Die Funktionsweise einer Wärmepumpe

Die Funktionsweise einer Wärmepumpe ist der eines Kühlschranks sehr ähnlich. Während ein Kühlschrank den Lebensmitteln, also dem Innenraum des Kühlschranks, Wärmeenergie entzieht und diese nach außen leitet, macht eine Wärmepumpe das Gegenteilige: Sie entzieht der Umgebung außerhalb des Gebäudes Wärmeenergie und macht sie für die Heizung im Innenbereich nutzbar. Neben der Raum- bzw. Außenluft ist eine Wärmepumpe in der Lage, die Wärmeenergie aus dem Grundwasser und dem Erdreich anzuzapfen. Und weil die Temperatur dieser so gewonnenen Wärme in der Regel nicht genügt, um ein Gebäude oder das Warmwasser zu erwärmen, bedient man sich des thermodynamischen Prozesses.
 

Der Kältekreisprozess im Detail

Unabhängig davon, welche Wärmequelle zur Wärmeerzeugung genutzt wird, gehört der Kältekreisprozess, der in vier Schritten erfolgt, immer zur Funktionsweise der Wärmepumpe.

1. Verdampfen

Um eine Flüssigkeit verdampfen zu können, muss man Energie zuführen. Das kann man bei Wasser sehr gut beobachten. Wird ein Topf mit Wasser auf 100 Grad Celsius erwärmt, (Wärmeenergie zugeführt) beginnt das Wasser zu verdampfen. Wird dann weiter Wärmeenergie zugeführt, steigt die Temperatur des Wassers nicht weiter an. Stattdessen wird das Wasser vollständig zu Dampf umgewandelt.

2. Verdichten eines Gases

Wird ein Gas, zum Beispiel Luft, zusammengedrückt (der Druck erhöht), erhöht sich auch die Temperatur. Man kann dieses erfahren, wenn man bei einer Fahrradluftpumpe die Öffnung zuhält und die Luft zusammendrückt - der Zylinder der Luftpumpe wird warm.

3. Kondensieren

Da Energie nicht verloren gehen kann, wird, wenn Wasserdampf kondensiert, die zuvor zum Verdampfen eingesetzte Wärmeenergie wieder freigesetzt.

4. Entspannen

Wird bei einer unter Druck stehenden Flüssigkeit der Druck schlagartig abgesenkt, sinkt die Temperatur um ein Vielfaches. Dies kann man zum Beispiel an einer Flüssiggasflasche bei einem Campinggaskocher beobachten. Wird das Ventil geöffnet, kann es selbst im Sommer zur Eisbildung an dem Ventil der Flüssiggasflasche kommen. (Hier wird der Druck von etwa 30 bar auf 1 bar abgesenkt.)
 

Stetige Wiederholung des Prozesses

Diese Prozesse finden innerhalb der Wärmepumpe in einem geschlossenen Kreislauf statt. Für den Wärmetransport wird eine Flüssigkeit (Kältemittel) verwendet, die bereits bei sehr niedrigen Temperaturen verdampft. Um diese Flüssigkeit zu verdampfen, wird Wärmeenergie zum Beispiel aus dem Erdreich oder der Außenluft verwendet. Dafür reichen sogar Temperaturen von minus 20 Grad Celsius aus. Der kalte Kältemitteldampf, zum Beispiel -20 Grad Celsius, wird dann sehr stark zusammengedrückt. Dabei erwärmt er sich bis auf eine Temperatur von bis zu 100 Grad Celsius. Dieser Kältemitteldampf wird kondensiert und gibt die Wärme an das Heizsystem ab. Anschließend wird der Druck des flüssigen Kältemittels stark abgesenkt. Dabei sinkt die Temperatur der Flüssigkeit auf das Ausgangsniveau. Der Prozess kann von vorn beginnen.
 

Der Prozess am Beispiel einer Luft-Wasser-Wärmepumpe

Am einfachsten lässt sich dieser Prozess am Beispiel einer Luft-Wasser-Wärmepumpe erklären: Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe kann aus einer oder zwei Einheiten bestehen. In beiden Fällen saugt ein eingebauter Ventilator aktiv Umgebungsluft an und leitet sie zu einem Wärmetauscher weiter. Der Wärmetauscher selbst wird von einem Kältemittel durchflossen, das seinen Aggregatzustand bereits bei sehr niedrigen Temperaturen ändert. In Kontakt mit der Umgebungsluft erwärmt sich das Kältemittel und wird nach und nach dampfförmig. Um die dabei entstehende Wärme auf die gewünschte Temperatur zu erhöhen, kommt ein Verdichter zum Einsatz. Dieser komprimiert den Dampf und erhöht sowohl den Druck als auch die Temperatur des Kältemitteldampfes.

Ein weiterer Wärmetauscher (Verflüssiger) überträgt anschließend die Energie aus dem erwärmten Dampf auf den Heizkreislauf (Fußbodenheizung, Heizkörper oder Heizungspuffer bzw. Warmwasserspeicher). Dabei kühlt das noch unter Druck stehende Kältemittel ab und verflüssigt sich wieder. Bevor es zurück zum Kreislauf fließen kann, wird das Kältemittel zunächst in einem Expansionsventil entspannt. Hat es seinen Ausgangszustand erreicht, kann der Kältekreisprozess von vorn beginnen.

Das Bild zeigt schematisch den Verdichtungsprozess als Bestandteil der Funktionsweise der Wärmepumpe

Die Kompression benötigt elektrischen Strom

Ein wesentlicher Bestandteil des Kältekreises ist der Verdichter. Denn die Ausgangstemperaturen sind ohne Komprimierung zu niedrig, um ein Gebäude auf eine angenehme Temperatur erwärmen zu können - erst recht an sehr kalten Tagen mit zweistelligen Minusgraden.

In der Praxis kommen verschiedene Verdichter zum Einsatz, darunter Kolbenverdichter oder Scrollverdichter, die elektrisch angetrieben werden. Der Stromverbrauch für die Verdichtung hängt von vielen Faktoren ab. Dazu gehören der Heizbedarf, die Verdichtertechnik und nicht zuletzt der Temperaturunterschied zwischen der Wärmequelle und dem Heizungssystem. Grundsätzlich gilt: Je höher die Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und der Vorlauftemperatur ist, desto mehr muss der Verdichter arbeiten.