Wärmepumpe: Funktion kurz erklärt

Die Wärmepumpe: Funktion vereinfacht erklärt

Mit der Wärmepumpen-Funktion ist es möglich, Wärmeenergie aus der Umwelt zu gewinnen. Nicht nur das, sie kann diese auf ein für uns Menschen nutzbares Temperaturniveau anheben. Das Funktionsprinzip einer Wärmepumpe gleicht in etwa dem eines Kühlschranks. Der Unterschied besteht darin, dass das Gerät nicht Kälte, sondern Wärme erzeugt. Die drei gängigen Energiequellen für eine Wärmepumpe sind Luft, Erdreich und Grundwasser.

Vereinfacht ausgedrückt, basiert die Wärmepumpe-Funktionsweise auf dem Prinzip der  Aufnahme, Verdichtung, Abgabe und Entspannung. Je nach Energiequelle wird die darin enthaltene Umweltwärme dazu genutzt, um ein Kältemittel zu erwärmen. Das Kältemittel nimmt somit die Umweltwärme auf und verdampft nach und nach. Weil die Temperatur des Kältemitteldampfs nicht reicht, um einen Raum zu beheizen, wird der Dampf mithilfe  eines mit Strom angetriebenen Kolben- oder Scrollverdichters komprimiert. Dabei erwärmt er sich. Auch der Druck steigt. Erreicht er seine gewünschte Temperatur, überträgt sie ein  Wärmetauscher  auf das Heizwasser. Nach der Abgabe kühlt das Kältemittel ab, steht aber noch unter hohem Druck. Damit der Verdichtungsvorgang wiederholt werden kann, wird es durch ein Entspannungsventil geleitet.     

Energiewärme ist theoretisch immer vorhanden

Das Wärmeempfinden ist subjektiv. Temperaturen um die null Grad Celsius bezeichnen die meisten Menschen als kalt. Aus physikalischer Sicht gesehen ist das nicht ganz korrekt. Denn der absolute Nullpunkt liegt dort bei -273,15 Grad Celsius. Alles, was darüber liegt, enthält theoretisch noch Energiewärme. Mit der Wärmepumpen-Funktion ist es also möglich, auch bei unwirtlichen Temperaturen Wärme zu gewinnen.

Die Temperatur der jeweiligen Wärmequelle ist wichtig  

In der Praxis ergibt dies aber keinen Sinn. Denn  der mit Strom angetriebene Verdichter muss sehr viel Leistung aufbringen, um aus dem Ausgangsmaterial Wärme zu gewinnen. Um die Wärme zum Beispiel für die Heizung nutzen zu können, muss ihre Temperatur über der des Heizsystems liegen. Je größer der Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle und Heizanlage ist, desto mehr Energie muss zusätzlich aufgebracht werden. Für die Funktion der Wärmepumpe und  ihre Effizienz ist es also entscheidend, wie hoch die Temperatur der jeweiligen Energiequelle ist.

Die Funktion bei der Luft-Wasser-Wärmepumpe

Luft ist überall vorhanden, und noch dazu kostenlos. Luft ist auch die Energiequelle für eine  Luft-Wasser-Wärmepumpe. Sie saugt die Außenluft mithilfe von Ventilatoren an und überträgt sie an den Wärmetauscher. Dieser entzieht der Luft Wärme und gibt sie an ein zirkulierendes Medium weiter. In dem Fall handelt es sich um ein Kältemittel. Dieses ändert  seinen Aggregatzustand bereits bei niedrigen Temperaturen. Im Vergleich: Wasser verdampft bei 100 Grad Celsius. Trifft die der Luft entzogene Wärme auf das Kältemittel, verdampft Letzteres.

Während des Betriebs können wahrnehmbare Geräusche entstehen

Es folgt der Verdichtungsprozess. Ein mit Strom angetriebener Kompressor erhöht den Druck des Kältemitteldampfs. Dadurch steigt auch seine Temperatur. Die so erzeugte Wärme wird über einen Wärmeübertrager an den Heizkreis weitergegeben. Der Kältemitteldampf kühlt dabei allmählich ab und verflüssigt sich wieder. In einem Expansionsventil wird der Druck abgebaut, bis der Dampf wieder flüssig ist. Nun kann der Vorgang wiederholt werden. Während des Betriebs können wahrnehmbare Geräusche entstehen. Das sollte bei der Planung berücksichtigt werden.

Nach demselben Prinzip läuft auch die  Funktion bei der Abluftwärmepumpe. Der wesentliche Unterschied liegt darin, dass nicht der Außenluft, sondern der Abluft Wärme entzogen wird.

Die Funktion bei der Wasser-Wasser-Wärmepumpe

Die Funktion der  Wasser-Wasser-Wärmepumpe  ist der der Luft-Wasser-Wärmepumpe fast identisch. Auch hier wird einem bestimmten Medium Wärme entzogen und diese durch einen Kältemittelkreislauf geleitet. Statt der Außenluft gewinnt die Wasser-Wasser-Wärmepumpe ihre Wärme aus dem Grundwasser. Dieses bietet das ganze Jahr über eine konstante Temperatur von sieben bis zwölf Grad Celsius.

Wasser-Wasser-Wärmepumpen benötigen mindestens zwei Brunnen

Auch wenn die Wärmepumpe-Funktion bei beiden Arten fast identisch ist, gibt es bei den Voraussetzungen große Unterschiede. So benötigt die Wasser-Wasser-Wärmepumpe mindestens zwei Brunnen: einen Förderbrunnen und einen  Schluckbrunnen. Die Tiefe der Brunnen variiert je nach Stand des Grundwassers zwischen vier und 15 Metern. Des Weiteren muss sichergestellt werden, dass immer genügend Wasser vorhanden ist. Die Wasserqualitäten und dessen chemische Zusammensetzung variieren sehr stark. Es besteht deshalb Korrosionsgefahr für den Wärmetauscher und die Rohrleitungen. Eine Analyse des Grundwassers vor dem Bau ist deshalb ratsam.

Neben Grundwasser ist es auch möglich, Kühlwasser, etwa aus industrieller Abwärme, als primäre Energiequelle zu nutzen. Für beide Wasserarten gilt aber, dass die Nutzung von der zuständigen Behörde genehmigt werden muss. Das ist in der Regel das Wasserwirtschaftsamt.

DIe Funktion bei der Sole-Wasser-Wärmepumpe

Die Wärmepumpen-Funktion bei der  Sole-Wasser-Wärmepumpe  ist der einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe sehr ähnlich. Auch hier ist die Energiequelle kostenlos und das ganze Jahr über sehr konstant. Die Temperaturen liegen je nach Tiefe und Bodenqualität zwischen sieben und 13 Grad Celsius. Auch dann, wenn die obere Erdschicht bereits zugefroren ist. Hier wird die aus der Erdschicht gewonnene Wärme ebenfalls durch einen Kreislauf mit Kältemittel geleitet, am dessen Ende die Wärme genutzt wird.

Bohrungen für Erdsonden sind meldepflichtig

Für die Verwendung einer Sole-Wasser-Wärmepumpe sind je nach Art Bohrungen nötig. Diese sind  meldepflichtig. Bei Bohrungen von mehr als 100 Metern Tiefe ist die Bergbehörde zuständig. Eine weitere Genehmigung durch die Wasserbehörde ist ebenfalls Voraussetzung für eine Tiefenbohrung. Erst wenn alle rechtlichen Anforderungen erfüllt sind, werden Erdsonden in einer Tiefe von bis zu 100 Metern eingelassen. Eine Alternative zu den Erdsonden sind Erdkollektoren. Diese werden großflächig unter der Erdoberfläche in einer Tiefe von etwa 1 - 1,5 Metern verlegt. Und dort aus entziehen sie dem Erdreich Wärme und ermöglichen somit die Funktion einer Wärmepumpe. Eine Genehmigung ist in diesem Fall nicht notwendig. Dafür ist der Platzbedarf sehr hoch. So sollte die Kollektorenfläche doppelt so groß sein wie die zu beheizende Fläche.