Thema Nachhaltigkeit: Wärmepumpe
Thema Nachhaltigkeit: Wärmepumpe
In der Themenreihe „Nachhaltiges Bauen“ wird die Umweltverträglichkeit von Bauen und Wohnen untersucht. Der Bedarf an Wohnraum wächst aufgrund steigender Weltbevölkerung. Ein großer Teil der CO2-Emmissionen ist dem Heizen geschuldet. Bereits in der Bauphase an entsprechende Maßnahmen denken ist daher wesentlich. Nicht nur die Dämmung der Außenfassaden ist entscheidend, auch die Wahl der Heizung – verantwortlich für behagliche Wärme und warmes Wasser. Das heutige Thema ist die Wärmepumpe. Durch sie kann sich die Energiebilanz und der damit verbundene CO2-Ausstoß erheblich verringern lassen. Für bestehende Bauten gibt es zudem Fördermittel des Staates. Für das Baugewerbe wichtig: die Wärmepumpe im Neubau und im Zuge der Renovierung.
Funktionsweise der Wärmepumpe
Wärmepumpen besitzen vermutlich alle deutschen Haushalte: dem Kühlschrank und der Gefriertruhe. Auch diese Geräte wärmen den Raum, in dem sie stehen. Dafür entziehen sie Wärme aus den gelagerten Lebensmitteln im Innern des Kühlgerätes. Die entzogene Wärme wird an der Rückseite des Gerätes abgegeben und erwärmt die Luft. Das ist die Funktionsweise der Wärmepumpe. Das Kühlmittel zirkuliert und transportiert die Wärme vom Innern des Kühlschranks nach außen. Hierfür zirkuliert im Kühlaggregat das Kühlmittel.
Grundlegende physikalische Prinzipien der Thermodynamik kommen zur Anwendung. Erhöht sich der Druck auf eine Materie, steigt die Temperatur, verringert sich der Druck sinkt sie. Dadurch wird der Umgebung Wärme entzogen. Diese Wärme wird dann nach außen geleitet. An der Rückseite des Kühlschrankes verrichtet ein Kompressor seine Arbeit. Er verdichtet das Kühlmittel, dabei erwärmt es sich. Im Verdampfer vergrößert sich das Volumen des Kältemittels. Es kühlt ab und wird in den Kühlschrank geleitet.
Da zwei in Verbindung stehende Elemente einen Temperaturausgleich anstreben, werden die Lebensmittel im Kühlschrank gekühlt. Das Kühlmittel verlässt den Kühlschrank und gibt die gespeicherte Wärme an die Umgebung ab. Die an der Rückseite des Kühlschranks befindlichen Rohre sind daher warm. Durch die Wärmeabgabe verringert sich die Temperatur des Kühlmittels. Es kondensiert und nimmt wieder den flüssigen Aggregatszustand ein. Wärmepumpen zur Wärmegewinnung im Haus arbeiten nach demselben Prinzip. Nur entziehen sie die Wärme der Außenluft und erwärmen das Innere des Hauses.
Jedes Medium für Wärmepumpe prinzipiell geeignet
Jedes Medium ist grundlegend für eine Wärmepumpe geeignet. Voraussetzung ist, es muss zwischen flüssigen und gasförmigen Aggregatszuständen variieren. Prädestiniert hierfür sind Elemente (Moleküle), welche bereits bei Minustemperaturen verdampfen, also Gase. Beispielsweise Propangas. Es hat eine Siedetemperatur bei minus 42 Grad Celsius und einen Schmelzpunkt von etwa minus 171 Grad Celsius. Es geht darum, der Umgebung, beispielsweise Luft, möglichst viel Energie (Wärme) abzunehmen. Wird die Umgebungstemperatur um 20 Grad Celsius gesenkt, wird diese Energie dem Medium (Kühl- oder Wärmemittel) abgegeben. Im Wärmetauscher des Hauses wird sie dann dem Haus zugeführt. Hierfür ist allerdings eine Energiezufuhr für die Pumpe des Zirkulationssystems und dem Kompressor notwendig. Einer recht unbehaglichen Temperatur von null Grad kann physikalisch immer noch genügend Wärme entzogen werden, um eine Heizanlage zu betreiben. Ein anschauliches Beispiel ist das Gefrierhaus, welches enorme Mengen an Wärme freisetzt. Der Knackpunkt ist die notwendige zugeführte Energie, um die Wärme freisetzen zu können.
Wichtige Eigenschaften des Kühlmittels
Die relevanten Eigenschaften des Kühlmittels sind zunächst eine niedrig Siedetemperatur, ein geringes Dampfvolumen, geringer Verflüssigungsdruck (der notwendige Druck, um Gas zu verflüssigen) und eine hohe chemische Stabilität. Diese weist Propangas auf, allerdings ist es brennbar. Daher werden gerne Sicherheitskühlmittel verwendet, von denen keine Brandgefahr ausgeht. Teilfluorierte Kohlenwasserstoffe (HKW) waren die Lösung. Sie haben bei Entweichen allerdings einen höheren Treibhauseffekt als CO2. Alternativen sind Ammoniak (NH3) mit einem Schmelzpunkt von minus 77 Grad Celsius und einem Siedepunkt von minus 33 Grad Celsius. Auch CO2 wird in Erwägung gezogen.
Wichtige Eigenschaften des Kühlmittels ist Umweltverträglichkeit. Die in den 30er-Jahren entwickelten FCKWs waren zwar dem bis dahin verwendeten Schwefeldioxyd hinsichtlich der Sicherheit des Bedienpersonal überlegen, hatten aber den Nachteil, die Ozonschicht der Erde zu zerstören. Das Potenzial der Ozonschädlichkeit wird in ODP (Ozone Depletion Potential) angegeben. Die dann entwickelten Sicherheitskältemittel (FKWs) schädigen zwar die Ozonschicht nicht, haben aber einen enormen Treibhauseffekt (GWP, Global Warming Potential). Kühlmittel sind Gegenstand wissenschaftlicher Forschung und es bleibt abzuwarten, was zukünftig als Lösung geboten sein wird.
Coefficient of Performance
Dieser Wert (COP) gibt an, welcher Strombedarf für eine bestimmte Heizleistung beansprucht wird. Anschaulich wird es, wenn für eine Heizleistung von 10 kW eine Energiezufuhr von 2,22 kW notwendig ist. Dann entspricht der COP-Wert etwa 4,5 (10 geteilt durch 2,22). Ein hoher COP-Wert bedeutet also eine bessere Effizienz der Heizanlage.
Mögliche Energiequellen
Abwasser hat zuverlässig eine Temperatur von 20 Grad Celsius. Je näher am Verbraucher einen Wärmetauscher installiert wird, umso höher ist die Wärmeausbeute. Würde der Wärmetauscher direkt hinter der Dusche oder der Waschmaschine/Spülmaschine stehen, wäre die mögliche Energieausbeute am höchsten. Allerdings ist die Menge des Abwassers direkt hinter dem Verbraucher gering. Daher ist die Lösung, Wärme aus Abwasserkanälen zu gewinnen, sinnvoller.
Auch eine Variante ist die Erdwärme. Die Temperatur im Erdreich ist höher als an der Bodenoberfläche. Verlegt man nun Rohre im Erdreich, wird das in den Leitungen befindliche Fluid erwärmt. Allerdings hat es noch keine ausreichende Temperatur, um das Haus zu heizen. Damit das Mittel genügend Wärme für den Heizvorgang hat, wird Energie zugeführt (Strom, Gas, Öl). Je geringer die notwendige Energiezufuhr ist, umso höher der COP (siehe oben).
Letzen Endes ist es gleichgültig, welchem Stoff Wärme entzogen wird. Im konkreten Fall ist die Beschaffenheit des Hauses und der Umgebung und ob es ein Neubau oder eine Renovierung ist, entscheidend für die Wahl der richtigen Art der Wärmepumpe. Für eine hohe Energieausbeute ist der COP-Wert das Kriterium.
Wärmepumpe, Sonnenenergie und Geld vom Staat
Verwendet man für den Betrieb der Wärmepumpe Strom aus Kollektoren oder grünen Strom des Stromanbieters, dann verbessert es den CO2-Fußabdruck nochmals. Um das angestrebte Ziel der Klimaneutralität zu erreichen, schießt der Staat bis zu 50 Prozent der Kosten für den Umbau der Heizung zu. Informationen hierüber sind im Internetauftritt der BAFA in der Rubrik „Bundesförderung für effiziente Gebäude“ erhältlich.
Bildquelle: Vaillant Group, aroTHERM plus
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