Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Die Funktion einer Wärmepumpe kann relativ einfach erklärt werden. Eine Wärmepumpe ist im Grunde nichts anderes als ein Kühlschrank, dessen Funktionsprinzip umgekehrt wurde. Bei Kühlschränken wird die Wärme von innen nach außen umgeleitet. Bei einer Wärmepumpe wird die Wärme hingegen von außen nach innen geleitet.

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. Andere Systeme wandeln Strom direkt in Wärme um. Eine Wärmepumpe nutzt den Strom hingegen, um Wärme aus dem Erdreich oder der Luft auf ein gewünschtes Temperaturniveau zu erhöhen. Diese Wärme wird anschließend zur Verfügung gestellt. Die Wärme stammt beispielsweise aus dem Erdreich, dem Grundwasser, der Luft oder aus Flüssen und geht auf ein spezielles Kältemittel über. Dieses hat die besondere Eigenschaft, dass es bereits bei relativ niedrigen Temperaturen verdampft und Wärme aufnehmen kann. Ein Verdichter (Scrollverdichter) erhöht den Druck des Kältemittels und erhitzt es damit. Die Energie geht anschließend auf das Heizsystem über, wodurch sich das Kältemittel abkühlt und seinen Ausgangszustand wieder einnimmt.

Im ersten Schritt des Prozesses nimmt die Wärmepumpenheizung Energie aus der Umwelt auf. Das funktioniert entweder direkt mit einer Luft- oder Grundwasserwärmepumpe oder indirekt über einen separaten Kreislauf. Dieser kommt zum Beispiel bei einer Erdwärmepumpe zum Einsatz, um die Wärme aus dem Boden zur Heizung zu transportieren. Eine spezielle Flüssigkeit (das Kältemittel) nimmt die Wärme auf und verdampft bereits bei niedrigen Temperaturen.

Anschließend gibt das erhitzte Kältemittel thermische Energie an das Heizsystem ab. Dabei sinkt seine Temperatur, und es verflüssigt sich. Ein zusätzliches Drosselventil sorgt dafür, dass der Druck auf den Ausgangszustand sinkt. Das ist Voraussetzung dafür, dass die Funktionsweise der Wärmepumpe immer wieder ablaufen kann.

Die Funktion einer Wärmepumpe kann durch vielerlei Quellen genutzt werden. Umweltwärme entsteht beispielsweise dadurch, dass Wasser oder Luft durch Sonnenstrahlen mit Energie gespeist werden. Aus dem Erdreich wird die gespeicherte Energie durch Tiefenbohrungen entnommen. Aber auch die Abwärme von großen technischen Anlagen, wie zum Beispiel Serverräumen, können mit einer Wärmepumpe genutzt werden, um genug Wärme für ein ganzes Gebäude zu erzeugen. Wie funktioniert also eine Wärmepumpe? Die Funktion der Wärmepumpe ist bei jeder Wärmequelle gleich. Mit dem passenden Kältemittel wird der Umgebung Energie entzogen und in Form von nutzbarer Wärme abgegeben.

Die bekannteste Wärmepumpenart ist die Kompressionswärmepumpe. Sie basiert auf einem 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
  

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 anschließen 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 im Ablauf. 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.

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
  

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.