Wärmepumpen: Technik und Funktionsweise

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Wärmepumpen sind Maschinen, die ein Haus beheizen oder kühlen können. Sie können Wärme von einem tiefen Temperaturniveau auf ein höheres anheben (pumpen) und umgekehrt. Für die Heizung gilt: Der Wärmepumpen-Prozess im Inneren der Maschine ist im Prinzip die Umkehrung eines Wärme-Kraft-Prozesses, so wie er z.B. im Kühlschrank abläuft. Die von der Wärmepumpe gewonnene Nutzwärme wird für die Raumheizung im Niedertemperaturbereich genutzt. Als Wärmequelle für den Prozess dient indirekt gespeicherte Sonnenenergie in Luft, Wasser oder Erdreich. Aber auch direkte Sonnenstrahlung oder Prozesswärme aus Abwasser und Abluft sind geeignet.

Die Wärmepumpe benötigt für das Umwandeln von Umweltwärme in nutzbare Heizungswärme elektrischen Strom. Aus einem Energieanteil von 25% Strom für den Antrieb und 75% kostenloser Umweltwärme erzeugt sie Wärme. Ihre Effektivität lässt sich durch die Kombination mit einer thermischen Solaranlage steigern. Wärmepumpen arbeiten um so effektiver, je geringer der erzeugte Temperaturhub (Verhältnis Außentemperatur/Systemtemperatur innen) ist. Fußboden- und Wandheizungen sind deshalb optimal für das Zusammenspiel mit ihnen geeignet.

Arten
Grundsätzlich werden zwei Arten von Wärmepumpen unterschieden:

Die Kompressionswärmepumpe ist die verbreiteteste Wärmepumpenart. Sie nutzt den Effekt der Verdampfungswärme. Im Inneren befindet sich ein geschlossener Kreislauf, in dem ein Kältemittel der Reihe nach Verdampfer, Kompressor (Verdichter), Kondensator (Verflüssiger) und ein Expansionsventil (Druckminderer) durchläuft. Der Antrieb des Kompressors erfolgt meistens elektrisch.

Die Absorptionswärmepumpe arbeitet ebenfalls mit einem geschlossenen Kreislauf. Die Wärmeübertragung beruht hier jedoch auf einem physikalisch-chemischen Prozess in einem Lösungsmittelkreislauf, wobei die notwendige Energiezufuhr durch eine Wärmequelle erfolgt.

Der Funktionsablauf des Kreislaufs ist wie folgt:
  • Verdampfer: Die Umweltenergie aus der Luft, der Erde oder dem Wasser bringt bei Temperaturen von z.B. 10°C das in der Wärmepumpe zirkulierende Fluid zum Verdampfen. Das FCKW-freie Fluid besitzt einen sehr tiefen Siedepunkt.

  • Kompressor/Verdichter: Der elektrisch angetriebene Kompressor bringt das verdampfte Medium auf hohen Druck und ein hohes Temperaturniveau.

  • Kondensator/Verflüssiger: Die Energie – nun auf einem hohen Temperaturniveau – wird an das Heizungsmedium abgegeben. Das gasförmige Medium (Arbeitsmittel/Kältemittel) wird wieder flüssig.

  • Im Expansionsventil wird der Druck wieder abgebaut
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.

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