Die Wärmepumpe und ihre Geschichte – Von der Kälte zur Wärme

Die Geschichte der Wärmepumpe: Das Prinzip und die ersten Anfänge

Bei einer Wärmepumpe wird Umweltenergie unter Einsatz von Strom in thermische Energie umgesetzt. Die Quelle kann hierbei entweder die Luft sein oder das Grundwasser sowie die Erdwärme. Dementsprechend gibt es unterschiedliche Arten dieses Heizungssystems. Darunter ist wahrscheinlich die Luftwärmepumpe die bekannteste. Aber auch die Erdwärme als Quelle versorgt viele Häuser mit Wärme. Diese sogenannte Sole-Wasser-Wärmepumpe sammelt die Energie über Sonden oder Kollektoren ein, um sie anschließend in Heizwärme umzuwandeln.

Das Wärmeträgermedium ist in jedem Falle ein Kältemittel, welches bei vergleichsweise sehr niedrigen Temperaturen verdampft (wie bei der Umweltenergie). Bei dieser Reaktion geht die Wärme von der Umweltenergiequelle auf das Kältemittel über. Um diesen Effekt zu erhöhen, muss der nun entstandene Kältemitteldampf komprimiert, also verdichtet, werden. Das heißt über den Druck erhöht sich die Temperatur. So kann das eher niedrige Temperaturniveau aus der Umweltenergie bis auf die gewünschte Raumtemperatur angehoben werden.

Doch dieses Prinzip war den Menschen nicht von Anfang klar. Viele Schritte führten zu der heutigen Wärmepumpentechnik und dabei gab es so manchen Umweg. Vor allem muss die Funktionsweise zunächst andersherum gedacht werden. 

Das 18. und 19. Jahrhundert: Die ersten Ideen und Experimente

Viele meinen, die Wärmepumpe sei ein ganz modernes Heizsystem. Doch ihre Anfänge reichen ins 18. Jahrhundert zurück.  William Cullen, ein schottischer Mediziner und Chemiker, entdeckte nämlich  1777  bei Experimenten mit Äther (genauer mit Diethylether), dass dem Reaktionsgefäß Wärme entzogen wird. Nämlich dann, wenn Äther mithilfe von Unterdruck zum Verdampfen gebracht wird. Doch mit diesem und ähnlichen Experimenten versuchten Cullen und andere Wissenschaftler nicht, eine neue Heizung zu erfinden. Sie suchten vielmehr nach einer Möglichkeit zur Tiefkühlung. Im Übrigen konnte Cullen einen kleinen Teilerfolg feiern. Denn es bildete sich im Gefäß tatsächlich eine geringe Menge Eis.

Doch erst knapp 60 Jahre später gab es diesbezüglich den nächsten Durchbruch mit dem amerikanischen Maschinenbauer  Jacob Perkins. Er baute ein funktionierendes Kühlgerät mit mechanischem Kompressor (1834). Doch es bestand das Problem, dass der Äther in der Verbindung mit Luft explosiv reagierte. Deshalb gab es lange Zeit kaum wirtschaftliches Interesse an derartigen Geräten.

Für mehr Sicherheit und damit eine gebrauchstaugliche Technik sorgten folgende Entwicklungen:

• 1850 Ferdinand Carré änderte das Ausgangsmittel von Äther in Schwefelsäure und Wasser.
  
• 1859 meldete er das Patent mit den Ausgangsstoffen Ammoniak und Wasser an.  

Meilenstein in der Geschichte der Wärmepumpe: Kältemaschinen zum Heizen verwenden

Doch die ersten Modelle waren vor allem Eismaschinen. Erst mit US-Amerikaner John Gorrie rückte die Möglichkeit, damit auch Räume zu kühlen, in den Mittelpunkt. Er wollte eine solche Technik vor allem in Krankenzimmern einsetzen. Anlass war eine Epidemie mit Gelbfieber.

Doch wie zuvor beim Äther funktionierte der Einsatz mit den Kältemitteln nicht reibungslos. Ammoniak und Wasser verursachten unter anderem wesentliche höhere Drücke in der Maschine. Das führt zu undichten Stellen und zum Verlust des Kältemittels.

Viele Wissenschaftler, ob in Europa oder in den USA experimentierten und versuchten, die Abläufe in diesen Eismaschinen zu verbessern. Doch den wirklichen Durchbruch schafften die Kühlgeräte erst, als sie auch in privaten Häusern untergebracht werden konnten. Das passierte zunächst in erster Linie in den USA nach dem Ersten Weltkrieg. Das wirtschaftliche Interesse war geweckt. Das kurbelte natürlich die Weiterentwicklung und Verbesserung der Geräte an. Doch diese Technik zum Heizen zu verwenden, beeinflusste diese Entwicklung nur geringfügig. Dafür spielten zusätzliche Faktoren eine Rolle.  

Die Wärmepumpe und ihre Geschichte – Der Meilenstein 1852

Im Jahr 1852 veröffentlichte William Thomson eine Abhandlung darüber, dass die Kältemaschinen, welche mit dem Prinzip der Kompression arbeiteten, auch hervorragend zum Heizen genutzt werden könnten. Unter dem Titel „Heating Machine“ zeigte er sogar, dass diese wesentlich weniger Primärenergie einsetzen musste als eine herkömmliche direkte Heizung. 

Die Wärmepumpe: Ihre Geschichte nimmt Fahrt auf im 20. Jahrhundert

Doch wirklich durchsetzen konnten sich die Wärmepumpen zum Heizen erst im Laufe des 20. Jahrhunderts. Dabei spielte in verschiedenen Dekaden ein Aspekt eine ausschlaggebende Rolle: Versorgungsknappheit mit Brennstoffen.

An dieser Stelle ist zu betonen, dass vor allem in der ersten Hälfte des vergangenen Jahrhunderts viele Entwicklungen der Wärmepumpe und ihrer Geschichte parallel beziehungsweise je nach politscher Lage etwas zeitversetzt in zahlreichen Ländern fortgeschritten ist. Insbesondere die USA, welche vom Ersten Weltkrieg weitestgehend verschont blieben, sind zu erwähnen. Hier wurden bereits in den 20er Jahren serienmäßig Klimaanlage gebaut, die eine Heizfunktion besaßen. Aber auch die Schweiz und Österreich machten auf dem Gebiet der Wärmepumpentechnik erstaunliche Fortschritte, ebenso wie Deutschland. Ressourcenknappheit und extrem hohe Brennstoffpreise waren jedoch nicht nur die Folge des Ersten Weltkriegs, sondern auch der großen Rezession im Zuge der Wirtschaftskrise und des Schwarzen Freitags von 1929.

Ein Meilenstein in der Geschichte der Wärmepumpe bildet in dieser Zeit in jedem Falle der Einsatz größerer Wärmepumpenanlagen zum Beheizen von Gebäuden in Zürich. 1938 wurde dort sogar das Rathaus mit einer Wärmepumpe ausgestattet. Das erste erdgekoppelte Modell gab es 1945 dann in den USA. 

Mit großen Schritten in die Zukunft der Wärmepumpe

Ein herausragender Meilenstein für die Wärmepumpe-Geschichte ist das Jahr 1968. Klemens Oskar Watterkotte nahm die erste Niedertemperatur-Fußbodenheizung in Betrieb, die mit einer Erdwärmepumpe gekoppelte wurde. Vor allem in Kombination mit der Möglichkeit trotz niedriger Systemtemperatur angenehm zu heizen, wurde die Wärmepumpe langsam wirtschaftlicher. Durch die Ölkrisen in den 1970er Jahren gab es wieder Ressourcenknappheit und hohe Brennstoffpreise. Das Interesse an alternativen Heizungssystemen stieg. Das verstärkte sich zudem durch das nun höhere Umweltbewusstsein vieler Menschen. Darüber hinaus wurde 1978 das Gesetz zur Förderung der Modernisierung von Wohnungen und zur Einsparung von Heizenergie erlassen. Dies begünstigte den Einbau von Wärmepumpen. Doch die Geschichte ist nicht immer linear. Nach den Ölkrisen rückte diese Technologie erst einmal in den Hintergrund. Denn viele Gebäude eigneten sich aufgrund der schlechten Dämmung weniger gut für eine Wärmepumpe.

Erst mit den 1990ern und den Jahrzehnten danach etablierte sich das System Wärmepumpe immer stärker auf dem Heizungsmarkt und kommt heute vielerorts in verschiedenen Varianten zum Einsatz. Nicht selten sind darunter auch Hybridlösungen. 

Im Beitrag zur Geschichte der Heizung erfahren Sie, inwieweit die Wärmepumpe darin einen Meilenstein darstellt.