Wärmepumpe: Die Funktionsweise

Wärmepumpe: Die Funktionsweise

 

In Boden, Wasser und Luft ist Wärme gespeichert. Da die Temperaturen aber meist vergleichsweise gering sind, ist sie nicht zum Heizen nutzbar. Erst mit einer Wärmepumpe lässt sich diese aufnehmen und damit ein Wärmeträgermedium auf die gewünschte höhere Temperatur erwärmen. Dazu ist Energie nötig. Die Hauptbestandteile einer Wärmepumpe sind der Verdampfer und der Kondensator sowie der Kompressor (Verdichter) und das Expansionsventil. Bei richtiger Auslegung des Systems übersteigt die gewonnene Nutzenergie die hineingesteckte Antriebsenergie mehrfach. Den genauen Faktor gibt die Arbeitszahl an, die vom Temperaturunterschied zwischen Verdampfer und Kondensator abhängt. Sie sollte über die gesamte Heizperiode wenigstens den Wert 3 betragen.

 

Das Prinzip der Wärmepumpe lässt sich auch umkehren. Beispielsweise können erdgekoppelte Wärmepumpen das Erdreich ebenso als Wärmesenke verwenden und auf diese Weise Gebäude kühlen. In den USA dienen solche Systeme schon seit fünf Jahrzehnten zur Gebäudeklimatisierung.

 

 Funktionsweise

 

Wärmekraftmaschinen und Wärmepumpen sind zwar ähnlich aufgebaut, unterscheiden sich aber in einem wichtigen Punkt: Während die einen Wärme hoher Temperatur in Arbeit umwandeln, sollen die anderen Wärme niedriger Temperatur unter Einsatz von Arbeit in solche von höherer Temperatur überführen. Dabei unterscheidet man zwei Bauarten von Wärmepumpen: Kompressions- und Absorptionswärmepumpen. Das Arbeitsmedium von Wärmepumpen sind leicht siedende Flüssigkeiten.

 

Im Heizbetrieb funktionieren Kompressionswärmepumpen wie folgt: Der Verdampfer nimmt Wärme niedriger Temperatur auf, etwa aus dem Boden oder Grundwasser. Schon 10 ºC genügen, das Kältemittel verdampfen zu lassen. Der Kompressor verdichtet und erhitzt den Dampf. Ein Kondensor dient als Wärmetauscher mit dem Heizkreislauf. Hier verflüssigt sich der Dampf und die freigesetzte Kondensationswärme geht auf den Heizkreislauf über. Die Temperatur liegt hierbei über der im Verdampfer. Danach entspannt ein Ventil den Druck, die Arbeitsflüssigkeit kühlt ab und fließt in den Verdampfer zurück. In der Nutzung des Kompressorprinzips ist die Wärmepumpe mit dem Kühlschrank verwandt. Wird unter Nutzung dieses Prinzips ein Temperaturniveau nicht aufgeheizt, sondern abgekühlt, so spricht man von Kältemaschinen.

 

Absorptionswärmepumpen haben anstelle eines mechanischen einen thermischen Verdichter. In ihm zirkuliert zwischen Absorber und Austreiber ein Lösungmittel, von einer Lösungsmittelpumpe umgepumpt. Der Arbeitsmitteldampf wird dadurch verdichtet, dass er im Absorber bei niedrigem Druck von dem Lösungsmittel absorbiert und im Austreiber (Kocher) bei hohem Druck unter Wärmezufuhr aus der reichen Lösung wieder ausgetrieben wird. Ansonsten arbeiten Absorptions- und Kompressionswärmepumpen gleich.

 

Die Wahl der Wärmequelle ist von entscheidender Bedeutung, denn die Energieausbeute ist umso besser, je weniger sich die Temperaturen im Verdampfer und Kondensor unterscheiden, da dann weniger Energie zugeführt werden muss. Daher arbeitet eine Wärmepumpe im Sommer effektiver als im Winter. Für hohe Wirkungsgrade ist es zudem günstig, die Vorlauftemperatur im Heizkreis möglichst niedrig zu halten. Wird in unseren Breiten Außenluft als Wärmequelle verwendet, braucht man eine zusätzliche Heizung. Die Außenluft ist zwar problemlos verfügbar, doch ihre großen Temperaturschwankungen im Tages- und Jahreslauf sind sehr ungünstig. Meist wird der Luft in großflächigen Wärmetauschern durch Abkühlen Wärme entzogen und dabei das Treibmittel der Wärmepumpe verdampft. Eine sehr viel günstigere Wärmequelle ist das Erdreich als Speicher von Sonnenenergie. Temperaturschwankungen sind hier schon in einigen Meter Tiefe kaum noch bemerkbar. Die Erdwärme sollte zumindest in der frostfreien Zone entnommen werden. Auch Grundwasser ist eine gute Wärmequelle. In 10 m Tiefe liegt die Temperatur konstant bei etwa 10 ºC. Über einen Förderbrunnen kommt es in den Kondensor, gibt dort Wärme ab und fließt durch einen Schluckbrunnen ins Grundwasser zurück. Auch Oberflächenwasser ist als Wärmequelle nutzbar.

 

 Wärmepumpensysteme mit Erdwärmesonden

 

Dünne Kunststoffrohre in Form eines sehr lang gezogenen U in Bohrungen von rund 100 m Tiefe dienen als Quellen, wenn durchfließendes Wasser Erdwärme aufnimmt und an eine Wärmepumpe bringt. Das System ist winters zum Heizen und sommers zum Kühlen nutzbar. Zudem lässt es sich als Wärme- und Kältespeicher einsetzen, indem etwa im Sommer überschüssige Gebäudewärme in die Tiefe geleitet wird, um das Erdreich für den Heizbetrieb aufzuwärmen. Analog kann man im Winter Kälte für die Kühlung während der heißen Jahreszeit speichern.