Die Wärmepumpe: Komprimierte Solarenergie

Eigenen Solarstrom kann man indirekt als Wärmeenergie nutzen – und zwar als Antriebsenergie für eine Wärmepumpe. Fossile Brennstoffe sind dann passé. Dieser Themenschwerpunkt beschreibt die Funktion der Wärmepumpe und gibt einen Technologie-Überblick.

Power-to-Heat im Wohngebäude

Keine fossilen Brennstoffe mehr im Haus

Wärmepumpen sind die besonders effiziente Möglichkeit, im Wohnhaus das sogenannte „Power-to-heat“ zu betreiben, abgekürzt „PtH“. Darunter versteht man die Umwandlung von elektrischer Energie – in diesem Fall Solarstrom – in Wärmeenergie für Warmwasser oder Heizung. Grundsätzlich ist der Wärmepumpenbetrieb mit erneuerbaren eigenem Solar- oder mit zertifiziertem Ökostrom ein wichtiger Beitrag zum Klimaschutz. Denn die Verbrennung von Heizöl oder Erdgas entfällt, und Wärmepumpen beziehen etwa drei Viertel der Energie aus der Umwelt, nur der vierte Teil ist Strom für den Antrieb und die Pumpe. Als Wärmequellen wird die Umgebungsluft, das Erdreich oder das Grundwasser genutzt. Im Grunde funktioniert die Wärmepumpe wie ein Kühlschrank, nur in umgekehrter Richtung: Sie entzieht der Umgebung Wärme und gibt sie als Heizenergie an das Innere des Gebäudes ab.

Wärme gewinnen, verdichten und abgeben

Wie die Wärmepumpe arbeitet

Neben der eigentlichen Wärmepumpe gehören zwei weitere Elemente zum System: Eine Wärmequellenanlage sowie das Verteil- und Speichersystem für die erzeugte Wärme. Über die Wärmequellenanlage wird aus der Umgebung Wärme entnommen, und zwar direkt aus der Luft oder über eine zirkulierende Wärmeträgerflüssigkeit (Sole) aus dem Oberflächenboden, dem tieferen Erdreich oder dem Grundwasser. Im internen Kreislauf der Wärmepumpe zirkuliert ein Kältemittel, welches durch die Zufuhr der Umweltenergie in einem Wärmetauscher verdampft. Im Kompressor oder Verdichter erhöht sich die Temperatur des gasförmigen Kältemittels. Das komprimierte und heiße Kältemittelgas kondensiert dann in einem weiteren Wärmetauscher, gibt die Wärme an das Verteilsystem bzw. den Wärmespeicher ab und kehrt abgekühlt in den Kreislauf zurück. Im Wärmeverteil- und Speichersystem zirkuliert – wie bei anderen Heizungen auch – in der Regel Wasser, dass die Wärme zum Puffer- oder Warmwasserspeicher sowie zu den Flächenheizungen oder Heizkörpern transportiert.

Effiziente Nutzung des Stroms

Entscheidend ist die Arbeitszahl

Der Kernbegriff der Wärmepumpentechnik ist die Arbeitszahl: Die gibt an, wie viel Wärme die Wärmepumpe mit einer Kilowattstunde Strom gewinnen kann. Die Arbeitszahlen bewegen sich im Bereich von unter 3 bis hin zu 5. Wie viel es konkret ist, hängt von verschiedenen Faktoren ab, z.B. der Effizienz der verwendeten Wärmepumpe. Ganz wichtig: Je höher das Niveau der Umweltenergie ist, desto weniger Strom muss investiert werden, um die benötigte Wärme zu erzeugen. In einer Umgebung mit langen kalten Wintern ist eine Luftwärmepumpe also weit weniger effektiv als eine Anlage, die mit konstanter Wärme aus dem Erdreich arbeiten kann. Bei der Planung eines Neubaus sollte man auch berücksichtigen, dass optimale Wärmedämmung den Bedarf mindert – und dass Flächenheizungen eine deutlich niedrigere Vorlauftemperatur benötigen. Zu den Kosten: Grundsätzlich ist direkt verwendeter Solarstrom die beste und günstigste Basis für den Wärmepumpenbetrieb. Da aber im Winter nicht immer genug Solarstrom verfügbar ist, wird man phasenweise auf Netzstrom zurückgreifen müssen – ein Grund mehr, auf eine hohe Systemeffizienz zu achten.

Viele Typen, ein Funktionsprinzip

Wärmequellen und Nutzungsarten

Im Kern geht es immer darum, mit Hilfe elektrischer Energie vorhandene Wärme auf das benötigte Niveau zu heben. Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe entnimmt die Wärme der Außen- oder Raumluft und führt sie dem Verdichtungsprozess zu. Eine Sole-Wasser-Wärmepumpe schickt den Wärmeträger unter die Oberfläche des Grundstücks und entzieht dem Boden Wärme. Erdkollektoren arbeiten nah an der Oberfläche, Erdsonden reichen senkrecht in eine Tiefe von 40 bis 100 Metern. Dafür sind genehmigungspflichtige Spezialbohrungen erforderlich. Eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe macht sich den Umstand zunutze, dass Grundwasser ganzjährig konstante Temperaturen von über zehn Grad Celsius hält. Ob aber ein geeignetes Grundwasservorkommen gegeben ist und ob es wasserschutzrechtliche Einschränkungen gibt, ist im Vorfeld zu prüfen.

Wer nicht gleich die gesamte Heizung auf die Wärmepumpe umstellen kann oder will, hat mit der Warmwasser-Wärmepumpe eine Alternative, die ebenfalls die Eigennutzung von Solarstrom optimiert. Hier ist Umgebungs- oder Abluft die gängige Energiequelle, die Warmwasser-Wärmepumpe arbeitet entkoppelt von der Heizungsanlage und kann in Belüftungs- und Wärmerückgewinnungssysteme eingebunden werden.

Fakten zur Photovoltaikanlage

Strom aus der Sonne

Die Photovoltaik ist einer der wichtigsten Bausteine einer nachhaltigen Stromversorgung und der Energiewende. Der Themenblock „Photovoltaik-Anlage“ zeigt…

Fakten zur Elektromobilität

Nie mehr tanken!

Kaum Geräusch, kein Abgas: Ein Elektroauto verhält sich im Straßenverkehr weit weniger belastend als ein Verbrenner-Pkw, das ist unbestritten…

Fakten zum Stromspeicher

Mit dem Speicher bringt Photovol­taik mehr

Bei einer Neuinstallation ist eine DC-Lösung als Speichersystem empfehlenswert. DC-gekoppelte Batteriespeicher werden vor dem PV-Wechselrichter eingebunden…