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Auch wenn es verschiedene Typen und Ausführungen gibt, basieren Wärmepumpen grundsätzlich auf ein und demselben Prinzip. Eine zentrale Rolle spielt dabei das Kältemittel, das in der Wärmepumpe im Kreislauf geführt wird. Es nimmt im Verdampfer thermische Energie auf, die beispielsweise von Erdwärmesonden, Grundwasser, Abwärme oder aus der Umgebungsluft stammt. Dabei verdampft es. Anschliessend wird es in einem Verdichter (Kompressor) komprimiert und in den Verflüssiger geleitet. Dort kondensiert es, wird also wieder flüssig, und übergibt die dabei entstehende Wärme via Wärmetauscher an das Wasser des Heizkreislaufs. Das Kältemittel durchläuft anschliessend ein Expansionsventil, wo der Druck und damit auch die Temperatur stark reduziert werden. Der Kreislauf beginnt danach mit der Aufnahme der Umweltwärme von neuem.
In den letzten Jahren haben sich Wärmepumpen als Alternative zu fossilen Wärmeerzeugern etabliert und sind insbesondere bei Neubauten zum neuen Standard für die Wärmeversorgung geworden. Sie kommen aber auch bei fast allen Sanierungen infrage. Flexibel sind sie zudem in Bezug auf die Dimensionierung. Für Ein- und Mehrfamilienhäuser existieren Kompaktlösungen, für Überbauungen oder für den Betrieb eines thermischen Netzes lassen sie sich skalieren und im Anlagenbau realisieren. Wärmepumpen können eine Vielzahl erneuerbarer Energiequellen nutzen, von Abwärme (z. B. von Industrieprozessen oder Kläranlagen) über Erdwärmesonden, Grund-, Fluss- und Seewasser bis hin zur Umgebungsluft. Entscheidend für einen möglichst umweltschonenden Betrieb ist der Strommix, mit dem die Wärmepumpe betrieben wird. Die Kombination mit Photovoltaik ist eine oft genutzte Möglichkeit, um erneuerbaren Strom für den Betrieb der Wärmepumpe zu verwenden.
Die Umwälzpumpe der Wärmepumpe kann zudem dafür genutzt werden, Gebäude mit Kälte zu versorgen. Diese als «Freecooling» bezeichnete Funktion wird angesichts des Klimawandels, der zu mehr Hitzetagen führen dürfte, immer wichtiger. Beim Freecooling wird kühles Wasser durch den Kreislauf gepumpt, in dem sonst das Heizwasser mit höherer Vorlauftemperatur zirkuliert. Statt Wärme abzugeben, nimmt das Wasser die Wärme aus den Räumen auf und kühlt sie ab. Freecooling lässt sich mit deutlich weniger Energieaufwand betreiben als beispielsweise eine Klimaanlage. Heute kommt es vorwiegend bei gewerblichen Nutzungen zum Einsatz. In Zukunft können vermehrt auch Wohnungen auf diese Weise gekühlt werden, um den Komfort an Hitzetagen sicherzustellen.
Voraussetzung für die Kühlfunktion einer Wärmepumpe ist eine geeignete Energiequelle wie Erdwärmesonden oder Seewasser, die das erforderliche tiefe Temperaturniveau sicherzustellen vermag. Zudem muss die Kälteenergie im Gebäude effizient verteilt werden können, zum Beispiel über den Fussbodenkreislauf oder über thermoaktive Bauteile (TABS). Radiatoren hingegen eignen sich nicht dafür.
Das Kältemittel als Trägermedium der thermischen Energie nimmt im Wärmepumpenkreislauf eine Schlüsselrolle ein. Die Anforderungen sind dementsprechend hoch. In erster Linie muss ein Kältemittel geeignete thermodynamische Eigenschaften aufweisen. Damit ist gemeint, dass es bei tiefen Temperaturen verdampft und dass der Temperaturbereich zwischen Verdampfen und Verflüssigen zur Wärmeanforderung passt. Je kleiner die Temperaturdifferenz zwischen Verdampfer und Verflüssiger, desto höher die Effizienz der Wärmepumpe. Die verschiedenen Kältemittel haben unterschiedliche Einsatzbereiche, sie eignen sich für tiefere oder höhere Temperaturen sowie für kleinere oder grössere Anlagen. Die Wahl des Kältemittels ist also stets auch von der jeweiligen Anforderung abhängig.
Wichtig ist, dass Kältemittel nicht zu einer Klimabelastung führen, wenn es zu einer Leckage kommt. Diesbezüglich schneiden natürliche Kältemittel wie Ammoniak, Kohlenstoffdioxid und Propan deutlich besser ab als synthetische Kältemittel.
Letztere basieren oft auf Fluorkohlenwasserstoffen (FKW), die beim Entweichen aus dem System stark klimaschädlich wirken, weil sie in der Atmosphäre lange stabil bleiben. Ein Beispiel: 2 Kilogramm des Kältemittels R-404A entwickeln bei einer Freisetzung den gleichen Treibhauseffekt wie 6,5 Tonnen CO₂. Die potenzielle Klimaschädlichkeit von Kältemitteln wird mit dem GWP-Wert (Global Warming Potential) beschrieben. Wie die Tabelle zeigt, liegt die mögliche Klimabelastung bei natürlichen Kältemitteln um ein Vielfaches tiefer als bei synthetischen.
Natürliche Kältemittel haben auch nachteilige Eigenschaften. Propan beispielsweise ist hochentzündlich. Ammoniak ist schwerer entzündlich, dafür aber giftig. Diese Nachteile lassen sich mit passenden technischen Konzepten ausgleichen.
Solche Wärmepumpen befinden sich in einer luftdichten Zelle, die regelmässig einer Dichtigkeitsprüfung unterzogen wird. Im Fall einer Leckage würden Sensoren die erhöhten Konzentrationen feststellen und den Strom sofort unterbrechen, um die Gefahr einer Entzündung zu minimieren. Die kontaminierte Luft aus der Zelle kann im Ernstfall mit einer speziellen Reinigungsanlage neutralisiert werden. Ebenso gehören spezielle Lüftungsanlagen (Havarielüftungen oder Sturmlüftungen) zum Sicherheitskonzept. Diese Massnahmen sind mit gewissen Investitionen verbunden, dafür stellen die natürlichen Kältemittel keine Gefahr für das Klima dar.
«Der Umgang mit natürlichen Kältemitteln ist etabliert, das Handling bekannt», sagt unser Fachspezialist Christoph Bleuler dazu. «Es braucht einen gesunden Respekt, aber Angst muss niemand haben.»
Aufgrund ihrer klimaschonenden und thermodynamischen Eigenschaften setzen wir schon seit vielen Jahren wenn immer möglich auf natürliche Kältemittel. Heute betreiben wir bereits über die Hälfte der installierten thermischen Leistung unseres Portfolios damit. Wir verfügen über ein grosses Know-how im Umgang mit natürlichen Kältemitteln und freuen uns, dieses in zukünftige Projekte einfliessen zu lassen – für ein angenehmes Raumklima und eine gesunde Umwelt.