Wärmepumpen

Temperatur lässt sich als die Konzentration von Wärmeenergie in einem bestimmten Stoff oder Raum verstehen. Wenn viel Energie in einen bestimmten Raum oder Gegenstand gepackt ist, ist es heiß. Wenn die Energie vergleichsweise verteilt ist, ist es kalt.

Eine höhere Temperatur bedeutet, dass die Moleküle eines Stoffes mehr kinetische Energie haben - also schneller in einem Feststoff schwingen oder sich in einer Flüssigkeit oder einem Gas schneller bewegen und häufiger zusammenstoßen. Wenn sie schwingen oder zusammenstoßen, erleben wir diese kinetische Energie als Wärmeenergie (also Wärme). Die Temperatur kann also steigen, indem man aktiv mehr Energie aus einer externen Quelle zuführt oder diese Energie konzentriert, indem man (mehr) Moleküle in einen kleineren Raum presst.

Nach den grundlegenden universellen Gesetzen der Thermodynamik neigt Energie immer dazu, sich auszubreiten oder von Bereichen mit hoher Energiekonzentration zu Bereichen mit niedriger Energiekonzentration zu wandern, bis alles ausgeglichen und gleich ist (das nennt man Entropie - siehe Weitere Videos). Deshalb entweicht Wärmeenergie an kalten Tagen aus einem warmen Haus in die kalte Außenluft. Diese Wärmeübertragung lässt sich mit Dämmung verlangsamen, aber Wärmepumpen drehen sie durch einen cleveren Einsatz derselben Prinzipien und einer speziellen, unter Druck stehenden Flüssigkeit namens Kältemittel komplett um.

Kältemittel sind hier besonders nützlich, weil wir ihren Siedepunkt leicht verändern können.

Siedepunkte

Schauen wir uns die Wissenschaft hinter Siedepunkten an. Sieden bezeichnet das Verdampfen einer Flüssigkeit zu einem Gas, wenn Moleküle genug kinetische Energie gewinnen, um sich aus den zwischenmolekularen Kräften zu lösen, die die Flüssigkeit zusammenhalten. In einer Flüssigkeit werden diese Kräfte ständig gelöst und neu gebildet, sodass Moleküle aneinander vorbeigleiten können. Um die Flüssigkeit in ein Gas zu verwandeln, brauchen ihre Moleküle genug Energie, um sich vollständig zu lösen. Das muss nicht unbedingt bei genau 100 °C (212 °F) passieren, wie es bei Wasser normalerweise der Fall ist, und es muss nicht einmal heiß sein…

Wenn du zum Beispiel einen Kessel hoch oben in den Bergen erhitzt, merkst du, dass er tatsächlich bei einer niedrigeren Temperatur kocht. Das liegt daran, dass der Luftdruck in großen Höhen niedriger ist als auf Meereshöhe, wodurch sich Moleküle leichter ausbreiten und entweichen können, sodass das Wasser weniger Energie zum Kochen braucht. Umgekehrt werden Wassermoleküle unter höherem Druck zusammengedrückt und brauchen mehr Energie - und damit höhere Temperaturen - um zu kochen und sich zu lösen. Druck kann also den Siedepunkt von Wasser verändern.

Fühlbare und latente Wärme

Wenn du etwas wie Wasser erhitzt (oder kühlst), verändert zugeführte (oder entzogene) Energie normalerweise zuerst seine Temperatur, indem sie die kinetische Energie seiner Moleküle erhöht (oder senkt) und sie schneller (oder langsamer) bewegen oder schwingen lässt. Diese Energie nennt man fühlbare Wärme, und sie sorgt dafür, dass sich etwas heiß oder kalt anfühlt.

Aber hier kommt ein weiterer Trick - sobald Wasser seinen Siedepunkt erreicht, steigt seine Temperatur nicht mehr. Stattdessen wird die ganze Wärmeenergie plötzlich dafür genutzt, die Bindungen zwischen den Molekülen zu lösen und sie voneinander zu trennen, wodurch Wasser zu Dampf wird. Die Temperatur des Wassers (oder besser gesagt, des entstehenden Wasserdampfs) steigt erst wieder, wenn alles Wasser verdampft ist. Dasselbe gilt, wenn Eis vom festen in den flüssigen Zustand schmilzt. Das nennt man latente Wärme, und das ist eine riesige Energiemenge. Tatsächlich braucht es siebenmal so viel Energie, Wasser zu verdampfen, wie zuvor nötig war, um die Temperatur des Wassers auf seinen Siedepunkt zu bringen.

Deshalb fühlt sich die Luft an feuchten Tagen wärmer an, selbst wenn es draußen dieselbe Temperatur hat (deshalb nennen auch Wetterberichte eine Temperatur, aber ‘gefühlt’ eine andere) - der zusätzliche Wasserdampf in der Luft enthält mehr Wärmeenergie als trockene Luft (also all diese zusätzliche latente Wärme).

So kühlt dich auch Schwitzen ab: Wenn Schweiß verdunstet, nimmt er eine riesige Menge Körperwärme als latente Energie auf und trägt diese Wärme von deiner Haut weg. Bei feuchten Bedingungen, wenn sich bereits viel verdunstetes Wasser in der Luft befindet, wird dieser Prozess verlangsamt, sodass es sich viel heißer anfühlt.

Das Gegenteil passiert, wenn Wasser aus Dampf wieder zu einer Flüssigkeit kondensiert. Die riesige Energiemenge, die du beim Erhitzen zum Kochen zugeführt hast, gibt das Wasser beim Kondensieren wieder ab. Wenn etwas seinen Zustand verändert - also kocht, schmilzt, kondensiert oder gefriert - muss es dabei ‘latente’ Wärmeenergie aufnehmen oder abgeben, weil diese Bindungen gelöst oder gebildet werden.

Temperatur und Druck

Das Zuführen oder Entziehen von Wärme verändert also die Temperatur, aber etwas Ähnliches passiert, wenn du den Druck veränderst.

Druck kann auf Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase ausgeübt werden, aber Gase lassen sich leicht komprimieren, weil zwischen ihren Molekülen Platz ist und sie vergleichsweise weit verteilt sind. Flüssigkeiten und Feststoffe lassen sich dagegen nicht auf dieselbe Weise komprimieren, weil du ihre Moleküle nicht enger zusammendrücken kannst, als sie es bereits sind. Bei einer Flüssigkeit macht Druck es stattdessen schwerer für Moleküle, sich zu einem Gas zu trennen. Ein Dampf ist eine Art Gas, das unterhalb einer kritischen Temperatur direkt zu einer Flüssigkeit komprimiert werden kann, ohne es aktiv zu kühlen. Das ist nicht bei allen Gasen möglich, d. h. alle Dämpfe sind Gase, aber nicht alle Gase sind Dämpfe.

Wir wissen, dass Wasserdampf unter Druck leichter kondensiert, weil dieser hilft, die Moleküle enger zusammenzudrücken. Aber mit genug Druck kannst du Wasserdampf direkt wieder zu einer Flüssigkeit komprimieren, ohne ihn kühlen zu müssen. Wenn der Dampf dann zu einer Flüssigkeit kondensiert, gibt er seine gesamte latente Energie ab. Umgekehrt breiten sich Flüssigkeitsmoleküle bei ausreichend niedrigem Druck aus, ohne überhaupt Wärme zu brauchen. Wenn sie sich dann trennen und verdampfen, nehmen sie latente Energie aus ihrer Umgebung auf.

Allerdings entsteht dadurch eine Art Tauziehen. Wenn Gase und Dämpfe komprimiert werden, erhöht der Druck auch ihre Temperatur. Moleküle in einen kleineren Raum zu pressen (oder mehr Moleküle in denselben Raum) erhöht die Molekülkonzentration - die Moleküle liegen dichter beieinander, Zusammenstöße passieren häufiger, und mehr kinetische Energie ist in diesem Raum konzentriert.

Hier wird es also kompliziert - durch höheren Druck entstehen gegensätzliche Effekte: Die Dampfmoleküle werden enger zusammengedrückt und kondensieren daher eher, aber dadurch steigt auch die Temperatur, sodass sie weniger wahrscheinlich kondensieren.

Der Siedepunkt (oder Kondensationspunkt) des Dampfs wurde durch den Druck nun erhöht, d. h. es bräuchte mehr Energiezufuhr und eine höhere Temperatur, damit der Dampf unter diesen neuen Hochdruckbedingungen gasförmig bleibt.

Wenn seine eigene Temperatur also unverändert wäre, wäre er mit dem zusätzlichen Druck viel näher daran, unter den neuen Siedepunkt zu fallen und zu kondensieren.

Aber natürlich hat sich seine eigene Temperatur verändert und steigt ebenfalls durch den Druck. Während der Druck also den Siedepunkt erhöht, erhöht er auch die Temperatur des Dampfs, und dieser gleichzeitige Temperaturanstieg wirkt der Kondensation entgegen und hält den Dampf oberhalb des immer weiter steigenden Siedepunkts gasförmig.

Damit der Dampf tatsächlich kondensiert, musst du entweder den Druck noch weiter erhöhen - bis der steigende Siedepunkt den gleichzeitigen Temperaturanstieg überholt - oder ihn kühlen, also aktiv Wärme abführen, damit sich all diese zusätzliche kinetische Energie verteilt und die Temperatur unter seinen neuen Siedepunkt fällt.

Das zeigt, wie eng Temperatur, Siedepunkte und Druck zusammenhängen. Du kannst etwas zwingen, seine Temperatur (oder seinen Zustand) zu verändern, entweder indem du 1) aktiv fühlbare (oder latente) Wärmeenergie zuführst oder entziehst oder 2) den Druck veränderst, wodurch wiederum latente Wärme aufgenommen oder abgegeben werden kann. Und das Unter-Druck-Setzen einer Flüssigkeit oder eines Gases erhöht seinen Siedepunkt (also die Temperatur, bei der es entweder verdampft oder kondensiert).

Das gilt natürlich auch für andere Stoffe als Wasser: Deshalb fühlt sich das Sprühen mit einer Dose Druckdeo kalt auf der Haut an - die schnelle Drucksenkung beim Austritt lässt die flüssigen Aerosolmoleküle (und ihre Energie) sich zu einem Gas ausbreiten und lässt ihre Temperatur abstürzen.

Eine Wärmepumpe erzeugt Wärme nicht wie herkömmliche Heizkessel, Öfen oder Elektroheizungen. Stattdessen nutzt sie diese thermodynamischen Prinzipien, um bereits vorhandene Wärme gegen ihren natürlichen Fluss zu transportieren, d. h. niedrigwertige (also weit verteilte) Wärmeenergie von draußen aufzunehmen und sie drinnen zu konzentrieren. Das gelingt mit einem Kältemittel in einem geschlossenen Kreislauf, der von vier wichtigen Bauteilen angetrieben wird: einem Kompressor, einem Expansionsventil und zwei Wärmetauschern, dem Verdampfer und dem Kondensator. Tatsächlich ist das genau dasselbe System wie in Kühlschränken und Klimaanlagen, nur in umgekehrter Richtung (also Wärme im Haus zu konzentrieren, statt sie nach draußen abzugeben). Schauen wir uns zuerst eine Luft-Luft-Wärmepumpe an, die im Grunde eine umgedrehte Klimaanlage ist:

• Schritt 1: Bei normalem Atmosphärendruck hat das Kältemittel einen extrem niedrigen Siedepunkt von etwa -50 °C (-58 °F). Es startet den Kreislauf als sehr kaltes Flüssigkeits-Dampf-Gemisch bei sehr niedrigem Druck nahe seinem Siedepunkt.
  Es strömt durch eine Rohrschlange, die man als Verdampfer bezeichnet, und beginnt, Wärme aus der Außenluft aufzunehmen (die ein Ventilator über die Rohrschlange bläst). Weil das Kältemittel so kalt ist, nimmt es Wärme auf, selbst wenn es draußen relativ kalt ist - sogar bei Lufttemperaturen unter 0 °C^† - solange die Luft noch wärmer ist als das Kältemittel selbst. Wenn es Wärme aufnimmt, erwärmt es sich und verdampft, sobald es seinen niedrigen Siedepunkt überschreitet, zu einem Gas. Dabei nimmt es noch mehr Energie auf, d. h. seine latente Wärme.
• Schritt 2: Nun ist das Kältemittel ein vollständig gasförmiger Dampf bei niedrigem Druck. Es ist immer noch relativ kühl (höchstens so warm wie die Außenluft), enthält aber dank der zusätzlichen latenten Wärme, die es aufgenommen hat, eine beträchtliche Menge Energie.
  Das Kältemittelgas strömt dann durch einen Kompressor. Das setzt das Gas unter Druck und verdichtet es, sodass die Moleküle näher zusammenrücken und ihre gesamte Energie auf kleinerem Raum gebündelt ist (d. h. die Moleküle stoßen öfter zusammen, sodass ihre kinetische Energie steigt), und die Temperatur steigt.
  Dieser Verdichtungsvorgang erhitzt den Dampf. Das Kältemittel ist jetzt ziemlich heiß, meist etwa 50-70 °C (120-160 °F) - heiß genug, dass es trotz seines nun höheren Siedepunkts gasförmig bleibt.
• Schritt 3: Das Kältemittel gelangt dann in das Innengerät und durch eine weitere Rohrschlange, den Kondensator. Das Kältemittel ist jetzt deutlich heißer (seine Energie ist stärker konzentriert) als die Luft im Raum, daher wird Wärme auf natürliche Weise freigesetzt und strömt in den Raum. Dabei kühlt es ab. Es muss nicht stark abkühlen, bevor es unter seinen neuen Siedepunkt fällt, der durch den höheren Druck in der Rohrschlange des Kondensators angehoben wurde. Dann kondensiert es leicht wieder zu einer Flüssigkeit und setzt diese riesige Menge latenter Energie frei - genug, um einen ganzen Raum oder ein Haus zu heizen.
• Schritt 4: Das Kältemittel ist jetzt eine kühle (fast zimmerwarme) Flüssigkeit unter hohem Druck, die den Großteil ihrer Wärmeenergie abgegeben hat, und strömt durch ein drucksenkendes Expansionsventil. Dadurch sinkt der Druck im Rohr und das Kältemittel kann sich ausdehnen - seine Moleküle können sich also verteilen und die verbleibende Energie nach außen zerstreuen. So wird das Kältemittel wieder zu einem Flüssigkeits-Dampf-Gemisch und plötzlich sehr kalt, bereit, den Kreislauf erneut zu starten und durch den Verdampfer zurückzufließen, um mehr Wärme aufzunehmen.

Das zeigt, wie sich durch das Verändern von Druck, Phasenwechseln und latenter Wärme große Energiemengen bewegen lassen, viel mehr als allein durch einfache Temperaturunterschiede mit fühlbarer Wärme transportiert werden könnte. Dagegen gibt das heiße Wasser in deinem Heizkörper seine fühlbare Wärme, die du spüren kannst (und von der wir wissen, dass sie im Vergleich zu latenter Wärme relativ gering ist), schnell ab, sodass ständig mehr heißes Wasser durch deine Heizkörper nachfließen muss, um einen ganzen Raum zu heizen. Der Durchfluss des Kältemittels in einer Wärmepumpe kann viel geringer sein und trotzdem dieselbe Wärmemenge liefern. Zum Glück lassen sich Wärmepumpen auch mit Heizkesseln und wasserbasierten Heizsystemen koppeln, um Wärme an das Wasser zu übertragen, das durch deine Heizkörper, Fußbodenheizung und Warmwasserversorgung fließt (siehe Arten von Wärmepumpen).

^† Hinweis: Wärme oder thermische Energie ist auch bei Temperaturen unter 0 °C noch vorhanden - sie ist nur sehr weit verteilt. 0 °C selbst ist eine willkürliche Markierung auf einer kontinuierlichen Temperaturskala (der Celsius-Skala), die sich am Schmelz-/Gefrierpunkt von Wasser bei normalem Luftdruck orientiert. Daher kann die Celsius-Skala unter null in negative Zahlen fallen.

Der echte „absolute Nullpunkt“ basiert auf einer absoluten Energieskala (der Kelvin-Skala), die für jede Verbindung die theoretisch niedrigste mögliche Temperatur angibt, bei der Energie ein absolutes Minimum erreicht. Die Kelvin-Skala fällt nicht unter 0 K, was -273 °C entspricht, weil es keine negative Energie geben kann. Oberhalb dieser Temperatur kann eine Wärmepumpe theoretisch funktionieren. In der Praxis können moderne Wärmepumpen Energie aus Luft mit Temperaturen bis zu -20 °C gewinnen (also 253 K). Wenn die Leistung bei höheren Temperaturen schlecht ist, liegt das meist an Planung oder Einbau und nicht an der Technologie selbst.

Wärmepumpen nutzen Strom, um Wärme von einem Ort zum anderen zu transportieren, statt sie zu erzeugen. Herkömmliche Heizsysteme erzeugen dagegen Wärme, entweder durch elektrischen Widerstand („Widerstandsheizung“, wie in Elektroheizungen) oder durch das Verbrennen fossiler Brennstoffe wie Kohle oder Gas in einem Ofen oder Heizkessel.

Das macht Wärmepumpen viel effizienter. Ein typischer Gasofen oder Gasheizkessel kann höchstens einen Wirkungsgrad von etwa 90 % erreichen - ein Teil der Verbrennungsenergie entweicht zwangsläufig mit dem heißen Abgas, wenn Wasserdampf freigesetzt wird (in Form nicht genutzter latenter Energie). Bei Elektroheizungen kommen mit Strom aus dem Netz - der durch das Verbrennen fossiler Brennstoffe erzeugt und über Transformatoren und kilometerlange Stromleitungen von Kraftwerken transportiert wird - nur etwa 40 % der ursprünglich in diesen fossilen Brennstoffen enthaltenen chemischen Energie an.

Wärmepumpen verbrauchen dagegen relativ wenig Strom, um die Ventilatoren in den Innen- und Außengeräten anzutreiben und den Kompressor zu betreiben. Das Kältemittel im Kreislauf wechselt in einem natürlichen, spontanen Prozess seinen Zustand - die Wärmepumpe schafft nur die richtigen Bedingungen dafür. Deshalb kann eine gut geplante und installierte Wärmepumpe mehr als dreimal so viel Energie übertragen, wie sie an Strom verbraucht (also 300 %). Unter idealen Bedingungen (siehe Heizsysteme) kann das auf mehr als das Fünf- oder sogar Achtfache steigen (500-800 %).

Effizienz = Die abgegebene Energie (die Wärme, die du bekommst) ÷ Die eingesetzte Energie oder der Brennstoff (wofür du zahlst)

Je nachdem, wo du lebst, sind die Strompreise meist deutlich höher als die Gaspreise. Im Vereinigten Königreich kostet Strom zum Beispiel etwa dreimal so viel wie Gas. Doch weil Wärmepumpen mit einem Wirkungsgrad von über 300 % arbeiten können, können sie günstiger sein als Gasheizkessel - besonders wenn der Preisunterschied zwischen Strom und Gas durch grünere Stromnetze und politische Maßnahmen kleiner wird und Strom billiger wird.

Am günstigsten und effizientesten laufen Wärmepumpen mit erneuerbarem Strom. Aber selbst wenn eine Wärmepumpe mit Strom aus fossilen Brennstoffen betrieben wird, kann sie noch effizienter und günstiger sein als herkömmliche Heizsysteme. Eine Wärmepumpe mit einem Effizienzwert von nur 2,5 kann vielleicht nur 40 % der ursprünglichen Energie aus dem im Kraftwerk verbrannten Erdgas nutzen, aber indem sie diesen Strom nutzt, um das 2,5-Fache der verbrauchten Energie zu transportieren, steigert sie diese 40 % auf 100 % - und übertrifft damit sogar den Wirkungsgrad von 90 %, der beim Verbrennen des Gases vor Ort erreicht wird.

Wie sich die Effizienz von Wärmepumpen auf ihre tatsächliche Leistung und Betriebskosten auswirkt, hängt ab von:

• Hausgröße: Größere Häuser brauchen mehr Energie zum Heizen.
• Dämmung: Gut gedämmte Häuser halten Wärme besser und lassen Wärmepumpen bei niedrigeren, effizienteren Temperaturen laufen.
• Systemauslegung und Installation: schlecht installierte oder ältere Geräte können schlecht laufen und mehr kosten als ein Heizkessel, aber moderne, fachgerecht installierte Geräte können viel Geld sparen.

Es gibt verschiedene Arten von Wärmepumpen, aber sie alle nutzen dieselben Grundprinzipien. Die häufigsten Arten gewinnen Wärme aus der Luft:

• Luft-Luft-Wärmepumpen sind im Grunde umgekehrt arbeitende Klimaanlagen. Beide nutzen zwei Wärmetauscher mit Ventilator, bei denen ein Ventilator Luft über jede Kältemittel enthaltende Rohrschlange bläst, um Wärme aufzunehmen oder abzugeben. Sie unterscheiden sich kaum von Klimaanlagen, nur dass das Kältemittel Wärme in die andere Richtung bewegt – bei Klimaanlagen sitzt der Verdampfer innen, um Wärme aufzunehmen, und der Kondensator außen, um sie abzugeben.
  Luft-Luft-Wärmepumpen können Räume schneller heizen und lassen sich manchmal zum Kühlen umschalten. Hier sind Verdampfer und Kondensator austauschbar, und ein zusätzliches Ventil kehrt den Kältemittelfluss um, ohne dass der Kompressor umgekehrt werden muss. Das kann auch für Klimatisierung und Entfeuchtung sorgen: Die Rohrschlange des Verdampfers nimmt Wärme aus ihrer Umgebung auf und macht dadurch alles um sie herum sehr kalt - Wasserdampf aus der Luft kondensiert bei Kontakt mit der Rohrschlange, wodurch die Luftfeuchtigkeit im Raum sinkt.
  Sie sind günstiger und lassen sich flexibler rund um Möbel platzieren; allerdings sind sie in Wohnräumen meist weniger angenehm (sie können laut sein, Zugluft erzeugen und für turbulente Luftbewegungen sorgen sowie die gewünschte Temperatur immer wieder über- und unterschreiten), und es ist schwieriger, die Wärme im ganzen Haus gleichmäßig zu verteilen, sodass oft mehrere Innengeräte in verschiedenen Räumen oder ein Kanalsystem nötig sind, das warme Luft im ganzen Gebäude verteilt. Außerdem bräuchtest du weiterhin eine zusätzliche Heizung für dein Warmwasser.
• Luft-Wasser-Wärmepumpen nutzen eine Rohrschlange oder einen Plattenwärmetauscher, um Wärme vom Kältemittel auf das Wasser zu übertragen, das durch deine Heizkörper und Fußbodenheizung zirkuliert, oder auf das Wasser in deinem Warmwasserspeicher (das sind getrennte Systeme; du willst schließlich nicht im Heizungswasser baden!). Diese Systeme brauchen länger zum Aufheizen, aber auch zum Abkühlen. Deshalb passen sie gut zu einer angenehmeren, stabileren Umgebung. So kann dein Warmwasserspeicher auch als Energiespeicher dienen. Sie sind allerdings deutlich teurer und können umfangreiche Anpassungen an Leitungen und Heizkörpern erfordern (die Wandfläche einnehmen und von Möbeln verdeckt werden können). Außerdem gibt es an manchen Orten, etwa in den USA, möglicherweise noch keine wassergeführten Systeme.
• Kombinierte Systeme können je nach Raum sowohl Heizkörper als auch Gebläsekonvektoren nutzen, z. B. Heizkörper in Bädern und Gebläseeinheiten in anderen Räumen. Wärmerückgewinnungssysteme können unterdessen Wärme nutzen, die Klimaanlagen im Sommer entziehen und normalerweise nach draußen abgeben würden, um stattdessen Warmwasser zu erwärmen.

Auch Luft-Wärmepumpen gibt es in verschiedenen Anordnungen:

• Splitgeräte waren lange am häufigsten, mit einer Wärmetauschereinheit innen und einer außen. Kompressor und Expansionsventil sitzen meist in der Außeneinheit, um Lärm zu begrenzen und drinnen weniger Platz einzunehmen. Kältemittelleitungen führen dann von draußen nach drinnen, wobei die Einheiten voneinander entfernt installiert werden können, um den Platz besser zu nutzen.
• Monoblockgeräte werden inzwischen immer beliebter. Meist sind es Luft-Wasser-Wärmepumpen, bei denen beide Wärmetauscher und der gesamte Kältemittelkreislauf in einer einzigen Außeneinheit sitzen, während Leitungen heißes Wasser zu den Heizkörpern im Haus führen. So braucht es keine maßgefertigten Kältemittelleitungen, die ins Haus und wieder herausführen, was Zeit und Kosten spart und Risiken verringert.

Luft-Wärmepumpen funktionieren unter den meisten Bedingungen gut, können aber unter -20 °C Schwierigkeiten haben. Ähnlich wie Klimaanlagen die Luft entfeuchten können, kann im Winter Wasser an der äußeren Rohrschlange oder am Außengerät kondensieren und gefrieren, sodass sich Frost bildet. Das lässt sich leicht beheben (z. B. indem Systeme den Kältekreislauf automatisch und vorübergehend umkehren, damit der Frost schmilzt), kann die durchschnittliche Effizienz mit der Zeit aber senken (obwohl es neue, aktive Abtau- oder Frostschutztechnologien gibt).

Erdwärmepumpen sind meist effizienter und bei niedrigen Temperaturen wirksamer, weil die Bodentemperaturen stabiler und gleichmäßiger sind als die Lufttemperaturen, besonders im Winter, wenn Heizung am dringendsten gebraucht wird. Sie nutzen einen weiteren geschlossenen Kreislauf mit einer zirkulierenden Flüssigkeit (meist eine Mischung aus Wasser und Frostschutzmittel), den sogenannten Kollektor, der Wärme aus dem Boden aufnimmt (oder Wärme abgibt, wenn er zur Kühlung rückwärts läuft) und sie über den Verdampfer auf das Kältemittel überträgt. Es gibt zwei Hauptarten von Kollektoren:

• Horizontale Kollektoren bestehen aus Leitungen, die in flachen Gräben verlegt werden. Je weiter die Leitungen verteilt sind (also weniger gebündelt), desto mehr Wärme können sie gewinnen und desto effizienter sind sie. Das senkt auch das Risiko, dem Boden so viel Wärme zu entziehen, dass er gefriert (was sehr schädlich sein kann). Die effizientesten Kollektoren bedecken möglichst viel Bodenfläche in einem einzigen durchgehenden Kreislauf.
• Vertikale Kollektoren brauchen viel weniger Platz und reichen tief in den Boden (so weit, wie vorhandene unterirdische Infrastruktur es zulässt - Bodenuntersuchungen sind nötig!). Es gibt sie in zwei verschiedenen Anordnungen:
• • Geschlossener Kreislauf - ein tiefes Bohrloch mit einer einzigen langen Rohrschleife, das anschließend verfüllt wird. Für ein typisches Haus können mehrere Bohrlöcher nötig sein, je nachdem, wie tief jedes einzelne ist.
  • Offene Kreisläufe nutzen Grundwasserleiter, d. h. sie verwenden unterirdisches Wasser direkt als Wärmeträgerflüssigkeit, die durch den Kollektorkreislauf fließt. Sie sind effizienter (sie haben einen Wärmeübergang/eine Barriere weniger), brauchen aber mehr Fachwissen und Wartung (schmutziges Wasser erfordert eine regelmäßige Reinigung der Systemfilter).

Erdwärmepumpen sind oft darauf angewiesen, dass Wasser im Boden Wärme leitet und nachliefert, was von Bodenporosität und -durchlässigkeit abhängt. Eine einfachere Option ist, Wärme direkt aus einem Gewässer zu gewinnen.

Wasser-Wärmepumpen können sogar effizienter und stabiler sein als Erdwärmepumpen und nutzen geschlossene oder offene Kreisläufe auf die gleiche Weise: einen separaten geschlossenen Kreislauf mit Kollektorflüssigkeit, der durch das Wasser führt, oder direkt Wasser aus der Quelle (was wiederum die Effizienz steigert, aber regelmäßige Reinigung erfordert). Wie schnell sich Wasser (und damit die verfügbare Wärme) erneuert, ist wichtig - fließendes Wasser kann wirksamer sein als stilles Wasser ohne aktive Strömungen, die das angrenzende Wasser erneuern. Außerdem ist es besser, Wärme flussaufwärts zu gewinnen und das genutzte, wärmeärmere Wasser flussabwärts wieder abzugeben, um die Effizienz zu maximieren und kühleres Wasser, das schon genutzt wurde, nicht erneut umzuwälzen.

Erd- und Wasser-Wärmepumpen haben deutlich höhere anfängliche Installationskosten und brauchen Zugang zu ausreichend Platz oder Wasser, können aber durch ihre höhere Effizienz mit der Zeit größere Einsparungen bei den Betriebskosten bringen. Luft-Wärmepumpen haben sich jedoch massiv verbessert und die Unterschiede weitgehend ausgeglichen - inzwischen liegt weniger Gewicht auf Temperatur und Stabilität der Wärmequelle und mehr darauf, die hydraulische Auslegung und das Heizsystem selbst zu optimieren.

Systemsensoren und Steuerung:

• Smarte Thermostate - können helfen, die Heizung gleichmäßig zu halten, indem sie die Temperatur mit kleinen Anpassungen sorgfältig regeln, statt die Heizung immer wieder aus- und einzuschalten.
• Witterungsgeführte Regelung - die Heizung wird vorausschauend über Sensoren geregelt, die die Außentemperatur erkennen, bevor sie die Temperatur in deinem Zuhause beeinflusst.

Temperaturen des Heizungswassers:

• Größere Heizkörper und größere Wassertanks können bei einer bestimmten Temperatur mehr Wasser und damit mehr Wärmeenergie enthalten. Das heißt, sie können Wasser bei niedrigeren Temperaturen halten, um die gleiche Wärmemenge wie kleinere Tanks oder Heizkörper zu speichern (d. h. bei einer geringeren Wärmedichte). Dadurch werden die Temperaturunterschiede zwischen dem Wasser und seiner Umgebung kleiner, was die Wärmeübertragung verlangsamt. Zwar heizt das System dein Zuhause dadurch langsamer, aber größere Heizkörper haben auch mehr Fläche, über die sie Wärme abgeben, was die langsamere Übertragung ausgleicht. Das macht das System auch stabiler, weil es Wärme gleichmäßiger liefert und unerwünschte, verschwenderische Wärmeverluste aus Tanks und Verbindungsrohren verlangsamt.
  Außerdem kann die Heizung dadurch insgesamt mit niedrigeren Vorlauftemperaturen laufen. Da das Kältemittel heißer als das Wasser sein muss, damit Wärme hineinfließen kann, kann die Zieltemperatur des Kältemittels bei kühlerem Wasser niedriger bleiben. Die Wärmequelle muss immer heißer sein, damit Wärme übertragen wird, also zwingt eine höhere Vorlauf- oder Speichertemperatur eine Wärmepumpe dazu, heißer zu laufen, während bei niedrigeren Vorlauf- oder Speichertemperaturen auch die Kältemitteltemperatur niedriger sein kann.
  Eine niedrigere Zieltemperatur des Kältemittels bedeutet auch einen kleineren Temperaturunterschied zur Wärmequelle draußen, den die Wärmepumpe überwinden muss. Der Kompressor muss daher weniger Arbeit leisten, um Druck und Temperatur des Kältemittels zu erhöhen, was den Stromverbrauch senkt und die Effizienz steigert.
• Schichtung (d. h. die natürliche Bildung eines Temperaturgradienten - oder einer „Thermokline“ - in deinem Warmwasserspeicher) kann dazu beitragen, die Temperatur des Wassers zu senken, das Wärme vom Kältemittel aufnimmt, und so die Wärmeübertragungsrate zu erhöhen oder den Bedarf an heißerem Kältemittel zu verringern. Deshalb ist es besser, die Rohrschlange des Wärmetauschers unten im Speicher anzubringen, wo sich schwereres, kühleres Wasser unter wärmerem Wasser befindet.
  Darum ist es besser, höhere, schmalere Speicher zu haben, die diese Temperaturschichtung verstärken, und kaltes Wasser, das von den Heizkörpern im Haus zurückkommt, zusammen mit dem restlichen kalten Wasser direkt zum Boden des Tanks zu leiten (bei niedrigem Druck und geringer Geschwindigkeit, damit das Wasser im Tank nicht aufgewirbelt wird).

Rohrleitungen und Wärmetauscher:

• Leistungsstärkere Wärmetauscher können Wasser schneller oder mit geringeren Temperaturunterschieden im ganzen System erwärmen. Zum Beispiel haben längere oder gerippte Rohrschlangen eine größere Oberfläche und können so die Wärmeübertragung verbessern. Allerdings:
• • Ist der Strömungsweg zu lang oder zu eng, bremst das den Kältemittelfluss und damit die Wärmeabgabe. Die Pumpe muss dann härter arbeiten, wodurch die nötige Eingangstemperatur des Kältemittels in der Wärmepumpe steigt.
  • Ist der Innendurchmesser der Rohrschlange zu groß, sinkt der Druck und die Flüssigkeit fließt zu langsam, sodass sich am Rand des Rohrs eine isolierende Schicht bilden kann, die die Wärmeübertragung einschränkt.
  
  Das gilt auch für Wasserrohre und Leitungen, die zu und durch deine Heizkörper führen. Rohre müssen genau eingestellt und abgeglichen werden, damit am Heizkörper möglichst viel Wärme übertragen wird, aber über alle Anschlussrohre möglichst wenig Wärme verloren geht.

(Zusatzmaterial nach Informationen von Technology Connections & Heat Geek)