Wie liefert eine Wärmepumpe mehr Wärme, als sie Strom verbraucht?

Wärme aus dem Nichts?

Diese Kiste scheint Wärme aus dem Nichts zu machen. Eine Einheit Strom geht hinein, und etwa drei Einheiten Wärme kommen heraus. Doch hier entsteht nichts: Die fehlende Energie steckt direkt vor dem Haus, in der kalten Außenluft. Folgen wir dem Kältemittel durch vier Bauteile, dann wird die zusätzliche Wärme verständlich.

Heizungen, die Wärme erzeugen

Beginnen wir mit dem Heizgerät, das fast jeder versteht. Ein Elektroheizer schickt Strom durch einen Heizdraht, und der Draht wandelt diese Energie in Wärme um. Eine Einheit hinein, eine Einheit Wärme heraus, mehr schafft der Draht allein nicht. Ein Gaskessel verbrennt Brennstoff und liefert höchstens so viel Wärmeenergie, wie im Brennstoff steckt.

Beide Geräte erzeugen Wärme. Eine Wärmepumpe verschiebt vor allem Wärme, die schon da ist.

Auch kalte Luft enthält Wärme

Alles, was wärmer als der absolute Nullpunkt ist, enthält Wärmeenergie. Der absolute Nullpunkt liegt bei etwa minus zweihundert dreiundsiebzig Grad Celsius. Luft mit null Grad, die an den Händen eiskalt wirkt, liegt also weit darüber. Das Problem: Wärme fließt von selbst nur vom Wärmeren zum Kälteren.

Um Wärme aus kalter Außenluft in einen warmen Raum zu bringen, muss etwas sie bergauf schieben. Genau diesen Schub bezahlt man eigentlich mit dem Strom.

Eine Flüssigkeit, die unter null siedet

Das Arbeitsmittel in einer Wärmepumpe heißt Kältemittel. Man wählt es, weil es unter dem Gefrierpunkt von Wasser siedet. Ein gängiges Kältemittel, R zweiunddreißig, siedet bei Normaldruck bei etwa minus zweiundfünfzig Grad Celsius. Beim Sieden wird Wärme aufgenommen, so wie kochendes Wasser weiter Energie vom Herd aufnimmt, ohne heißer zu werden.

Ist das Kältemittel im äußeren Wärmetauscher kälter als die Außenluft, siedet es und entzieht ihr Wärme. Ein Ventilator bläst Außenluft über den Wärmetauscher und liefert so ständig Wärme nach.

Der Verdichter

Jetzt ist das Kältemittel kalter Niederdruckdampf, beladen mit dieser Wärme. Der Strom treibt den Verdichter an. Er presst den Dampf in ein kleineres Volumen, und diese Arbeit erhöht Druck und Temperatur. Der verdichtete Dampf ist jetzt heißer als der Raum, den er heizen soll.

Das ist der Schub bergauf, geleistet mit elektrischer Arbeit.

Wärme fließt nach drinnen

Der heiße Dampf strömt zum inneren Wärmetauscher. Weil er heißer ist als die Raumluft, fließt die Wärme von selbst heraus. Während das Kältemittel Wärme abgibt, kondensiert es wieder zu Flüssigkeit. Ein Gebläse oder ein Wasserkreis bringt die Wärme in die Räume, über Luftauslässe, Heizkörper oder den Boden.

Das Expansionsventil

Die Flüssigkeit steht noch unter hohem Druck und muss noch durch ein Ventil. Ein Expansionsventil lässt sie durch eine enge Öffnung auf die Niederdruckseite. Der plötzliche Druckabfall macht das Kältemittel viel kälter. Wieder kalt, strömt es zurück zum äußeren Wärmetauscher, kälter als die Luft dort.

Und der Kreislauf beginnt von vorn, solange die Anlage läuft.

Woher die drei Einheiten kommen

Jetzt geht die Energiebilanz auf. Von drei Einheiten Wärme, die unser Beispielgerät ins Haus liefert, stammt eine aus dem Strom für den Verdichter. Die anderen zwei hat der kalte Wärmetauscher aus der Außenluft aufgenommen. Das Verhältnis von abgegebener Wärme zu elektrischer Arbeit heißt Leistungszahl, englisch C O P.

Unser Beispiel hat eine Leistungszahl von drei. Laut Internationaler Energieagentur hat eine typische Haushaltswärmepumpe eine Leistungszahl um vier. Es entsteht keine Energie. Der Strom bezahlt den Transport, und Transport ist billiger als Erzeugung.

Warum das Verhältnis eine Obergrenze hat

Doch die Zahl kann nicht unbegrenzt wachsen. Die Physik setzt eine Obergrenze, abhängig von den Temperaturen der Wärmequelle und des Ziels. Für eine perfekte, reversible Wärmepumpe ist die Grenze die Temperatur der warmen Seite geteilt durch den Temperaturunterschied. Dabei zählen die Temperaturen ab dem absoluten Nullpunkt.

Im Lehrbuchfall mit null Grad draußen und zwanzig drinnen liegt diese Grenze bei etwa vierzehn Komma sieben. Sind es draußen zehn Grad, verdoppelt sie sich ungefähr, auf etwa neunundzwanzig. Echte Geräte liegen weit darunter: Wärmetauscher brauchen zum schnellen Wärmetransport zusätzliche Temperaturunterschiede. Verdichter und Ventilatoren haben Energieverluste. Lehrreich ist vor allem die Form der Formel.

Je größer der zu überwindende Temperaturunterschied, desto niedriger liegt diese Obergrenze.

Die kältesten Tage

Und der Abstand ist genau dann am größten, wenn das Haus die meiste Wärme braucht. Wird die Außenluft kälter, muss eine Luftwärmepumpe die Wärme weiter heben, und ihre Leistungszahl sinkt. Ein Kommentar von zweitausend dreiundzwanzig in der Fachzeitschrift Joule bündelte rund zweitausend siebenhundert Messungen von etwa fünfhundert fünfzig Wärmepumpen aus sieben Feldstudien in Europa, Nordamerika und China.

Zwischen plus fünf und minus zehn Grad lag die mittlere Leistungszahl bei zwei Komma sieben vier. In jeder Studie lag die mittlere Leistungszahl dabei bei mindestens zwei Komma vier. Zwei Modelle für kaltes Klima wurden in Finnland bei minus dreißig Grad getestet. Eines lieferte noch eineinhalb bis zwei Einheiten Wärme pro Einheit Strom, das andere eine bis eineinhalb.

Im Winter kommt ein weiterer Energieaufwand hinzu. Um den Gefrierpunkt kann der äußere Wärmetauscher vereisen, und das Abtauen kostet zusätzliche Energie. Viele Luftwärmepumpen haben auch eine Zusatzheizung für die kältesten Stunden, und eine elektrische Zusatzheizung arbeitet wie der Heizdraht vom Anfang: eine Einheit Strom ergibt eine Einheit Wärme.

In den Feldstudien sprang die Zusatzheizung meist erst unter etwa minus zehn Grad an.

Kalte Länder setzen längst darauf

Kaltes Klima allein hat die Verbreitung nicht gestoppt. Laut Internationaler Energieagentur haben etwa sechzig Prozent der Gebäude in Norwegen eine Wärmepumpe. In Schweden und Finnland waren es über vierzig Prozent. Dort muss man im Winter heizen.

Die Innentemperatur zählt

Auch die Temperatur im Haus bestimmt den Abstand. Viele ältere Heizsysteme lassen Wasser mit sechzig bis siebzig Grad Celsius zirkulieren. Eine Wärmepumpe, die so heißes Wasser liefert, muss Wärme weiter heben, also sinkt ihre Effizienz. Darum vergrößern Installateure manchmal Heizkörper, bauen Fußbodenheizung ein oder verbessern die Dämmung.

Ein gut gedämmtes Haus bleibt mit niedrigerer Vorlauftemperatur warm, das verkleinert den Abstand von innen.

Effizienz ist nicht gleich Heizkosten

Eine hohe Leistungszahl heißt nicht automatisch eine niedrigere Heizrechnung. Die Rechnung hängt vom Wärmebedarf des Hauses ab, von der Leistungszahl über die ganze Saison und vom Strompreis im Vergleich zum ersetzten Brennstoff. Hier ein Rechenbeispiel des US-Energieministeriums.

Eine Wärmepumpe mit einer saisonalen Leistungszahl von drei ersetzt eine Gasheizung, die achtzig Prozent der Brennstoffenergie in Wärme umwandelt. Die Wärmepumpe ist damit drei Komma sieben fünf Mal so effizient. Sie ist also günstiger, solange Strom weniger als etwa drei Komma sieben fünf Mal so viel kostet wie dieselbe Energiemenge Gas. Wo Strom teurer ist, kann die Wärmepumpe im Betrieb mehr kosten, obwohl sie viel weniger Energie braucht.

Die Installation ist die andere Hürde. Laut Internationaler Energieagentur kosten selbst die billigsten Luft-Wasser-Wärmepumpen in den meisten großen Heizmärkten vor Förderung zwei- bis viermal so viel wie ein Gaskessel. Auch Kältemittellecks sind wichtig, denn manche Kältemittel sind starke Treibhausgase.

Trotzdem schätzte die Agentur, dass eine Wärmepumpe mit heutigen Kältemitteln die Treibhausgasemissionen um mindestens zwanzig Prozent gegenüber einem Gaskessel senkt, und mit saubererem Strom um bis zu achtzig Prozent.

Zwei Ausnahmen

Nicht jede Wärmepumpe holt ihre Wärme aus der Außenluft. Erd- und Wasserwärmepumpen nutzen Boden, Grundwasser oder einen nahen Fluss, die im Winter meist wärmer sind als die Luft. Der kleinere Temperaturunterschied erhöht ihre Leistungszahl. Außerdem müssen sie keinen äußeren Wärmetauscher abtauen. Der Nachteil sind die Kosten: Der Erdwärmekreislauf braucht eine tiefe Bohrung oder ein großes unterirdisches Rohrnetz.

Dieselbe Maschine kann auch rückwärts laufen. Ein Umschaltventil vertauscht die Aufgaben der Wärmetauscher: Im Sommer nimmt der innere Wärme auf, der äußere gibt sie ab, wie bei einer Klimaanlage.

Vier Bedingungen zum Prüfen

Die Kiste bricht keine Naturgesetze. Sie nutzt eine Einheit Strom, um Wärme über einen Temperaturunterschied zu heben. Wie viel Wärme sie bewegt, hängt von vier prüfbaren Dingen ab. Wie kalt es draußen bei dir wird.

Wie heiß Wasser oder Luft im Haus sein müssen. Wie gut das Gebäude seine Wärme hält. Und was Strom gegenüber dem ersetzten Brennstoff kostet. Je kleiner der Abstand, desto mehr Wärme bringt jede Stromeinheit ins Haus.