Technische Erklärung
Der Name verrät bereits etwas über die Funktionsweise einer Wärmepumpe: Sie pumpt Wärme. Doch woher bezieht die Wärmepumpe ihre Wärme und wie wird diese in nutzbarer Form freigesetzt? Wärmepumpen arbeiten nach dem Prinzip von Verdampfung (Sieden) und Kondensation. Um dies besser zu verstehen, betrachten wir zunächst die Verdampfung und Kondensation von Wasser.
Verdunstung und Kondensation
Bei atmosphärischem Druck siedet Wasser bei 100 °C. Bei gleichem Druck und einer konstanten Temperatur von 100 °C kocht bzw. verdampft das Wasser weiter und wird zu Dampf. Beim Kochen (Wärmezufuhr) kann viel Wärme an das Wasser/den Dampf verloren gehen. Wenn wir nun dasselbe Wasser in einem Schnellkochtopf zum Kochen und Verdampfen bringen, erhöhen sich Druck und Siedepunkt; das Wasser siedet erst bei 120 °C. Stellen wir hingegen ein Glas Wasser unter eine Vakuumglocke, siedet das Wasser bereits bei 20 °C. Dafür muss Wärme zugeführt werden, zum Beispiel aus der Umgebung. Siede- und Kondensationspunkt von Wasser hängen also vom Druck ab, unter dem das Wasser herrscht. Beim Kochen können Moleküle aus dem Wasser entweichen. Je niedriger der Druck, desto leichter können sie entweichen, je höher der Druck, desto schwieriger. Um die Moleküle schneller zu bewegen, muss mehr Energie/Wärme zugeführt werden. Wenn Wärme entfernt oder der Druck erhöht wird, kondensiert der Dampf und gibt die zuvor zugeführte Wärme frei. Der Dampf kondensiert wieder zu Wasser und gibt dabei Wärme frei.
- Verdampfen (Sieden) = Wärmezufuhr (Wärmeentnahme aus einer Quelle)
- Kondensieren = Wärme abführen (Wärme an die Umgebung oder Anlage abgeben)
Wasser kochen - Wärmepumpe Erklärung
Nach diesem Prinzip entzieht eine Wärmepumpe der Umgebung Wärme. Anstelle von Wasser verwendet die Wärmepumpe ein Kältemittel, auch Freon genannt. Dieses Kältemittel siedet unter atmosphärischem Druck bei -48,5 °C. Dieses Kältemittel wird als Flüssigkeit in ein geschlossenes System eingebracht und in einem Verdampfer unter einen Druck von 8,5 Bar gesetzt, wodurch es bei 5 °C siedet. Wenn wir Außenluft mit 10 °C, wärmer als der Siedepunkt des Kältemittels, an diesem Verdampfer vorbeiströmen lassen, siedet das Kältemittel und entzieht der Luft Wärme. Die kalte Luft kühlt ab und das Kältemittel verdampft. Der entstehende Dampf wird von einem Kompressor angesaugt, der den Druck auf 30 Bar erhöht. Unter diesem Druck bewegt sich das Gas zum Kondensator, wo es bei 50 °C kondensiert. Wenn wir nun Wasser mit 30 °C, also unterhalb des Siedepunkts des Kältemittels, vorbeiströmen lassen, kondensiert das Kältemittel, gibt Wärme an das Wasser ab und erwärmt es. Nach der vollständigen Kondensation wird das Kältemittel durch ein Expansionsventil wieder entspannt und der Vorgang wiederholt sich.
In diesem Kreislauf wird Wärme übertragen. Die zum Verdampfen des Kältemittels benötigte Energie wird der Außenluft entnommen. Strom wird zum Antrieb des Kompressors benötigt. Die zusätzliche elektrische Energie wird im Kondensator freigesetzt. Die nutzbare Wärme im Kondensator setzt sich aus der der Außenluft zum Verdampfen des Kältemittels entzogenen Wärme und dem vom Kompressor verbrauchten Strom zusammen.
Wärmepumpe entzieht der Außenluft Wärme
Wärmepumpeneffizienz und COP
Die einzige bezahlte Energie, die die Wärmepumpe benötigt, ist der Stromverbrauch des Kompressors.
COP-Berechnung
Der Großteil der von der Wärmepumpe benötigten Energie wird der Außenluft entzogen. Bei modernen Wärmepumpen beträgt das Verhältnis von Strom zu Energie aus der Außenluft 1 zu 4, also 1 + 4 = 5 Teile. Der COP liegt in diesem Fall bei 5, was einem Wirkungsgrad von 500 % entspricht.
COP und Effizienz einer Wärmepumpe
In dieser Erklärung gewinnen wir Wärme/Energie aus der Außenluft, es ist jedoch auch möglich, Wärme aus dem Boden oder einer Wasserquelle zu verwenden, was zu einer Erdwärmepumpe führt.
So funktioniert eine Wärmepumpe, kurz gesagt.
Schritt für Schritt – Was genau passiert in der Wärmepumpe?
Die Wärmepumpe besteht aus folgenden Hauptkomponenten:
- Verdampfer: Im Niederdruckabschnitt wird einer Quelle Wärme entzogen, um das Kühlmittel zu verdampfen (sieden) und seinen Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig zu ändern.
- Kompressor: Dieses Bauteil verbraucht Strom und sorgt dafür, dass das Kältemittel unter unterschiedlichen Drücken zirkulieren kann.
- Kondensator: Im Hochdruckbereich kondensiert das Kältemittel und gibt dabei die gesamte Wärme frei. Diese wird vom vorbeiströmenden Wasser aufgenommen und zur Gebäudebeheizung genutzt.
- Expansionsventil: Eine elektronisch einstellbare Drosselstelle zur Druckreduzierung. Vor dem Expansionsventil herrscht hoher Druck, nach dem Expansionsventil niedriger Druck.
Wärmepumpenanwendungen
Die Wärmepumpe gilt zunehmend als nachhaltige Alternative zum Heizkessel. Dies liegt an den Vorteilen wie niedrigeren Energiekosten, reduzierten CO₂-Emissionen und einem angenehmen Raumklima. Durch die Nutzung von Ökostrom oder Solaranlagen werden keine fossilen Brennstoffe mehr verbraucht.
Eine Wärmepumpe, betrieben mit Strom, der optional über Solaranlagen erzeugt werden kann, ermöglicht bei einem passenden Gesamtkonzept die Realisierung eines Nullenergiehauses.
Die Wärmepumpe geht sehr effizient mit Strom um. Pro verbrauchter kWh Strom erzeugt die Wärmepumpe 5 kWh Wärme, manchmal sogar mehr. Dies ist auf die intelligente Nutzung von Wärme aus der Außenluft, dem Boden oder dem Wasser zurückzuführen. Im Vergleich dazu erzeugt eine vollelektrische Heizung, wie beispielsweise ein Elektroherd, nur 1 kWh Wärme pro verbrauchter kWh Strom. Eine Wärmepumpe ist daher fünfmal effizienter.
Eine Wärmepumpe kann zum Heizen von Räumen und Leitungswasser, aber auch zum Kühlen von Räumen eingesetzt werden. Anwendungsgebiete sind Privathaushalte, Unternehmen und sogar große Krankenhäuser und Schwimmbäder.
Zusammenfassend
Durch geschickte Nutzung physikalischer Prinzipien lässt sich Energie aus der uns umgebenden Umwelt gewinnen. Im Gegensatz zur Verbrennung fossiler Brennstoffe entstehen dabei keine Schadstoffe. Für den Start dieses Prozesses wird Strom benötigt. Wird dieser Strom umweltfreundlich erzeugt, entstehen keine Emissionen.
