Wärmepumpen / 1.2 Der Kreisprozess der Wärmepumpe

Im Inneren der Wärmepumpe läuft in einem geschlossenen Kreisprozess kontinuierlich ein technisches Prinzip aus 4 Schritten ab:

Verdampfen – Verdichten – Verflüssigen – Entspannen.

Wie beim Kühlschrank, ist auch bei der Wärmepumpe ein Kältemittel in einem Rohrsystem das Transportmittel. Das flüssige Kältemittel nimmt die thermische Energie aus der Umwelt im flüssigen Zustand auf, wodurch es verdampft und gasförmig wird. Im weiteren Kreislauf wird es durch Druck verdichtet und nach Abgabe der Wärme wieder entspannt. Die Wirkung dieses Kreisprozesses gründet auf einem physikalischen Phänomen namens "Joule-Thomson-Effekt". Demnach kühlt sich ein Gas ab, sobald es durch eine enge Öffnung strömt. Das hat zur Folge, dass der Druck des Gases abnimmt. Es entspannt sich.

In diesem sich wiederholenden Prozess muss das Kältemittel auf ein Temperaturniveau angehoben werden, das für das Heizsystem nutzbar ist. Dies geschieht unter Einsatz von elektrischer Energie. Je höher der Temperaturunterschied zwischen der Energiequelle und der benötigten Nutzwärme ist, desto mehr elektrische Antriebsleistung muss aufgebracht werden. Hier springt in der Regel ein Zusatz-Heizstab ein, der das Wasser im Heizkreislauf 1:1 elektrisch erwärmt. Grob berechnet man den Energieverbrauch im Verhältnis 5:1. Für bis zu fünf Teile kostenlose Umweltenergie braucht man ein Teil Betriebsenergie.

Auch wenn im Winter im Haus mehr Wärme benötigt wird, als die Wärmepumpe aktuell fördern kann, wird zusätzlich elektrische Energie eingesetzt. Zwar funktionieren Wärmepumpen selbst bei winterlichen Außentemperaturen von bis zu -20 °C. Ein Grund dafür ist die Druckerhöhung beim Verdichten. Dadurch können die geringen Außentemperaturen ausreichend zum Erhitzen ansteigen. Wenn es dann noch kälter werden sollte, aktiviert sich ein elektrischer Heizstab. Dieser hilft dabei, das Kältemittel ausreichend für das Heizsystem zu erwärmen.

Hinweis

Wärmepumpen sind "Stromfresser"

Eine Wärmepumpe ist daher nicht per se klimafreundlich. Sie kann es sein, aber es kommt vor allem darauf an, wie die Anlage vom Volumen her ausgelegt ist und wie der zusätzlich benötigte Strom gewonnen wird. Die Nutzung erneuerbarer Energien allein macht ein Wärmesystem noch nicht klimafreundlich. Wärmepumpen brauchen viel Strom und dieser kommt immer noch zum großen Teil aus klimaschädlichen Kohlekraftwerken. Die Wärmepumpe muss also effizient laufen und mit möglichst wenig Strom möglichst viel Wärme gewinnen. Dieser Strom sollte möglichst auch aus erneuerbaren Energien gewonnen werden.

Kompressionswärmepumpe

Die meisten Wärmepumpen, die heute als Heizung oder auch zur Kühlung eingesetzt werden, basieren auf der Technik der Kompressionswärmepumpe und verwenden einen elektrisch betriebenen Kältemittelverdichter. Dabei nutzt die Technik der Kompressionswärmepumpe den sehr niedrigen Siedepunkt des Kältemittels von meistens 25 °C bis 40 °C bei Atmosphärendruck aus, um dann die Differenz zwischen Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur unter verschiedenen Druckverhältnissen zu Heiz- oder auch zu Kühlzwecken bereitzustellen.

Absorptions- und Adsorptionswärmepumpe

Neben der Kompressionswärmepumpe gibt es außerdem Absorptions- sowie Adsorptionswärmepumpen. Die Wärmeübertragung beruht hier auf einem physikalisch-chemischen Prozess in einem Lösungsmittelkreislauf, wobei die notwendige Energiezufuhr durch eine fossile Wärmequelle (meist Gas) erfolgt. Beide Wärmepumpenarten basieren auf dem Prinzip der Sorption, bei der das Sorptionsmittel das gasförmige Kältemittel aufsaugt, ohne dass eine Antriebsenergie nötig ist. Dabei entsteht Wärme, die dann für das Heizungssystem genutzt werden kann.