Erklärt: Die Funktionsweise der Wärmepumpe

Die Funktionsweise der Wärmepumpe basiert auf kostenfreier Umweltenergie. Diese lässt sich über verschiedene technische Prozesse nutzen, um Häuser zu beheizen oder das Trinkwasser zu erwärmen. Welche Wärmepumpenarten es gibt und wie sich deren Funktion unterscheidet, erklären wir in den folgenden Abschnitten.

Die Themen im Überblick:

Funktionsweise der Wärmepumpe mit Kompression

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 Funktionsweise der Wärmepumpe beruht dabei auf der:

  • Verdampfung des Kältemittels
  • Temperaturerhöhung durch Verdichtung
  • Übertragung der Energie auf die Heizung
  • Regeneration des Kältemittels

Schema der Funktionsweise der Wärmepumpe mit elektrischer Verdichtung

Umweltenergie verdampft Kältemittel

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.

Verdichter erhöht das Temperaturniveau

Da der Kältemitteldampf an dieser Stelle zu kalt ist, um ein Haus mit Wärme zu versorgen, muss seine Temperatur angehoben werden. Möglich ist das mit einem Verdichter. Dieser läuft mit Strom oder Gas und sorgt in der Funktionsweise der Wärmepumpe für den Temperaturhub. Wichtig zu wissen ist, dass der Prozess weniger Energie verbraucht, je kleiner die Differenz zwischen Wärmequelle und Heizungssystem ist.

Übertragung der Wärme und Regeneration

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

Funktion der Adsorptionswärmepumpe

Die Adsorptionswärmepumpe kommt 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

Adsorption befeuchtet das poröse Material

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 sprechen.

Desorption in der Funktionsweise der Wärmepumpe

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.

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

Aufnahme der Umweltenergie

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.

Sorption des Kältemitteldampfes

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.

Trocknung in der Funktionsweise der Wärmepumpe

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.

Alexander Rosenkranz

Fazit von Alexander Rosenkranz

Die Funktionsweise einer Wärmepumpe hängt vom Aufbau der Technik ab. Während die meist bekannten Kompressionswärmepumpen auf einer mechanischen Verdichtung basieren, kommen Sorptionsanlagen ohne diese aus. Möglich ist das durch spezielle Sorptionsmittel und effiziente Heiztechnik.

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