Wärmepumpen werden genutzt, um Wärme entgegen der natürlichen Fließrichtung von einem kälteren auf ein wärmeres Medium zu übertragen. Sie arbeiten umso effektiver, je kleiner die dabei zu überbrückende Temperaturdifferenz ist. Besonders effizient arbeiten sie daher überall dort, wo bislang ungenutzte Abwärme genutzt werden kann.

Das Funktionsprinzip einer Wärmepumpen

Bei den meisten Wärmepumpen handelt es sich um Kompressionswärmepumpen. In diesem Wärmepumpen wird die Wärme des angezapften Reservoirs genutzt, um ein flüssiges Kältemittel zu verdampfen. Anschließend wird dieses nun gasförmige Kältemittel mechanisch komprimiert, wobei es sich erhitzt. Die Wärme des komprimierten Kältemittels wird über einen Wärmetauscher beispielsweise an einen Heizkessel abgegeben. Die für das Verdampfen des Kühlmittels genutzte Wärme kann sowohl einem Gas als auch einer Flüssigkeit entzogen werden. Im Fall einer Erdwärmepumpe kommt eine Flüssigkeit zum Einsatz, die zuvor durchs Erdreich zirkulierte und dort Wärme aufgenommen hat. Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe hingegen entzieht die Wärme einfach der Außenluft. An dieser Stelle kommt die Abwärme ins Spiel, die in gewerblichen Umgebungen an vielen Stellen anfällt. Wenn statt der Außenluft die erwärmte Abluft eines Produktionsprozesses, einer Kühlung oder auch eines Serverraums als Wärmereservoir angezapft wird, arbeitet die Wärmepumpe erheblich effizienter.

Anwendungsbereiche für Wärmepumpen

Auch in gewerblichen Umgebungen sind die Heizung und die Warmwasserbereitung die häufigsten Einsatzgebiete für Wärmepumpen. Der wesentliche Unterschied zum Einsatz in Privathäusern besteht darin, dass häufig vorgewärmte Abluft zur Verfügung steht und die Wärmepumpe damit einen wichtigen Beitrag zur Energierückgewinnung leistet. Allerdings werden Wärmepumpen gewerblich auch zu anderen Zwecken eingesetzt. Viele chemische Reaktionen erfordern eine erhöhte Temperatur. Insbesondere im Temperaturbereich deutlich unter 100 Grad Celsius können Wärmepumpen solche Prozesswärme effektiv bereitstellen. Dasselbe gilt für Trocknungsvorgänge, beispielsweise in der Textilverarbeitung oder in der Landwirtschaft. Hochtemperaturwärmepumpen arbeiten hingegen auch noch bei Temperaturen von etwa 100 Grad effizient. Bei noch höheren Temperaturen stoßen Wärmepumpen an ihre Grenzen. Eine strikte physikalische Obergrenze existiert nicht, grundsätzlich kann das Kältemittel nahezu beliebig stark komprimiert werden (siehe oben). Aber eine wichtige Grundregel lautet, dass der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe umso schlechter wird, je höher die zu überbrückende Temperaturdifferenz ist. Wärmepumpen sind also nicht geeignet, um extrem hohe Temperaturen zu erzeugen, wie sie zum Beispiel in der Stahlindustrie benötigt werden.

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Wärmepumpen in der Landwirtschaft

Landwirtschaftliche Betriebe können in mehrfacher Hinsicht von Wärmepumpen profitieren. Zunächst verfügen sie über hinreichend große Flächen, um Rohre für Erdwärmepumpen zu verlegen, die typischerweise etwa einen Meter unter der Oberfläche verlegt werden. Außerdem stellt das Beheizen von großen Ställen eine ideale Einsatzmöglichkeit für Wärmepumpen dar, da viel Wärmeenergie bei relativ niedrigen Temperaturen benötigt wird. Oft steht auch eine Quelle von warmer Abluft zur Verfügung, beispielsweise durch eine Milchkühlung. Vorteilhaft ist auch, dass große Dachflächen für eine Photovoltaikanlage vorhanden sind, um den Strom für die Wärmepumpe selbst zu erzeugen.

Trocknung mit Wärmepumpen – ein Beispiel

Kondensationstrockner sind lange bekannt, sie sind als Wäschetrockner auch in privaten Haushalten verbreitet. Das Prinzip ist denkbar einfach: Warme Luft wird in die Wäschetrommel geleitet und nimmt das verdunstete Wasser der Wäsche auf. Anschließend wir die Luft gekühlt, wobei das Wasser wieder kondensiert und abfließen kann. Es liegt auf der Hand, dass eine Wärmepumpe diesen Vorgang deutlich energieeffizienter gestalten kann. Der Trick besteht dabei einfach darin, dass die der abkühlenden Luft entzogene Wärme genutzt wird, um die in die Trommel geleitete Luft zu erwärmen. Das Prinzip des Kondensationstrockners auf Basis einer Wärmepumpe funktioniert nicht nur im heimischen Wäschetrockner, sondern auch im großen industriellen Maßstab. Der LKW-Hersteller Scania nutzt diese Technologie, um frisch lackierte Außenteile seiner Fahrzeuge zu trocknen. Typisch ist, dass auch in diesem Projekt nur moderate Temperaturen benötigt werden, aber wegen der Größe des Raums eine relativ hohe Heizleistung. Ebenfalls typisch ist, dass eine konstante Heizleistung erforderlich ist.

Wärmepumpen sind keine Sprinter

Neben zu hohen Temperaturen bereiten Wärmepumpen auch zu schnell veränderliche Anforderungen Probleme. Wird eine Wärmepumpe zur Warmwasserversorgung eingesetzt, erwärmt sie das Wasser vorab auf Vorrat. Warmwasserspeicher können die Wärme viele Stunden speichern, weswegen dies unproblematisch ist, wenn der tägliche Warmwasserverbrauch nicht zu stark schwankt. Überfordert ist eine Wärmepumpe aber, wenn sie Verbrauchsspitzen abdecken soll, die nur wenige Male im Jahr auftreten. In diesem Fall wäre ein im Normalbetrieb weit überdimensionierter Warmwasserspeicher erforderlich, wovon aus Gründen der Energieeffizienz und der Hygiene abzuraten ist. Deswegen hat man sich zum Beispiel hier entschieden, die Wärmepumpe nur als Heizung zu nutzen. Die Warmwasserbereitung erfolgt über Durchlauferhitzer.

Wärmepumpen besitzen zahlreiche Einsatzmöglichkeiten

Wärmepumpen sind geeignet, über längere Zeiträume auch hohe Heizleistungen bereitzustellen. Typischerweise erzeugen sie dabei mindestens das 3,5-fache der eingesetzten elektrischen Energie als Wärme. Wärmepumpen sind skalierbar und können jedem Leistungsbedarf angepasst werden.