Wärmepumpen

Wärmepumpen sind technische Heizeinrichtungen, die einen Wärmestrom bei niedriger Temperatur aufnehmen und mittels Energiezufuhr bei höherer Temperatur wieder abgeben. Dabei entzieht die Wärmepumpe die in der Umgebung (Erdreich, Wasser, Luft) gespeicherte Wärme, aber auch Prozesswärme aus Abwasser und Abluft. Diese wird mit der Antriebsenergie in Form von Wärme an den Heiz- und Warmwasserkreislauf weitergegeben.

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Funktionsweise

Wärmepumpen heizen thermodynamisch, d.h. vollkommen ohne Verbrennung oder Flamme. Dabei ist das physikalische Funktionsprinzip identisch mit dem eines herkömmlichen Kühlschrankes – sie unterscheiden sich im Wesentlichen nur durch das Heizen und Kühlen.

Bei der Wärmepumpe nimmt ein zirkulierendes Kältemittel mit Hilfe eines Kreisprozesses (Carnot-Prozess) Wärme aus der Umgebung auf und gibt es an das zu erwärmende Wasser ab. Dabei läuft der Vorgang wie folgt ab: Das herunter gekühlte flüssige Kältemittel wird zuerst zum Wärmetauscher, dem sogenannten Verdampfer, geführt. Dort nimmt das Kältemittel die Wärme der Umgebung auf, ändert dabei seinen Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig und verdampft. Das nun gasförmige Kältemittel wird von dem Verdichter angesaugt und zusammengepresst. Dabei erhöht sich der Druck und die Temperatur steigt. Ein zweiter Wärmetauscher, der als Verflüssiger funktioniert, sorgt dafür, dass diese Wärme in das Heizsystem gelangt. Durch den Vorgang der Wärmeabgabe kondensiert das Kältemittel gleichzeitig und ändert folglich erneut seinen Aggregatzustand – es wird wieder flüssig. Anschließend wird der Druck im Expansionsventil abgebaut und der Kreislauf kann erneut beginnen (siehe Abb. 4)

Betriebsweise

Hier wird zwischen der monovalenten und der bivalenten Betriebsweise unterschieden. Bei der ersteren kann die Wärmepumpe ganzjährig den vollen Wärmebedarf decken. Bei der letzteren wiederum wird der anfallende Wärmebedarf nur bis zu einer bestimmten Außentemperatur gedeckt. Betrieben werden Wärmepumpen mit Strom, der auch aus erneuerbaren Energiequellen (Photovoltaik) stammen kann.

Arten

Grundsätzlich werden zwei Arten von Wärmepumpen unterschieden:

  • Kompressionswärmepumpe
  • Absorptionswärmepumpe

Die Kompressionswärmepumpe besitzt einen geschlossenen Kreislauf, in der das Kältemittel nacheinander Verdampfer, Kompressor (Verdichter), Kondensator (Verflüssiger) und ein Expansionsventil (Druckminderer) durchläuft. Vor allem bei kleineren Wärmepumpenanlagen kommt diese Art zum Einsatz.

Auch Absorptionswärmepumpen arbeiten in einem geschlossenen Kreislauf. Allerdings beruht hier die Wärmeübertragung auf einem physikalisch-chemischen Prozess in einem Lösungsmittelkreislauf. Die notwendige Energiezufuhr für die Temperatur- und Druckerhöhung erfolgt durch eine Wärmequelle, beispielsweise durch Sonnenenergie.

Abhängig von der Quelle (Erdreich = Sole, Grundwasser = Wasser, Umgebungsluft = Luft) aus der die notwendige Wärme entnommen wird und dem Heizmedium (Träger) an das sie abgegeben wird, unterscheidet man folgende Arten von Wärmepumpen:

Vorteile

Wärmepumpen nutzen zu einem großen Teil kostenlose Umweltwärme und reduzieren somit die Betriebskosten. Werden sie mit einer solarthermischen Anlage zur Erhöhung der Quellentemperatur kombiniert und/oder mit einer Photovoltaik-Anlage zur Stromerzeugung, tragen sie zur Unabhängigkeit von fossilen Energieträgern bei.

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