Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Eine Wärmepumpe funktioniert ähnlich wie ein Kühlschrank. Mit einem kleinen Unterschied: Ein Kühlschrank entzieht dem Raum Wärme, die Wärmepumpe leitet die Wärme hingegen in den Raum hinein. Für diesen Vorgang benötigt sie üblicherweise Strom. Während andere elektrische Heizsysteme diesen direkt in Wärme umwandeln, ist der Strom bei einer Wärmepumpenheizung erforderlich, um Umweltwärme auf ein höheres Temperaturniveau zu bringen. Das folgende Video verdeutlicht die Funktion der Wärmepumpe.  

Technik und Funktion der Wärmepumpe im Detail

Damit eine Wärmepumpe funktioniert, sind verschiedene Komponenten erforderlich. Kompressionswärmepumpen benötigen dazu unter anderem einen Verdampfer, einen Verdichter, einen Verflüssiger sowie ein Expansionsventil. Welche Aufgaben die einzelnen Komponenten haben und wie sie zusammen arbeiten, erklären wir in vier Schritten:  

1. Verdampfer:  Der Verdampfer ist ein Wärmeübertrager, an dem Umweltwärme aus der Luft, der Sole (Erdreich) oder dem Grundwasser auf das flüssige  Kältemittel  übergeht. Während sich die beiden Stoffe dabei nicht vermischen, gibt die Umweltwärmequelle Energie ab, wodurch ihre Temperatur sinkt. Das Kältemittel nimmt unterdessen Energie auf. Es erwärmt sich und geht durch seine speziellen Eigenschaften und die Druck-Verhältnisse in der Wärmepumpen-Technik in den gasförmigen Zustand über.
2. Verdichter:  Bei dem Verdichter (zum Beispiel  Scrollverdichter) handelt es sich um einen Kompressor. Dieser saugt den Kältemitteldampf an und presst ihn zusammen. Da sich dabei das Volumen des Dampfes verringert, steigt sein Druck an. Positiver Nebeneffekt, den sich die Technik der Wärmepumpe zunutze macht: Mit zunehmendem Druck steigt auch die Temperatur des Kältemittels. Das ist nötig, um die mitgeführte Wärme im nächsten Schritt auf das Heizungswasser übertragen zu können.
3. Verflüssiger:  Genau wie der Verdampfer ist auch der Verflüssiger ein Wärmeübertrager. Er führt den heißen Kältemitteldampf am Heizungswasser vorbei und ermöglicht die Wärmeübertragung von einem Medium auf das andere. Das Kältemittel gibt dabei Energie ab, wodurch seine Temperatur sinkt. Das Heizungswasser nimmt die Energie hingegen auf und erhitzt sich.
4. Expansionsventil:  Das Expansions-, Entspannungs- oder  Drosselventil  setzt den Druck des Kältemittels herab. Es sorgt dafür, dass sich das Medium ausdehnen und vollständig verflüssigen kann und gewährleistet, dass immer ausreichend Kältemitte durch den Verdampfer strömt. Zum Einsatz kommen thermische- oder elektrische Expansionsventile. Letztere sind genauer und daher eher in größeren Klimageräten zu finden. Hat das Kältemittel seinen Ausgangszustand wieder erreicht, beginnt der Prozess von vorn. Die folgende Grafik stellt die Technik und die Funktion der Wärmepumpe noch einmal im Überblick dar.  

Wichtig zu wissen: Je höher der Verdichter die Temperatur und damit auch den Druck erhöhen muss, umso mehr Energie verbraucht die Wärmepumpe. Da heißt: Soll die Technik effizient funktionieren, müssen die Temperaturen von Wärmequelle und Heizungswasser nahe beieinander liegen.

Besonderheit bei Erdwärmepumpen: Direktverdampfung

Die Direktverdampfung ist bei Luft-Wasser-Wärmepumpen und Luft-Luft-Wärmepumpen ein gängiges Verfahren. Bei Erdwärmepumpen wird die Energie des Erdreichs hingegen in der Regel zunächst auf eine Sole übertragen, die in einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert. An dem Verdampfer geht die Wärmeenergie auf den Kältemittelkreislauf und nach dem Verdichten durch einen Kompressor auf den Heizwasserkreislauf über. Das Heizsystem besteht damit aus drei voneinander getrennten Kreisläufen. Die Wärmeübertragung auf das Kältemittel geht jedoch immer mit einem Temperaturverlust einher. Um diesen zu vermeiden und damit die Effizienz zu erhöhen, kann das Verfahren der Direktverdampfung genutzt werden. Dabei wird auf den Solekreislauf verzichtet. Das Kältemittel fließt direkt durch spezielle Erdwärmesonden und überträgt die aus dem Erdreich aufgenommene Wärmeenergie auf den Heizwasserkreislauf. Mit einem Direktverdampfer entfällt zudem die Solepumpe und deren Stromverbrauch.

Ein Direktverdampfer hat bei Wärmepumpen aber nicht nur Vorteile. Unter anderem ist zu beachten, dass größere Mengen des Kältemittels benötigt werden. Das geht mit höheren Kosten einher. Zudem sind viele Kältemittel klimaschädlich. Die Leitungen in der Erde sind daher besonders zu sichern und Leckagen zu vermeiden.

Die verschiedenen Wärmequellen - Wasser, Luft, Erde

Die Funktion einer Wärmepumpe nutzt verschiedenste Wärmequellen. Umweltwärme lässt sich dabei beispielsweise aus dem Erdreich, der Luft oder dem Grundwasser gewinnen. Aber auch die Abwärme technischer Anlagen lässt sich mit einer Wärmepumpe zum Heizen nutzbar machen. Mehr Informationen, wie die unterschiedlichen Quellen genutzt werden können, finden Sie in den entsprechenden Beiträgen:

• Luft-Wasser-Wärmepumpe
• Wasser-Wasser-Wärmepumpe
• Sole-Wasser-Wärmepumpe

Übrigens: Neben den Standard-Lösungen gibt es auch eine Reihe von Sonderanwendungen. So gewinnen  Abwasser-Wärmepumpen  thermische Energie sogar aus der Kanalisation.

Funktionsweise der Adsorptionswärmepumpe

Wärmepumpen können nicht nur nach Art der Umweltenergie unterschieden werden, sondern auch nach ihrer technischen Funktion – das heißt, wie sie das Temperaturniveau erhöhen. Die bekannteste Wärmepumpenart ist die Kompressionswärmepumpe. Sie basiert auf dem oben beschriebenen technischen Prozess, bei dem ein Kältemittel durch einen elektrisch betriebenen Kompressor oder einen Gasmotor verdichtet wird. 

Die Adsorptionswärmepumpe kommt hingegen ohne mechanische Verdichtung aus. Möglich ist das durch die speziellen Eigenschaften eines porösen Materials und den Einsatz effizienter Gasheiztechnik. Die Funktionsweise der Wärmepumpe basiert dabei auf zwei Phasen, die sich in der Praxis abwechseln. Diese sind die:

• Adsorption, bei der das Material Wasserdampf aufnimmt
  
• Desorption, bei der eine Gasheizung das Gestein trocknet

Wie funktioniert die Adsorptionswärmepumpe?

Im ersten Schritt der Wärmepumpenheizung nimmt das Kältemittel Wärme aus der Umgebung auf. Während diese zum Beispiel aus einer Solaranlage stammt, sorgt ein niedriger Anlagendruck dafür, dass das Medium verdampft. Der dabei entstehende Kältemitteldampf setzt sich anschließend an das poröse Material, bis dieses komplett befeuchtet ist. Infrage kommt hier zum Beispiel Zeolith, weshalb Experten bei dieser Wärmepumpenart auch von der  Zeolith-Heizung  oder Zeolith-Wärmepumpe sprechen.

Sobald das poröse Material keine Feuchtigkeit mehr aufnehmen kann, startet mit der Desorption die zweite Phase. Dabei erhitzt ein Gasbrenner das Zeolith und treibt den Dampf aus. Dieser gibt die enthaltene Energie über einen Wärmeübertrager an die Heizung ab. Dabei sinkt seine Temperatur, das Kältemittel wird wieder flüssig und der Prozess beginnt von vorn.

Funktionsweise der Absorptionswärmepumpe

Eine dritte Wärmepumpenart ist die Absorptionswärmepumpe. Sie basiert auch auf einem immer wiederkehrenden Prozess, der wie bei der Zeolith-Heizung ohne mechanische Druckerhöhung funktioniert. Zum Einsatz kommt hier jedoch kein festes Material, sondern eine Flüssigkeit (Sorptionsmittel), die den Kältemitteldampf aufnimmt. Die Funktionsweise der Wärmepumpe besteht aus drei Schritten. Diese sind die:

• Verdampfung des Kältemittels
  
• Absorption des Kältemitteldampfes
  
• Trocknung des Sorptionsmittels

Wie funktioniert eine Absorptionswärmepumpe?

Auch hier beginnt der Prozess mit der Aufnahme der Umweltenergie. Diese stammt zum Beispiel aus der Luft, dem Erdreich oder dem Grundwasser und sorgt dafür, dass ein Kältemittel verdampft.  Im zweiten Schritt der Funktionsweise der Wärmepumpe strömt das nun dampfförmige Kältemittel zum Absorber. Hier nimmt eine Flüssigkeit (Sorptionsmittel) den Dampf auf und sorgt dafür, dass der Druck im Prozess niedrig bleibt.

Ist das Sorptionsmittel gesättigt, wird es von einer Pumpe zum sogenannten Austreiber (einem Wärmeübertrager) transportiert. Hier erhitzt ein Gasbrenner das Gemisch, wobei sich die Flüssigkeiten wieder voneinander trennen. Das dampfförmige Kältemittel gibt die enthaltene Energie daraufhin an das Heizsystem ab und verflüssigt. Sobald es seinen Ausgangzustand erreicht hat, beginnt der Prozess von vorn.

Voraussetzungen für einen sparsamen Betrieb der Wärmepumpe

Eine strombetriebene Wärmepumpenheizung arbeitet nur dann besonders sparsam, wenn der Temperaturunterschied zwischen Umweltwärmequelle und Heizsystem niedrig ist. Denn das entlastet den elektrischen Verdichter und sorgt für niedrige Heizkosten. Neben der Wahl einer günstigen Energiequelle sollten Hausbesitzer dabei auch auf die Planung der eigenen Anlage achten. Voraussetzung für die sparsame Funktion der Wärmepumpe ist dabei ein System, das auch mit niedrigen Heizwassertemperaturen für kuschelige Temperaturen sorgt. Möglich ist das zum Beispiel durch eine gut gedämmte Gebäudehülle, energiesparende Fenster und eine Flächenheizung wie etwa Fußboden- oder Wandheizung.

Stromverbrauch einschätzen und berechnen

Der Stromverbrauch einer Wärmepumpe hängt darüber hinaus von der Heizleistung und der  Jahresarbeitszahl  (JAZ) ab. Die entsprechende Formel sieht folgendermaßen aus:

Jährliche Heizleistung in Kilowattstunden / JAZ = jährlicher Stromverbrauch in Kilowattstunden

Wir gehen eine Beispielrechnung mit einer jährlichen Heizleistung von 10.000 kWh (6.000 kWh für Heizung und 4.000 kWh für Warmwasser) und Richtwerten für die JAZ (4 für Heizung und 3,5 für Warmwasser) durch.

Die Rechnung setzt sich nun wie folgt zusammen:

(6.000 kWh / 4) + (4.000 kWh / 3,5) =  2643 kWh (gerundet)

Je nach JAZ der Wärmepumpe kann sich der jährliche Stromverbrauch zwischen 2.000 und 4.000 kWh bewegen.  Das heißt, je höher die JAZ umso sparsamer der Betrieb. Wichtig: die Wärmepumpe sollte in jedem Falle zum individuellen Heizverhalten und zum Gebäude passen.