Wärmepumpen: Technik und Funktionsweise

Wärmepumpen sind Maschinen, die ein Gebäude beheizen oder auch kühlen können. Sie heben Umweltwärme von einem tiefen Temperaturniveau auf ein höheres an und umgekehrt. Für den Betrieb als Heizung gilt: Der Wärmepumpen-Prozess ist im Prinzip die Umkehrung eines Wärme-Kraft-Prozesses wie z. B. im Kühlschrank. Die von der Wärmepumpe gewonnene Nutzwärme kann für die Raumheizung im Niedertemperaturbereich sowie für die Erzeugung von Warmwasser eingesetzt werden. Als Wärmequelle für den Prozess können die Außenluft, Grundwasser, das Erdreich, Prozessabwärme aus Abwasser und Abluft sowie andere Wärmeenergiespeicher wie etwa Eisspeicher dienen.

Gallerie

Man muss zwischen verschiedenen Typen von Wärmepumpen unterscheiden: Kompressionswärmepumpen sowie Absorptions- und Adsorptionswärmepumpen. Für das Umwandeln von Umweltwärme in nutzbare Heizungswärme benötigen Wärmepumpenanlagen zusätzliche Energie: Kompressionswärmepumpen arbeiten mit Strom, Absorptions- und Adsorptionswärmepumpe meist mit fossilen Brennstoffen wie Gas, weswegen sie oftmals als Gas-Wärmepumpen bezeichnet werden.

Kompressionswärmepumpen

Der heute verbreitetste Wärmepumpentyp ist die Kompressionswärmepumpe. Sie nutzt den Effekt der Verdampfungswärme: In einem geschlossenen Kreislauf durchläuft ein Kältemittel der Reihe nach Verdampfer, Kompressor (Verdichter), Kondensator (Verflüssiger) und ein Expansionsventil (Druckminderer). Der Antrieb des Kompressors erfolgt in der Regel elektrisch. Die Wärmeenergie aus der Umwelt dient als Wärmequelle.

Funktionsweise

  • Verdampfer: Die üblicherweise durch einen Wärmetauscher an das Wärmepumpensystem übergebene Umweltenergie aus der Luft (außenaufgestellter Ventilator), der Erde (Geothermie), dem Grundwasser oder einer anderen, erneuerbaren Wärmeenergiequelle genügt, um das Kältemittel im Wärmepumpenkreislauf zum Verdampfen zu bringen. FCKW-freies Fluid besitzt einen sehr tiefen Siedepunkt.
  • Verdichter/Kompressor: Der elektrisch angetriebene Kompressor bringt das verdampfte Medium auf einen hohen Druck, wodurch gleichzeitig das Temperaturniveau des Mediums steigt. Dieser Vorgang gibt der Wärmepumpe auch ihren Namen.
  • Verflüssiger/Kondensator: Die Wärmeenergie – nun auf einem hohen Temperaturniveau – wird durch einen Wärmetauscher an das Heizungsmedium (meist Wasser) abgegeben. Dabei kühlt das gasförmige Medium (Arbeitsmittel/Kältemittel) ab und verflüssigt sich gleichzeitig.
  • Im Expansions-, Drossel- oder Entspannungsventil wird schließlich der Druck wieder abgebaut, wobei sich das Medium vollständig ausdehnen und verflüssigen kann. Es gibt thermische oder elektrische Expansionsventile, wobei elektrisch gesteuerte Ventile genauer arbeiten, um die für den Verdampfer ausreichende Menge zur Verfügung zu stellen. Nach dem Entspannen des Kältemittels kann der Kreislauf wieder von vorne beginnen.
Vorteile und Nachteile

Betrieben werden Wärmepumpen mit Strom. Stammt er auch aus erneuerbaren Energiequellen wie Photovoltaik, lässt sich ein nahezu autarkes Heizsystem erzeugen. Als Faustregel gilt, dass je nach System ein Fünftel bis ein Drittel der produzierten Wärmeenergie durch elektrische Energie hinzugefügt werden muss. Ihre Effizienz lässt sich durch die Kombination mit einer thermischen Solaranlage steigern. Wärmepumpen arbeiten umso effektiver, je geringer der erzeugte Temperaturhub (Verhältnis Außentemperatur/Systemtemperatur innen) ist. Mit Kompressionswärmepumpen sind Vorlauftemperaturen bis rund 55 °C möglich. Zur Übergabe der Wärme an den Raum sind deshalb vor allem Flächenheizungen wie Fußboden- und Wandheizungen geeignet, da sie mit niedrigen Vorlauftemperaturen auskommen. Kompressionswärmepumpen benötigen außerdem vergleichsweise wenig Raum und sind in fast jeder Umgebung nutzbar, weshalb sie sich für den Wohnungsbau und für die Sanierung besonders eignen.

Absorptions- und Adsorptionswärmepumpen

Ebenfalls mit einem geschlossenen Kreislauf arbeiten Absorptions- sowie Adsorptionswärmepumpen. Die Wärmeübertragung beruht hier jedoch auf einem physikalisch-chemischen Prozess in einem Lösungsmittelkreislauf, wobei die notwendige Energiezufuhr durch eine fossile Wärmequelle (meist Gas) erfolgt. Beide Wärmepumpenarten basieren auf dem Prinzip der Sorption, bei der das Sorptionsmittel das gasförmige Kältemittel aufsaugt, ohne dass eine Antriebsenergie nötig ist. Dabei entsteht Wärme, die dann für das Heizungssystem genutzt werden kann. Der Unterschied zwischen einer Absorptions- und einer Adsorptionswärmepumpe ist das verwendete Sorptionsmittel: Bei der Absorption (absorbieren = aufsaugen) nimmt das Sorptionsmittel das gasförmige Kältemittel auf, wobei es darin komplett aufgeht. Bei der Adsorption (adsorbieren = ansaugen) bindet sich das gasförmige Kältemittel an das Sorptionsmittel, ohne es komplett aufzunehmen.

Funktionsweise

  • Verdampfung: Durch Umweltenergie (Wärme aus Luft, Geothermie oder Grundwasser) verdampft das Kältemittel zu Gas.
  • Ad- bzw. Absorption: Das Kältemittel bindet sich an das Sorptionsmittel bzw. wird von ihm komplett aufgesaugt. Dabei entsteht Wärme, die für die Beheizung genutzt werden kann.
  • Kondensation: Durch Wärmezufuhr werden im „Austreiber“ Kälte- und Sorptionsmittel erhitzt, wobei sich das Kältemittel aus dem Sorptionsmittel wieder herauslöst und das Sorptionsmittel austrocknet. Die bei der Kondensation entstehende Wärme kann zusätzlich nutzbar gemacht werden.
  • Ist das Kältemittel wieder flüssig, kann der Kreislauf wieder von vorne beginnen.
Vorteile und Nachteile
Adsorptionswärmepumpen können einen Wirkungsgrad von bis zu 125 % haben, Absorptionswärmpumpen sogar bis zu 165 %. Sie sind wartungsfrei, da es keine beweglichen Teile im System gibt. Außerdem können sie höhere Vorlauftemperaturen erzeugen. Der Nachteil allerdings ist, dass zur Erzeugung der Wärmeenergie meist fossile Brennstoffe benötigt werden, bei deren Verbrennung umweltschädliche Gase entstehen.

Monovalente und bivalente Auslegung

Bei Wärmepumpen wird darüber hinaus zwischen der monovalenten und der bivalenten Betriebsweise unterschieden. Bei der monovalenten übernimmt die Wärmepumpe ganzjährig und bei jeder Außentemperatur den vollen Wärmebedarf (für Heizung und Warmwasser). Bei der bivalenten Betriebsweise wiederum wird der anfallende Wärmebedarf nur bis zu einer bestimmten Außentemperatur gedeckt. Die Spitzenlasten übernimmt dann ein anderer Wärmeerzeuger, etwa ein Gas-Brennwertkessel oder ein Brennstoffzellengerät. Die bivalente Auslegung eines Heizsystems kann wirtschaftlich Vorteile bieten, da die Wärmepumpenleistung gegenüber einer monovalenten Auslegung kleiner ausfallen kann, wodurch sich die Gesamtkosten mitunter verringern lassen.

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