Funktionsweise und Technik der Wärmepumpe

Mit Hilfe der Wärmepumpe gelingt es die gespeicherte Sonnenenergie aus Luft, Erdreich oder Grundwasser, auf ein für Heizzwecke erforderliches Temperaturniveau zu heben. Im Gegensatz zu Öl- und Gasbrennern heizt sie ohne Flamme und leistet einen großen Beitrag zur sofortigen CO2 Minderung in der Atmosphäre. Mit der sauberen Heiztechnik der Wärmepumpe werden die Betriebskosten für die Heizung und der Warmwasseraufbereitung spürbar gesenkt ohne großartige Wärmedämmmaßnahmen am Haus durchführen zu müssen. Trotzdem sollte man auf eine ausreichende Wärmedämmung des Wohngebäudes achten, und wenn nötig durchführen. Vorab erstellt ein geprüfter Gebäudeenergieberater vor Ort dem Hausbesitzer ein Konzept zur effizienten Energieeinsparung.

Wärme aus der Umwelt kann man aus dem Erdreich, dem Grundwasser oder der Luft entziehen. Die Umweltwärme ist unerschöpflich, da diese Energiequellen durch die Sonneneinstrahlung ständig regeneriert werden. Im Gegensatz zur Sonnenwärme (Solaranlagen), kann die gespeicherte Energie saisonunabhängig zu jeder Tages- und Nachtzeit von der Wärmepumpe genutzt werden.

Die Arbeitsweise der Wärmepumpe gleicht der eines Kühlschrankes mit umgekehrter Funktion oder anderer Zielsetzung. Der Verdampfer im Kühlschrank entzieht den Kühlgut, also den Lebensmitteln die Wärme, die am Verflüssiger an der Rückwand abgegeben wird. Die Wärmepumpe entzieht Umweltwärme niedriger Temperatur, wandelt sie auf höhere Temperatur und führt sie dem Heizsystem zu. Ein geschlossener Kühlkreislauf enthält ein Arbeits- oder Kältemittel welches bei einer niedrigen Temperatur im Verdampfer der Wärmepumpe verdampft.

Man spricht von einer Zustandsänderung (Aggregatzustand) des Stoffes. Bei Änderung des Kältemittels von flüssig auf dampfförmig wird der Umweltwärme die Energie entzogen. Die Umweltwärme (Quelle) muss dabei höher sein als die Siedetemperatur des Kältemittels. Durch das entstehende Temperaturgefälle findet eine Wärmeübertragung auf das Kältemittel statt.

Nach den Gesetzen derThermodynamik wird die Energie vom warmen zum kalten Medium übertragen. Die Quelle kühlt sich dabei ab. Der Dampf des Arbeitsmittels wird von einer Pumpe (Kompressor) abgesaugt und auf ein höheres Druckniveau gebracht. Durch die Druckerhöhung steigt die Temperatur. Bei modernen Wärmepumpen übernimmt ein Scrollverdichter die Arbeit des Kompressors.

Jeder kennt den Effekt bei einer Fahrradpumpe, wenn man das Ventil mit dem Daumen verschließt, erhöht sich dort die Temperatur sehr heftig. Das nun auf Heizniveau erwärmte und unter hohem Druck stehende Kältemittel wird dem Verflüssiger zugeführt, und die Wärme des Dampfes durch Kondensieren (flüssig zu werden) an dem umgebenen Heizkreis abgeführt. Wieder ensteht eine Änderung des Aggregatzustandes wobei hohe Energien freigesetzt werden. Danach wird das Arbeitsmittel dem Expansionsventil zugeführt und auf den niedrigen Druck des Verdampfers entspannt. Der Kreislauf des Arbeitsmittels ist somit geschlossen, und der dann niedrige Druck entspricht der Siedetemperatur des Arbeitsmittels. Zum Vergleich: Jeder hat schon mal gehört, dass auf hohen Bergen der Luftdruck geringer ist als an der Küste. Deshalb fängt Wasser auf den Bergen schon bei weniger als 100° Celsius an zu kochen.

Der größere Teil der Energiemenge, die die Wärmepumpe der Heizungsanlage zuführt, stammt nicht aus der Antriebsenergie des Verdichters, sondern aus der Umweltwärme. Diese innere Energie der Umgebung wird im Allgemeinen als nutzlos betrachtet, weil sie keine Arbeit verrichten kann.

Je nach Art der Umweltwärme (ob Luft, Wasser oder Erdreich) und abhängig von deren Temperaturbedingungen, kann sie zwei- bis fünfmal größer sein, als die elektrische Energie die der Verdichter der Wärmepumpe für seine Arbeit benötigt. Je geringer der Temperaturabstand der Quelle aus der Umweltwärme und dem Heizungssystem ist, desto besser ist die Leistungszahl der Wärmepumpe. Das ist der Grund warum eine Wärmepumpe für Fussbodenheizungen besonders gut geeignet ist. Die Vorlauftemperatur beträgt hier nur 35°C.

Schema einer Wärmepumpe mit Scrollverdichter

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