Technik und Funktion einer Wärmepumpe

• Die Technik einer Wärmepumpe basiert auf einem thermodynamischen Kreisprozess („Carnot-Prozess“), bei dem Umweltwärme (aus Luft, Erde oder Wasser) auf ein höheres Temperaturniveau gebracht wird, um sie für Heizzwecke nutzbar zu machen.
• Zu den wichtigsten technischen Bestandteilen der Wärmepumpe gehören der Verdampfer, der Verdichter (Kompressor), der Verflüssiger (Kondensator) und das Expansionsventil. Die Bauteile sind die Hauptkomponenten, um über den Phasenwechsel des Kältemittels aus Umweltenergie nutzbare Heizwärme zu erzeugen.
• Moderne Wärmepumpen nutzen häufig Inverter-Technologie, die eine stufenlose Leistungsregelung ermöglicht und somit den Energieverbrauch optimiert. Der Kompressor der Wärmepumpe übt dann immer nur soviel Druck auf das gasförmige Kältemittel aus, um unmittelbar Temperaturverluste wieder auszugleichen.
• Um Bedarfsspitzen im Winter bedienen zu können, besitzen Wärmepumpen einen elektrischen Heizstab. Unterhalb eines voreinstellbaren Bivalenzpunktes von z. B. -4°C heizt der Heizstab das Heizwasser elektrisch weiter auf bis er bei z. B. unter -10°C den Heizbetrieb nahezu vollständig übernimmt.
• Von häufig unterschätzter Bedeutung ist die hydraulische Einbindung und die Wahl der richtigen Wärmespeicher-Auswahl und Warmwasser-Bereitstellung. Empfehlenswert sind getrennte Speicher für Heiz- und Warmwasser oder Pufferspeicher mit Frischwasserstation.

Wärmepumpen nutzen dieselbe Technik wie ein Kühlschrank. Während der Kühlschrank allerdings die von den Lebensmitteln abgegebene Wärme aufnimmt und über z. B. einen Lamellenwärmetauscher auf der Rückseite des Kühlschranks wieder an die Raumluft abgibt, entzieht die Wärmepumpe der Umwelt Wärme aus der Luft, der Erde oder dem Grundwasser.

Die so gewonnene Wärme wird in der Wärmepumpe "technisch aufbereitet" und an das Heizungswasser weitergegeben. Die Wärmepumpentechnik funktioniert selbst dann, wenn im Winter Minusgrade herrschen.

Grundlage ist ein geschlossener Kreisprozess, in dem die Verdampfungswärme eines Kältemittels unter verschiedenen Druckverhältnissen (Kompressionswärmepumpe) die Umweltwärme auf ein für Heizzwecke nutzbares Temperaturniveau anhebt.

Die Technik des in der Wärmepumpe ablaufenden thermodynamischen Kreisprozesses basiert auf dem Durchlaufen unterschiedlicher Zustandsänderungen des Kältemittels. Elementar ist dabei die Verdampfung, Verdichtung und Veflüssigung des Kältemittels, das dabei Verdampfungswärme aufnimmt und wieder abgibt.

Aus technischer Sicht spricht man hierbei auch von einem linkslaufenden Prozess, in dem Umweltwärme mit niederer Temperatur durch Zufuhr mechanischer Arbeit auf ein höheres Temperaturniveau gehoben wird. Rechtslaufende Prozesse finden hingegen in Kraftwerken statt, in denen ein Teil der zugeführten Wärmeenergie in mechanische Arbeit bzw. Strom umgesetzt.

Wieviel Strom zur Verdichtung des Kältemittels eingesetzt werden muss, hängt von dem Temperaturniveau der Wärmequelle als auch der benötigten Heiztemperatur ab und wird über die Leistungszahl bzw. bezogen auf den ganzjährigen Durchschnitt von der Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe beschrieben.

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.

Die Technik des Kreisprozesses von Kompressionswärmepumpen zeichnet sich im Wesentlichen dadurch aus, dass das Arbeitsmedium seinen Aggregatszustand von flüssig zu gasförmig unter An- und Entspannung innerhalb von vier Hauptphasen ändert.

Die Verdampfungstechnik findet in Wärmepumpen über den sogenannten Verdampfer statt. Aus technischer Sicht funktioniert der Verdampfer dabei wie ein Wärmetauscher über den dem Kältemittel z. B. Erdwärme oder Luftwärme zugeführt und somit zum "Kochen" und letztlich zur Verdampfung gebracht wird.

Das zunächst flüssige Kältemittel verändert dabei seinen Aggregatzustand unter niedrigem Druck in einen gasförmigen Zustand und nimmt dabei die Wärmeenergie der Umweltquelle im Phasenwechsel auf.

Die Umgebungstemperatur des Verdampfers muss dabei stets höher sein als die dem Druck entsprechende Siedetemperatur des Kältemittels. Ohne diese Temperaturdifferenz ist keine Wärmeübertragung von der Umgebung auf das Kältemittel möglich.

Der nun gasförmige Kältemitteldampf wird mittels eines elektrisch angetriebenen Verdichters (z. B. Hubkolbenverdichter, Rollkolbenverdichter oder Scrollverdichter) auf einen höheren Druck "gepumpt". Dabei steigen die Temperatur und der Druck des Kältemittels an.

Während der Kompressor ständig weiteres Kältemittel aus dem Verdampfer absaugt, verdampft die Flüssigkeit weiter und die Temperatur steigt deutlich höher als die Verdampfungstemperatur unter niedrigem Druck. Je höher diese Temperatur sein soll, desto mehr Strom verbraucht der Verdichter.

Diese Technik setzt dem Einsatz von Wärmepumpen letztlich Grenzen, da der mit steigender Temperatur zunehmende Stromverbrauch die Umwelt-, Energie- und Heizkostenbilanz gerade bei Heizungssystemen, die sehr hohe Vorlauftemperaturen benötigen, ab einem gewissen Punkt deutlich verschlechtert.

Nach Durchlaufen des Verflüssigers ist das Kältemittel auf einem hohen Druckniveau und einer niedrigen Temperatur wieder flüssig. Um auch diesen Druck technisch wieder abzubauen, fließt das Kältemittel durch ein Expansionsventil oder Drosselorgan und "entspannt" sich dabei.

Das Kältemittel ist nun wieder auf dem gleichen Temperatur- und Druckniveau wie am Anfang des Kreisprozesses und kann im Verdampfer wieder Wärme aufnehmen.

Aus technischer Sicht stellt das Expansionsventil lediglich einen Strömungswiderstand dar, bei dem sich der Druck durch das Absaugen des Dampfes auf der Verdampferseite hinter dem Expansionsventil stark reduziert.

Dadurch kühlt sich auch die Kühlmittelfüssigkeit hinter dem Ventil stark ab. Ein ähnlicher Effekt ist z. B. auch bei Sprühdosen zu beobachten, die beim Sprühen deutlich kälter werden.