Wärmepumpe

Die Wärmepumpe gewinnt die Energie zum Heizen aus der Umgebung. Aus diesem Grund wird sie auch als Umweltheizung bezeichnet. Aber wie funktioniert eine Wärmepumpe eigentlich? Das Prinzip ähnelt dem eines Kühlschranks – nur umgekehrt. Während ein Kühlschrank den Lebensmitteln, also dem Innenraum des Kühlschranks, Wärmeenergie entzieht und diese nach außen leitet, macht eine Wärmepumpe das Gegenteil. Sie entzieht der Umgebung außerhalb des Gebäudes Wärmeenergie und macht sie für die Heizung im Innenbereich nutzbar. Neben der Raum- beziehungsweise Außenluft ist eine Wärmepumpe in der Lage, die Wärmeenergie aus dem Grundwasser und dem Erdreich anzuzapfen.

Aufbau und Funktionsprinzip der Wärmepumpe

Unabhängig von der erschlossenen Umweltenergiequelle besteht das Wärmepumpensystem aus drei Teilen:

Wärmequellenanlage: Entzieht der Umgebung Energie
Wärmepumpe: Macht Umweltwärme nutzbar
Wärmeverteil- und Speichersystem: Verteilt und speichert Wärme im Gebäude

Nur im Zusammenspiel ermöglichen die Bestandteile einer Wärmepumpe die Nutzung von Umweltenergie. Der Prozess beginnt mit der Wärmequellenanlage. Bei Erdwärmepumpen zirkuliert hier ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel – die Sole, die sich erwärmt. Luft-Wasser-Wärmepumpen saugen hingegen die Außenluft über einen Ventilator an. Sole beziehungsweise Außenluft gelangen im Anschluss zur eigentlichen Wärmepumpe. Im sogenannten Kältekreisprozess hebt diese das Temperaturniveau an, bevor die Heizwärme auf das Verteilsystem aus Flächenheizung oder Heizkörper übergeht beziehungsweise in einem Puffer- oder Warmwasserspeicher zwischengespeichert wird.

Kältekreisprozess Kern des Wärmepumpenprinzips

Weil die Temperatur der gewonnenen Wärme in der Regel nicht ausreicht, um ein Gebäude oder das Warmwasser zu erwärmen, ist bei der Funktionsweise der Wärmepumpe ein thermodynamischer Prozess notwendig. Der bereits erwähnte Kältekreisprozess erfolgt in vier Schritten und wiederholt sich stetig:

Verdampfen
Am sogenannten Verdampfer geht die Umweltwärme auf ein flüssiges Kältemittel über, das aufgrund seiner spezifischen Eigenschaften schon bei niedrigen Temperaturen verdampft.

Verdichten
Ein strombetriebener Kompressor, der als Verdichter bezeichnet wird, saugt den Kältemitteldampf an und presst diesen zusammen. Durch den Druckanstieg erhöht sich auch die Temperatur. Beobachten lässt sich das Prinzip nicht nur bei der Funktion der Wärmepumpe. Wird bei einer Fahrradluftpumpe die Öffnung zugehalten und die Luft zusammengedrückt, erwärmt sich der Zylinder der Luftpumpe.

Kondensieren
Am Verflüssiger wird die Wärme des heißen Kältemitteldampfes auf das Wärmeverteilsystem übertragen. Da das Kältemittel Energie abgibt, kühlt es sich ab.

Entspannen
Das sogenannte Expansions- oder Entspannungsventil reduziert den Druck des Kältemittels. Dadurch geht es wieder in seinen Ausgangszustand über und der Wärmepumpenprozess kann von Neuem beginnen. Das Prinzip kann man zum Beispiel auch bei einer Flüssiggasflasche beobachten. Wird das Ventil geöffnet, kann es selbst im Sommer zur Eisbildung an dem Ventil kommen.

Kältemittel essenziell für Funktionsweis der Wärmepumpe

Damit die Wärmepumpe ihre Funktion erfüllen kann, ist ein Kältemittel notwendig. Wichtiges Merkmal ist der tiefe Siedepunkt, durch den die Flüssigkeit schon bei niedrigen Temperaturen von dem flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht. Dafür reichen sogar Temperaturen von minus 20 Grad Celsius aus. Deshalb funktioniert die Wärmepumpe auch im Winter bei niedrigen Außentemperaturen. Die Viessmann Wärmepumpen der neuesten Generation nutzen das natürliche Kältemittel Propan (R290), das bezüglich seiner Eigenschaften klassischen Kältemitteln in nichts nachsteht.