Was ist eine Wärmepumpe und wie funktioniert sie?

Sicher hat jeder Haushalt ein oder zwei Geräte im Haus, die nach dem gleichen Prinzip wie eine Wärmepumpe funktionieren, nämlich einen Kühlschrank oder eine Gefriertruhe beziehungsweise ein Gefrierschrank. So wie im Kühlschrank dem Innenraum Wärme entzogen wird, die den Raum aufheizt, entzieht die Wärmepumpe Luft, Wasser oder dem Boden Wärmeenergie zum Heizen von Räumen oder von Trinkwasser.

Physikalisches Prinzip, das der Technik zugrunde liegt

Wärmepumpen nutzen die Eigenschaft von Stoffen, bei Phasenübergängen Wärme aufzunehmen oder abzugeben. Wie jeder weiß, braucht eine Flüssigkeit zum Verdampfen Wärme. Dies geschieht beim Kochen von Wasser oder im Verdampfer im Inneren des Kühlschranks und im gleichnamigen Bauteil der Wärmepumpe. Umgekehrt setzt das Kondensieren, also der Übergang von Gas (Dampf) in die flüssige Phase Wärme frei. Dies ist zu sehen, wenn Dampf an einer kühlen Fläche abkühlt, er kondensiert zu Wasser. Dies geschieht im Verflüssiger der Wärmepumpe und ebenso an der Rückseite eines Kühlschranks. Dort wird es recht warm.

Damit bei dem Prozess tatsächlich Wärme transportiert wird, muss das System außerdem Druckunterschiede nutzen. Ohne diese würden sich die Energien für das Verdampfen und Kondensieren aufheben. Konkret setzt ein Kompressor das gasförmige Kältemittel unter Druck, es erwärmt sich dabei. Nun kühlt es am Kondensator ab, in dem es Wärme abgibt. Es steht weiter unter Druck und wird flüssig. Die Flüssigkeit entspannt sich in dem System hinter einer Drossel und kühlt dabei stark ab. Nun verdampft Sie unter Wärmeaufnahme und wird erneut vom Kompressor unter Druck gesetzt.

Aufbau einer Wärmepumpe

Das System besteht immer aus zwei Komponenten, eine muss sich außerhalb des Hauses befinden, weil sonst die gewonnene Wärme wieder zum Abkühlen verwendet würde. Außen steht eine Einheit, die Wärme aufnimmt. In der Regel ist es ein Leitungssystem, das mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, die auch bei großer Kälte nicht gefriert. Über eine Pumpe gelangt diese Flüssigkeit zum Verdampfer. Die Flüssigkeit fließt durch Leitungen, die diesen umgeben, einen sogenannten Wärmetauscher. Im Inneren verdampft nun das Kältemittel. Die durch diesen Prozess abgekühlte Flüssigkeit fließt wieder nach außen, um sich dort zu erwärmen.

Das nun gasförmige Kältemittel fließt zum Verdichter (Kompressor) und von dort zum Verflüssiger (Kondensator). Es wird flüssig und gibt dabei Wärme ab. Nach dem Entspannen beginnt der Ablauf am Verdampfer von Neuem.

Für einen Laien ist es verwunderlich, dass dieses System funktioniert, obwohl die Energie aus kaltem Grundwasser oder eisiger Außenluft stammt. Dies liegt daran, dass jeder Stoff der Wärmer als der absolute Nullpunkt ist, Wärmeenergie enthält. Erst wenn etwas auf −273,15 Grad Celsius abkühlt, ist keine Wärme mehr vorhanden. Daher kann eine Wärmepumpe auch kaltem Grundwasser oder frostiger Luft Wärme entziehen. Es kommt nur darauf an, das die Flüssigkeit, welche die Wärme transportiert nicht gefriert und dass ein Kältemittel gewählt wird, das im entsprechenden Temperaturbereich verdampft beziehungsweise kondensiert.

Einteilung der Pumpen

Wärmepumpen werden üblicherweise nach dem Verfahren oder nach der Wärmequelle unterteilt. Teils erfolgt auch eine Klassifizierung nach den Medien, aus denen die Pumpe Energie zieht und welches sie erwärmt. Eine Luft/Luft-Wärmepumpe entzieht der Außenluft Wärme, um damit auf direktem Weg Luft zu erwärmen, die Bezeichnung Wasser/Luft bezieht sich auf Systeme die Wasser als Energiequelle nutzen und Luft direkt erwärmen.

Die meisten Wärmepumpen arbeiten nach dem beschriebenen Verfahren. Es sind daher Kompressions-Wärmepumpen, die einen Motor enthalten. Möglich sind auch Absorptions- oder Adsorptions-Pumpen, die chemische Prozesse nutzen, um Kälte zu entziehen sowie welche die über den Peltiereffekt arbeiten. Letztere beruht auf dem Umstand, dass bestimmte Halbleitermaterialien sich unter Strom einseitig erwärmen.

Gängiger ist die Unterteilung nach Wärmequellen. Diese sind Außenluft, Abluft, Grund- oder

Oberflächenwasser sowie Abwärme von industriellen Anlagen und Erdwärme. Der Boden ist bereits zehn Meter unter der Erdoberfläche konstant 10 Grad warm. Diese gleichmäßige Wärme, die unabhängig von der Außentemperatur ist, macht die Nutzung von Erdwärme sehr interessant.

Effizienz dieser Heizungen

Der Betrieb einer Wärmepumpe ist umso sparsamer, je geringer die Temperaturdifferenz zwischen dem Energielieferanten und der Vorlauftemperatur der Heizung ist. Da in der Regel kühle Energiequellen angezapft werden, sind niedrige Temperaturen des Vorlaufs wichtig. Aus diesem Grund haben sich Niedertemperaturheizungen durchgesetzt. Diese wiederum lassen sich am Besten als Fußbodenheizung konzipieren.

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