Eine Wärmepumpe (WP) ist eine Maschine oder technische Anlage, die unter Aufwendung von (physikalischer) Arbeit thermische Energie aus einem Reservoir mit niedrigerer Temperatur (z.B. der oberflächennaher Untergrund) aufnimmt und – zusammen mit der Antriebsenergie – als Nutzwärme auf ein Nutzungs-System mit höherer Temperatur (z.B. Raumheizung) überträgt.

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

Das Prinzip der Wärmepumpe verwendet man auch zum Kühlen (jeder Kühlschrank enthält eine WP), während der Begriff „Wärmepumpe“ nur für das Heizaggregat verwendet wird. Beim Kühlprozess ist die Nutzenergie die aus dem zu kühlenden Raum aufgenommene Wärme, die zusammen mit der Antriebsenergie als Abwärme an die Umgebung (Im Falle des Kühlschranks die Raumluft) abgeführt wird. 

Wärmepumpen werden in der Regel mit Fluiden betrieben, die bei niedrigem Druck unter Wärmezufuhr verdampfen und nach der Verdichtung auf einen höheren Druck unter Wärmeabgabe wieder kondensieren. Der Druck wird so gewählt, dass die Temperaturen des Phasenübergangs einen für die Wärmeübertragung ausreichenden Abstand zu den Temperaturen von Wärmequelle und Wärmesenke haben. Je nach verwendetem Fluid liegt dieser Druck in unterschiedlichen Bereichen. Das Bild zeigt das Schaltbild mit den vier für den Prozess erforderlichen Komponenten: Verdampfer, Verdichter (Kompressor), Kondensator und Drossel.

Erdwärmepumpen

Erdwärmepumpen (früher oft erdgekoppelte Wärmepumpen genannt) nutzen die Erdwärme, also die unterhab der Oberfläche der Festen Erde gespeicherte Energie. Dies ist somit eine Sammelbezeichnung für die in der Geothermie relevanten Wärmepumpen. Sie können, sowohl hinsichtich ihrer Größe (Leistung) als auch der zu erreichenden Temperaturen einen weiten Bereich überdecken. Man spricht z.B. von Großwärmepumpen oder auch Hochtemperaturwärmepumpen.

Wärmetransformatoren

Wärmetransformatoren werden gelegentlich auch den Wärmepumpen zugeordnet, sie werden dann Wärmepumpen 2ter Art genannt. Transformatoren benötigen keine externe Antriebsenergie wie z.B. Strom sondern entnehmen ihren gesamten Energiebedarf dem abzukühlenden Medium. Ganz geringe Strommengen werden lediglich zum Antrieb notwendiger mechanischer Umwälzpumpen benötigt, ähnlich wie bei einer Gasheizung.

Einteilung

nach dem Verfahren

Wärmepumpen lass sich technisch mit verschiedenen Verfahren realisieren. Welches Verfahren günstiger ist hängt u.a. vom Temperaturniveau aber auch von der Größe der Anlage ab.

• Kompression elektrisch / Verbrennungsmotor
• Absorption (zum Beispiel Ammoniakabsorptionskältemaschine, Absorption von Wasser in konzentrierter Säure wie Schwefelsäure)
• 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

WPs werden nicht nur in der Geothermie eingesetzt sondern immer dann, wenn das Temperaturniveau eines Wärmereservoirs für die vorgesehene Anwendung angehoben werden muss. Im bereich der Raumbeheizung weit verbreitet sind Luftwärmepumpen mit der Außenluft als Wärmequelle. Diese haben insbesondere den Nachteil, dass sie bei geringen Außentemperaturen (Winter), also gerade dann, wenn sie besonders gebraucht werden, einen deutlich schlechteren Wirkungsgrad haben. Die Temperturen im Untergrund sind im Gegensaz hierzu jahreszeitenunabhängig.

• Außenluft
• Abluft
• Grundwasser (mit Schluckbrunnen)
• Oberflächenwasser
• Erdwärme
  • Erdwärmesonde
  • CO2-Sonde
  • Direktverdampfer-Sonde mit Kältemittel gefüllt
  • Spiralkollektor
  • Erdwärmekörbe
  • flächig verlegter Wärmeübertrager mit Soleflüssigkeit befüllt
  • flächig verlegter Wärmeübertrager mit Kältemittel befüllt
  • thermisch aktivierte Fundamente, Pfahlgründungen, Spundwände
  • Tunnelauskleidungen (Tübinge), Unterdückerungen
• Abwärme von industriellen Anlagen
• Abwasserwärmerückgewinnung (AWRG)

nach der Wärmenutzung

WPs stellen Wärme auf dem durch die WP angehobenen Temperaturniveau zur Verfügung. Diese kann dann für die unterschiedlichsten Anwendungen genutzt werden. Meist wird durch die vorgesehene Nutzung das notwendige Temperaturniveau vorgegeben.

• Kühlen
• Gefrieren
• Warmwasser
• Heizung
  • mit Fußbodenheizung, Wand- oder Deckenheizungen
  • mit Heizkörpern/Radiatoren (auch zwangsbelüftet, coil tubes)
  • mit Klima-Konvektoren

nach der Arbeitsweise

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

• Die Verdampfungswärme 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.

Bauformen

• Die Kompressions-Wärmepumpe nutzt den physikalischen Effekt der Verdampfungswärme. 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.

Effizienz

Die Effizienz einer Wärmepumpe hängt nicht nur von Details der Bauform ab, sondern vorrangig auch von der Temperaturspreizung. Je kleiner die Spreizung um so effektiver. Bei größeren Anlagen, kann man dies durch eine Reihenschaltung mehrere Wärmepumpen mit jeweils kleinerer Speizung nutzen, um so dennoch die gewünschte Gesamtspreizung erreichen.

Die Stadtwerke Schwerin schreiben hierzu (2022): „Die vier Wärmepumpen werden in Reihe geschaltet arbeiten. Dabei wird eine kleinere Komponente vor drei baugleichen, leistungsstärkeren Modellen installiert. Die Gesamtleistung aller vier Wärmepumpen beträgt 7,35 Megawatt. Das Warmwasser durchfließt alle Wärmepumpen der Reihe nach und wird dabei jeweils um ein kleines Stück erhitzt, bis es nach der letzten Wärmepumpe die Vorlauftemperatur erreicht hat. Diese Schaltung dient der Verbesserung der Effizienz der Gesamtanlage. So können wir bedarfsgerecht und umweltschonend grüne Fernwärme für die Schweriner Haushalte produzieren.“

COP-Wert, JAZ

Der COP-Wert ist eine wichtige Kennzahl bei dem Betrieb von Wärmepumpen. COP steht für „Coefficient of Performance“ und bezeichnet die Effizienz der Wärmepumpe. Der COP-Wert gibt das Verhältnis von Wärmeleistung und der dazu erforderlichen Antriebsenergie (Strom) an. Alternativ dazu ist die Jahrearbeitszahl (JAZ).

Die Jahresarbeitszahl (JAZ) (engl.: seasonal peformance factor, SPF) ist die wichtigste Kenngröße einer Wärmepumpenanlage. Über das Jahr verteilt ändern sich die Temperaturen, unter denen eine Wärmepumpe arbeiten muss. Die von der Wärmepumpe abgegebene Wärmeleistung schwanken sehr stark mit der Änderung der Temperatur der Wärmequelle (Luft, Erdwärme, Grundwasser). Es macht daher Sinn, eine über das ganze Jahr gemittelte Kenngröße zu verwenden. Die Jahresarbeitszahl gibt das Verhältnis der über das Jahr abgegebenen Heizenergie zur aufgenommenen elektrischen Energie an und liegt in der Größenordnung von 3 bis 4,5.

Literatur

Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Verkehr und Technologie (Hrsg): Wärmepumpen. Hinweise zum Energiesparen 44. München : 1996

Brandenburgische Technische Universität Cottbus & Projektträger BEO/Forschungszentrum Jülich GmbH (Hrsg.): Erdgekoppelte Wärmepumpen zuim Heizen und Klimatisieren von Gebäuden - Tagungsband OPET-Seminar. Cottbus : 1999. - ISBN 393257019

Energieagentur NRW (Hrsg.): Wärmepumpe - Systemlösungen aus einer Hand. Ein Leitfaden. Wuppertal : 2000

Informationszentrale der Elektrizitätswirtschaft (Hrsg.): Der Trick mit der Wärmepumpe, Strombasiswissen Nr 127. Frankfurt am Main, 1997

Kruse, H. & Heidelck, R.: Heizen mit Wärmepumpen. BINE-Info-Paket. Köln : Verlag TÜV Rheinland, 1997. - ISBN 3824901188

Schubert, A. & Höferle, R.: Geothermische Dublette Riem für die kommunale Fernwärmeversorgung. In:: Geothermische Vereinigung (Hrsg.): Die neue Rolle der Geothermie mit 5. Symposium Erdgekoppelte Wärmepumpen. Landau in der Pfalz : 2005

VDI 4640: Thermische Nutzung des Untergrundes, erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen. VDI-Richtlinien 4640, Bd. Blatt 2. Aufl. Berlin : Beuth Verlag, 2001

Weitere Literatur siehe unter Literaturdatenbank und/oder Konferenzdatenbank.

Weblinks

http://de.wikipedia.org/wiki/Wärmepumpe

http://www.waermepumpen.info

http://www.energieagentur.nrw.de/waermepumpen/neues-vom-waermepumpen-marktplatz-nrw-6024.asp 

https://www.ehpa.org/news-and-resources/press-releases/market-report-2023/

https://www.waermepumpen-24.de/wissen/wie-funktionert-eine-waermepumpe/

Videos

https://www.youtube.com/watch?v=QhNXOjwnQ_8

https://www.youtube.com/watch?v=xt4E8FSIwFM

zuletzt bearbeitet September 2022, Änderungs- oder Ergänzungswünsche bitte an info@geothermie.de