Funktionsweise einer Wärmepumpe

Der Begriff der Wärmepumpe wird daraus abgeleitet, dass Umgebungswärme auf ein höheres Temperatur-niveau „gepumpt“ wird. Dabei arbeiten alle typischen Wärmepumpen Kompressionswärmepumpen mit Elektro-, Diesel-, Gas- oder Ölantrieb) nach dem gleichen Prinzip. Dieses Prinzip kennen wir bereits seit es Kühlschränke gibt. Denn auch ein Kühlschrank erzeugt an seiner Rückseite Wärme, die er dem Innenraum entzieht und an die Umgebung abgibt.

Bei den Kompressionswärmepumpen handelt es sich um Geräte, die mit Strom, Gas oder Diesel betrieben werden. Als Kältemittel werden oft reine Kohlenwasserstoffe wie Propan oder Propylen verwendet. Da diese Stoffe brennbar sind, werden bei ihrem Einsatz besondere Sicherheitsmaßnamen nötig. Deshalb kommen heute auch Ammonium, Kohlendioxid oder sogar Wasser zum Einsatz.

Der Solekreislauf
Da Wasserwärmekompressionspumpen sehr häufig eingesetzt werden, wird deren Funktionsweise hier exemplarisch erläutert. Bei dieser Form der Wärmegewinnung wird dem Boden am Förderbrunnen Grundwasser entnommen, dass das ganze Jahr über zwischen 8° und 12° C warm ist. Nachdem das Grundwasser über einen Wärmetauscher einen Teil seiner Temperatur an den Kältemittelkreislauf abgegeben hat wird es 15 m entfernt vom Förderbrunnen über den so genannten Schluckbrunnen wieder ins Erdreich zurück geführt. Bei den anderen Wärmepumpen handelt es sich hierbei um den Solekreislauf. Dazu wird in der Regel ein mit Frostschutzmittel versehenes Wasser verwendet. Dieses nimmt die Wärme aus seiner Umgebung auf und gibt sie dann an den Kältemittelkreislauf weiter.

Der Kältemittelkreislauf
Das Kältemittel hat einen extrem niedrigen Siedepunkt. Bei den niedrigen Temperaturen wird es im Verdampfer in den gasförmigen Zustand überführt. Dadurch nimmt es diese Wärmeenergie auf. Anschließend wird das Gas im Verdichter zusammengepresst. Durch die hohe Kompression des Kältemittels steigt die Temperatur noch einmal deutlich an. Das nun heiße Kältemittel gelangt nun in den Verflüssiger. Hier gibt der Dampf seine Energie über einen weiteren Wärmetauscher an das Heizsystem weiter. Der Druck wird durch ein Entspannungsventil abgebaut. Dadurch wird das Kältemittel wieder in seinen kalten, flüssigen Zustand überführt und wird wieder dem Verdampfer zugeführt. Hier beginnt der Vorgang von vorne.

Um diesen Wärmefluß zu ermöglichen muss das Temperaturniveau des Solekreislaufes geringer sein, als die Temperatur der Wärmequelle. Auch muss der Kältemittelkreislauf ein höheres Temperaturniveau haben als der Heizkreislauf.

Häufig werden Wärmepumpen mit Strom, Öl oder Gas angetrieben. Diese Antriebsenergie wird um so geringer, je kleiner die Temperaturdifferenz zwischen dem Wärme führenden Medium (Luft, Wasser, Erdreich) und der Wohnrauminnentemperatur ist. Daher ist eine Wärmepumpe in Verbindung mit einer Fußbodenheizung am effektivsten. So kann der Heizenergieaufwand um 30 – 50 % – je nach Auslegung des Systems – gesenkt werden.

Die Jahresarbeitszahl
Um die angebotenen Wärmepumpen in ihrer Effizienz miteinander vergleichen zu können dient die Jahresarbeitszahl als Maß. Diese Zahl gibt an, wie das Verhältnis zwischen der Nutzenergie (sprich Heizungswärme) und der zugeführten Fremdenergie (in Form von Strom) im Laufe eines Jahres ist. Bei den effizienteren Anlagen liegt dieser Wert über 3,5. Je höher dieser Wert ist, desto effizienter arbeitet die Anlage.

Die Leistungszahl
Eine andere Vergleichsgröße ist die Leistungszahl (COP). Bei diesem Wert handelt es sich um den thermischen Wirkungsgrad der Wärmepumpe. Sie vergleicht die zugeführte elektrische Verdichterleistung mit der nutzbaren Wärmeleistung. Dieser Wert liegt im Normalfall über 1. Auch bei dieser Zahl gilt, je höher die Zahl desto besser die Anlage. Obwohl Wasser/Wasser Wärmepumpen in Prüfungseinrichtungen meist die beste COP erreichen sind diese Geräte nicht immer die besten. Denn gerade Grundwasserwärmepumpen weisen hohe Nebenverbräuche (Brunnenpumpe) auf. Auch wird hier bei anderen Quelltemperaturen (10° C) gemessen.

Mit Gas- oder Ölmotor betriebene Wärmepumpen
Kann bei einem Wärmeverdichter als Antieb ein Gas- oder Ölmotor eingesetzt werden, kann ein hoher Wirkungsgrad von 1,8 erzielt werden. Denn der exergetische Wirkungsgrad des Motors liegt bei 35 % und die durch den Motor produzierte Abwärme kann zu 90 % genutzt werden. Bei dieser Antriebsart sind jedoch die Investitionskosten wesentlich höher. Außerdem benötigen diese Geräte einen deutlich größeren Wartungsaufwand.

Die Absorptionswärmepumpen
Neben den üblichen Kompressionswärmepumpen existieren auch Absorptionswärmepumpen. Beim Mischen von zwei verschiedenen Gasen oder Flüssigkeiten entsteht Wärme. Dieser physikalische Effekt wird durch die Absorptionswärmepumpen genutzt. Hierbei wird ein Lösungsmittel im Kältemittel gelöst und anschließend davon wieder getrennt.

Bevor Sie sich für eine bestimmte Bauart von Wärmepumpe entscheiden, sollte Sie sich intensiv über die Vor- und Nachteile der entsprechenden Lösungen informieren.