Technische Erklärung

Der Name einer Wärmepumpe verrät bereits etwas über ihre Funktionsweise; sie pumpt Wärme. Aber woher bezieht die Wärmepumpe ihre Wärme, und wie wird diese Wärme in einer nutzbaren Form wieder abgegeben? Wärmepumpen arbeiten nach dem Prinzip der Verdampfung (Kochen) und Kondensation. Um dies besser zu verstehen, betrachten wir zunächst das Verdampfen und Kondensieren von Wasser.

Verdampfen und Kondensieren

Unter atmosphärischem Druck kocht Wasser bei einer Temperatur von 100 ˚C. Bei gleichem Druck und einer konstanten Temperatur von 100 ˚C bleibt das Wasser kochen, verdampft also und bildet Dampf. Während des Kochens (Zufuhr von Wärme) können wir dem Wasser/Dampf viel Wärme entziehen. Verwenden wir nun einen Schnellkochtopf, um dasselbe Wasser zu kochen und verdampfen, wird der Druck und damit auch der Siedepunkt erhöht, und das Wasser kocht erst bei 120 ˚C. Umgekehrt, wenn wir ein Glas Wasser unter eine Vakuumglocke stellen, kocht das Wasser bereits bei 20 ˚C, wobei Wärme zugeführt werden muss, beispielsweise aus der Umgebung. Der Siede- und Kondensationspunkt von Wasser hängt also vom Druck ab, in dem sich das Wasser befindet. Beim Kochen können Moleküle dem Wasser entweichen. Je niedriger der Druck, desto leichter können sie entweichen, und je höher der Druck, desto schwieriger. Um die Moleküle schneller zu bewegen, ist mehr Energie/Wärme erforderlich. Bei Wärmeabfuhr oder Druckerhöhung kondensiert der Dampf, wobei die zuvor zugeführte Wärme freigesetzt wird und der Dampf wieder zu Wasser kondensiert, Wärme abgebend.

• Verdampfen (Kochen) = Wärme zuführen (Wärme aus einer Quelle entziehen)
• Kondensieren = Wärme abführen (Wärme an die Umgebung oder Installation abgeben)
• Kochen von Wasser - Erläuterung der Wärmepumpe

Eine Wärmepumpe entzieht der Umgebung nach diesem Prinzip Wärme. Anstelle von Wasser verwendet die Wärmepumpe Kältemittel, auch als Freon bekannt. Der verwendete Kältemitteltyp kocht unter atmosphärischem Druck bei -48,5 ˚C. Dieses Kältemittel wird in einem geschlossenen System verflüssigt und in einem Verdampfer unter einem Druck von 8,5 bar gebracht, sodass es bei 5 ˚C kochen möchte. Wenn wir Außenluft von 10 ˚C an diesem Verdampfer vorbeiströmen lassen, die wärmer ist als der Siedepunkt des Kältemittels, wird das Kältemittel kochen und Wärme der Luft entziehen. Die kalte Luft wird abkühlen, und das Kältemittel wird verdampfen. Der resultierende Dampf wird von einem Kompressor angesaugt, der den Druck auf 30 bar erhöht. Das Gas bewegt sich unter diesem Druck zum Kondensator, wo es bei 50 ˚C kondensieren möchte. Wenn wir jetzt Wasser von 30 ˚C durchfließen lassen, unter dem Siedepunkt des Kältemittels, wird das Kältemittel kondensieren, Wärme an das Wasser abgeben und es aufheizen. Nach vollständiger Kondensation wird das Kältemittel durch ein Expansionsventil wieder in Druck gesenkt, und der Prozess wiederholt sich.

In diesem Zyklus wird Wärme verschoben. Die Energie, die benötigt wird, um das Kältemittel zu verdampfen, wird aus der Außenluft gewonnen. Elektrizität ist erforderlich, um den Kompressor anzutreiben. Die zugeführte elektrische Energie wird im Kondensator freigesetzt. Die nutzbare Wärme im Kondensator ist die dem Äußeren entzogene Wärme, um das Kältemittel zu verdampfen, plus der Stromverbrauch des Kompressors.

• Wärmepumpe entzieht Wärme aus der Außenluft
• Wirkungsgrad und COP der Wärmepumpe

Die einzige bezahlte Energie, die die Wärmepumpe benötigt, ist der Stromverbrauch des Kompressors.

COP-Berechnung

Der größte Teil der Energie, die die Wärmepumpe benötigt, wird der Außenluft entzogen. Bei modernen Wärmepumpen beträgt das Verhältnis von Strom zu Energie aus der Außenluft 1 zu 4, was insgesamt 1 + 4 = 5 Teilen entspricht. Der COP beträgt in diesem Fall 5, mit einem Wirkungsgrad von 500%.

• COP und Wirkungsgrad einer Wärmepumpe

In dieser Erklärung entziehen wir Wärme/Energie der Außenluft, es ist jedoch auch möglich, Wärme aus dem Boden oder einer Wasserquelle zu verwenden, was zu einer erdgebundenen Wärmepumpe führt.

Dies ist kurz gesagt, wie eine Wärmepumpe funktioniert.

Schritt für Schritt - Was genau passiert in der Wärmepumpe?

Die Wärmepumpe besteht aus den folgenden Hauptkomponenten:

1. Verdampfer: Im Niederdruckbereich wird Wärme einer Quelle entzogen, um das Kältemittel zu verdampfen (kochen), wobei der Aggregatzustand von Flüssigkeit zu Gas wechselt.
2. Kompressor: Dieses Teil verbraucht Elektrizität und ermöglicht es dem Kältemittel, unter verschiedenen Drücken zu zirkulieren.
3. Kondensator: Im Hochdruckbereich kondensiert das Kältemittel, wobei alle zugeführte Wärme freigesetzt wird. Diese Wärme wird von Wasser aufgenommen, das am Kondensator entlang fließt, und wird verwendet, um Gebäude zu heizen.
4. Expansieventil: Eine elek