von 35 °C eine Leistungszahl von bis zu COP=6,8 erreicht. In der Praxis wird allerdings der tatsächlich über das Jahr erreichbare Leistungswert, die Jahresarbeitszahl (JAZ) inkl. Verluste und Nebenantriebe, von nur 4,2 erzielt. Bei Luft/Wasser-Wärmepumpen liegen die Werte deutlich darunter, was die Reduzierung des Primärenergiebedarfs mindert. Unter ungünstigen Bedingungen – etwa bei Strom aus fossilen Brennstoffen – kann mehr Primärenergie verbraucht werden als bei einer konventionellen Heizung. Eine solche Stromheizung ist weder im Hinblick auf den Klimaschutz noch volkswirtschaftlich effizient.

Eine Wärmepumpe mit einer JAZ > 3 gilt als energieeffizient. Allerdings werden laut einer Studie bereits bei dem Strommix aus dem Jahr 2008 schon ab einer JAZ von 2 Kohlendioxidemissionen eingespart, mit weiterem Ausbau der Erneuerbaren Energien sowie dem Ersatz älterer Kraftwerke durch modernere und effizientere steigt das Einsparpotential, auch bestehender Wärmepumpen, weiter an.

Datenblätter

In den Datenblättern zu den diversen Wärmepumpenerzeugnissen sind die Leistungsparameter jeweils auf Medium und Quell- und Zieltemperatur bezogen; zum Beispiel:

• W10/W50: COP = 4,5, $\eta _{\mathrm {WP} }=0{,}56$
• A10/W35: Heizleistung 8,8 kW; COP = 4,3, $\eta _{\mathrm {WP} }=0{,}35$
• A2/W50: Heizleistung 6,8 kW; COP = 2,7, $\eta _{\mathrm {WP} }=0{,}40$
• B0/W35: Heizleistung 10,35 kW; COP = 4,8, $\eta _{\mathrm {WP} }=0{,}55$
• B0/W50: Heizleistung 9 kW; COP = 3,6, $\eta _{\mathrm {WP} }=0{,}56$
• B10/W35: Heizleistung 13,8 kW; COP = 6,1

Nach mehreren gemessenen COP-Werte am WPT-Buchs. Angaben wie W10/W50 bezeichnen die Eingangs- und Ausgangstemperaturen der beiden Medien. W steht für Wasser, A für Luft (englisch air) und B für Sole (englisch brine), die Zahl dahinter für die Temperatur in °C. B0/W35 ist bspw. ein Betriebspunkt der Wärmepumpe mit einer Soleeintrittstemperatur von 0 °C und einer Wasseraustrittstemperatur von 35 °C.

Abbildung 10: 14.000-kW-Absorptions-Wärmepumpe zur Nutzung industrieller Abwärme in einem österreichischen Fernheizwerk.

Wärmepumpe mit Öl- oder Gasmotorantrieb

Ein deutlich höherer thermischer Wirkungsgrad kann erreicht werden, wenn die Primärenergie als Gas oder Öl in einem Motor zur Erzeugung technischer Arbeit zum direkten Antrieb des Wärmepumpenverdichters genutzt werden kann. Bei einem exergetischen Wirkungsgrad des Motors von 35 % und einer Nutzung der Motorabwärme zu 90 % kann ein gesamtthermischer Wirkungsgrad von 1,8 erzielt werden. Allerdings muss der erhebliche Mehraufwand gegenüber der direkten Beheizung berücksichtigt werden, der durch wesentlich höhere Investitionen und Wartungsaufwand begründet ist. Es gibt jedoch bereits Gaswärmepumpen am Markt (ab 20 kW Heiz-/Kühlleistung aufwärts), welche mit Service-Intervallen von 10.000 Stunden (übliche Wartungsarbeiten für Motor) und alle 30.000 Betriebsstunden für den Ölwechsel auskommen und so längere Wartungsintervalle haben als Kesselanlagen. Zusätzlich ist zu bemerken, dass bestimmte Hersteller von motorgetriebenen Gaswärmepumpen diese in Serienproduktion herstellen, welche in Europa auf Lebensdauern von mehr als 80.000 Betriebsstunden kommen. Dies ist der Fall aufgrund des ausgeklügelten Motorenmanagements, der niedrigen Drehzahlen und der optimierten Geräteprozesse.

Die Niedertemperatur-Wärmeerzeugung mit einer Wärmepumpe, deren Verdichter durch einen Verbrennungsmotor angetrieben wird, ist gegenüber einer Verbrennung im Heizkessel zwar sehr effektiv, aber es wird ausschließlich fossiler Brennstoff eingesetzt. Damit dürfte diese Bauart unter dem Gesichtspunkt der Reduzierung von CO₂-Emissionen und dem starken Anstieg der Brennstoffkosten an Bedeutung verlieren.

Geschichte

Abbildung 11: 1877 in der Saline Bex installierter zweistufiger Kolbenkompressor /Wirth 1955/

Abbildung 12: 1968 Erstes Wärmepumpen-Zentralgerät in Deutschland von Klemens Oskar Waterkotte

Die Geschichte der Wärmepumpe begann mit der Entwicklung der Dampfkompressionsmaschine. Sie wird je nach Nutzung der zu- oder der abgeführten Wärme als Kältemaschine oder als Wärmepumpe bezeichnet. Ziel war noch lange Zeit die künstliche Eiserzeugung zu Kühlzwecken. Dem aus den USA stammenden Jacob Perkins ist 1834 der Bau einer entsprechenden Maschine als erstem gelungen. Sie enthielt bereits die vier Hauptkomponenten einer modernen Wärmepumpe: einen Kompressor, einen Kondensator, einen Verdampfer und ein Expansionsventil.

Lord Kelvin sagte die Wärmepumpenheizung bereits 1852 voraus, indem er erkannte, dass eine „umgekehrte Wärmekraftmaschine“ für Heizzwecke eingesetzt werden könnte. Er erkannte, dass eine solche Heizeinrichtung dank dem Wärmeentzug aus der Umgebung (Luft, Wasser, Erdreich) weniger Primärenergie benötigen würde als beim konventionellen Heizen. Aber es sollte noch rund 85 Jahre dauern, bis die erste Wärmepumpe zur Raumheizung in Betrieb ging. In dieser Periode wurden die Funktionsmuster der Pioniere auf der Basis einer rasch fortschreitenden wissenschaftlichen Durchdringung insbesondere auch durch Carl von Linde und des Fortschritts der industriellen Produktion durch verlässlichere und besser ausgelegte Maschinen ersetzt. Die Kältemaschinen und -anlagen wurden zu industriellen Produkten und im industriellen Maßstab gefertigt. Um 1900 lagen die meisten fundamentalen Innovationen der Kältetechnik für die Eisherstellung und später auch die direkte Kühlung von Lebensmitteln und Getränken bereits vor. Darauf konnte später auch die Wärmepumpentechnik aufbauen.

In der Periode vor 1875 wurden Wärmepumpen erst für die Brüdenkompression (offener Wärmepumpenprozess) in Salzwerken mit ihren offensichtlichen Vorteilen zur Holz- und Kohleeinsparung verfolgt. Der österreichische Ingenieur Peter von Rittinger versuchte 1857 als erster, die Idee der Brüdenkompression in einer kleinen Pilotanlage zu realisieren. Vermutlich angeregt durch die Experimente von Rittinger in Ebensee, wurde in der Schweiz 1876 von Antoine-Paul Piccard von der Universität Lausanne und dem Ingenieur J.H. Weibel vom Unternehmen Weibel-Briquet in Genf die weltweit erste wirklich funktionierende Brüdenkompressionsanlage mit einem zweistufigen Kompressor gebaut. 1877 wurde diese erste Wärmepumpe der Schweiz in der Saline Bex installiert. Um 1900 blieben Wärmepumpen Visionen einiger Ingenieure. Der Schweizer Heinrich Zoelly schlug als erster eine elektrisch angetriebene Wärmepumpe mit Erdwärme als Wärmequelle vor. Er erhielt dafür 1919 das Schweizer Patent 59350. Aber der Stand der Technik war noch nicht bereit für seine Ideen. Bis zur ersten technischen Realisierung dauerte es noch rund zwanzig Jahre. In den USA wurden ab 1930 Klimaanlagen zur Raumkühlung mit zusätzlicher Möglichkeit zur Raumheizung gebaut. Die Effizienz bei der Raumheizung war allerdings bescheiden.

Während und nach dem Ersten Weltkrieg litt die Schweiz an stark erschwerten Energieimporten; in der Folge baute sie ihre Wasserkraftwerke stark aus. In der Zeit vor und erst recht während des Zweiten Weltkriegs, als die neutrale Schweiz vollständig von kriegführenden faschistisch regierten Ländern umringt war, wurde die Kohleknappheit erneut zu einem großen Problem. Dank ihrer Spitzenposition in der Energietechnik bauten die Schweizer Firmen Sulzer, Escher Wyss und Brown Boveri in den Jahren 1937 bis 1945 rund 35 Wärmepumpen und nahmen sie in Betrieb. Hauptwärmequellen waren Seewasser, Flusswasser, Grundwasser und Abwärme. Besonders hervorzuheben sind die sechs historischen Wärmepumpen der Stadt Zürich mit Wärmeleistungen von 100 kW bis 6 MW. Ein internationaler Meilenstein ist die in den Jahren 1937/38 von Escher Wyss gebaute Wärmepumpe zum Ersatz von Holzöfen im Rathaus Zürich. Zur Vermeidung von Lärm und Vibrationen wurde ein erst kurz zuvor entwickelter Rollkolbenkompressor eingesetzt. Diese historische Wärmepumpe beheizte das Rathaus während 63 Jahren bis ins Jahr 2001. Erst dann wurde sie durch eine neue, effizientere Wärmepumpe ersetzt. Zwar wurden durch die erwähnten Firmen bis 1955 noch weitere 25 Wärmepumpen gebaut. Die in den 1950er und 1960er Jahren laufend fallenden Erdölpreise führten dann aber zu einem dramatischen Verkaufseinbruch für Wärmepumpen. Im Gegensatz dazu blieb das Geschäft im Brüdenkompressionsbereich weiterhin erfolgreich. In anderen europäischen Ländern wurden Wärmepumpen nur sporadisch bei gleichzeitigem Kühlen und Heizen (z. B. Molkereien) eingesetzt. In Deutschland wurde 1968 die erste erdgekoppelte Wärmepumpe für ein Einfamilienhaus in Kombination mit einer Niedertemperatur-Fußbodenheizung von Klemens Oskar Waterkotte realisiert.

Das Erdölembargo von 1973 und die zweite Erdölkrise 1979 führten zu einer Verteuerung des Erdöls um bis zu 300 %. Diese Situation begünstigte die Wärmepumpentechnik enorm. Es kam zu einem eigentlichen Wärmepumpenboom. Dieser wurde aber durch zu viele inkompetente Anbieter im Kleinwärmepumpenbereich und den nächsten Ölpreiszerfall gegen Ende der 1980er Jahre jäh beendet. In den 1980er Jahren wurden auch zahlreiche von Gas- und Dieselmotoren angetriebene Wärmepumpen gebaut. Sie waren allerdings nicht erfolgreich. Nach einigen Betriebsjahren hatten sie mit zu häufigen Pannen und zu hohen Unterhaltskosten zu kämpfen. Demgegenüber setzte sich im Bereich größerer Wärmeleistung die als „Totalenergiesysteme“ bezeichnete Kombination von Blockheizkraftwerken mit Wärmepumpen durch. So wurde an der ETH-Lausanne nach dem Konzept von Lucien Borel und Ludwig Silberring durch Sulzer-Escher-Wyss 1986 eine 19,2-MW-Totalenergieanlage mit einem Nutzungsgrad von 170 % realisiert. Als größtes Wärmepumpensystem der Welt mit Meerwasser als Wärmequelle wurde 1984–1986 durch Sulzer-Escher-Wyss für das Fernwärmenetz von Stockholm ein 180-MW-Wärmepumpensystem mit 6 Wärmepumpeneinheiten zu je 30 MW geliefert. Die Palette der Wärmequellen wurde erweitert durch thermoaktive Gebäudeelemente mit integrierten Rohrleitungen, Abwasser, Tunnelabwasser und Niedertemperatur-Wärmenetze.

1985 wurde das Ozonloch über der Antarktis entdeckt. Darauf wurde 1987 mit dem Montreal-Protokoll eine weltweite konzertierte Aktion zum rigorosen Ausstieg aus den FCK-Kältemitteln beschlossen. Dies führte zu weltweiten Notprogrammen und einer Wiedergeburt von Ammoniak als Kältemittel. Innerhalb von nur vier Jahren wurde das chlorfreie Kältemittel R-134a entwickelt und zum Einsatz gebracht. In Europa wurde auch die Verwendung brennbarer Kohlenwasserstoffe wie Propan und Isobutan als Kältemittel vorangetrieben. Auch Kohlenstoffdioxid gelangt vermehrt zum Einsatz. Nach 1990 begannen die hermetischen Scrollkompressoren die Kolbenkompressoren zu verdrängen. Die Kleinwärmepumpen wurden weniger voluminös und wiesen einen geringeren Kältemittelinhalt auf. Der Markt für Kleinwärmepumpen benötigte aber noch einen gewissen „Selbstreinigungseffekt“ und konzertierte flankierende Maßnahmen zur Qualitätssicherung, bevor gegen das Ende der 1980er Jahre ein erfolgreicher Neustart möglich wurde.

Kleinwärmepumpe

Ab 1990 begann eine rasante Verbreitung der Wärmepumpenheizung. Dieser Erfolg fußt auf technischen Fortschritten, größerer Zuverlässigkeit, ruhigeren und effizienteren Kompressoren sowie besserer Regelung – aber nicht weniger auch auf besser ausgebildeten Planern und Installateuren, Gütesiegeln für Mindestanforderungen und nicht zuletzt auch auf einer massiven Preisreduktion. Dank Leistungsregulierung durch kostengünstigere Inverter und aufwändigere Prozessführungen vermögen heute Wärmepumpen auch die Anforderungen des Sanierungsmarktes mit hoher energetischer Effizienz zu erfüllen.

Siehe auch

• Wärmepumpen-System-Modul
• Kalte Nahwärme

Literatur

• Tom Fuhse, Markus Winter: Wärmepumpen Technologie. Leicht verständlicher Ratgeber für den effizienten Betrieb von Wärmepumpenanlagen. Kleinstadt Fachbuch- und Medienverlag, Bamberg 2022, ISBN 978-3-949926-11-2.
• Hermann Recknagel, Ernst-Rudolf Schramek, Eberhard Sprenger: Taschenbuch für Heizung Klimatechnik. 76. Auflage. Oldenbourg, München 2014, ISBN 978-3-8356-3325-4.
• Maake-Eckert: Pohlmann Taschenbuch der Kältetechnik. C. F. Müller, Karlsruhe 2000, ISBN 978-3-7880-7310-7.
• Marek Miara et al.: Wärmepumpen – Heizen – Kühlen – Umweltenergie nutzen. BINE-Fachbuch, Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart 2013, ISBN 978-3-8167-9046-4 (Grundlagen mit Schwerpunkt Anlagentechnik, Monitoringerfahrungen, aktuelle Technologie).
• Klaus Daniels: Gebäudetechnik, Ein Leitfaden für Architekten und Ingenieure. VDF, Zürich 2000, ISBN 3-7281-2727-2.
• Thorsten Schröder, Bernhard Lüke: Wärmequellen für Wärmepumpen. Dortmunder Buch, Dortmund 2013, ISBN 978-3-9812130-7-2.
• Martin Kaltschmitt, Wolfgang Streicher: Regenerative Energien in Österreich. Grundlagen, Systemtechnik, Umweltaspekte, Kostenanalysen, Potenziale, Nutzung. Vieweg + Teubner, Wiesbaden 2009, ISBN 978-3-8348-0839-4.
• Jürgen Bonin: Handbuch Wärmepumpen. Planung und Projektierung. Herausgegeben von DIN, Beuth, Berlin / Wien / Zürich 2012, ISBN 978-3-410-22130-2.

Weblinks

Wiktionary: Wärmepumpe – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Wärmepumpen-Marktplatz NRW (Energieagentur NRW)
• Agentur für Erneuerbare Energie: Intelligente Verknüpfung von Strom- und Wärmemarkt. Die Wärmepumpe als Schlüsseltechnologie für Lastmanagement im Haushalt. Renews Spezial, Nov. 2012 (PDF; 2,2 MB)
• Wärmepumpe: Eine kritische BUND-Analyse
• Wärmepumpen: Die Heiztechnik-Alternative (FIZ Karlsruhe / BINE Informationsdienst)
• Wärmepumpen-Feldtests (Fraunhofer ISE)
• Fachwissen: Elektrisch betriebene Wärmepumpen