Wärmepumpe

Funktionsweise einer Wärmepumpe

Eine Wärmepumpe ist eine Maschine, die dem Erdreich, der Luft oder dem Grundwasser Wärmeenergie entzieht, um diese dann wieder abzugeben. Das Funktionsprinzip einer Wärmepumpe beruht auf den Gesetzmäßigkeiten der technischen Arbeit, wie sie die Thermodynamik beschreibt. Nach dieser setzt sich technische Arbeit aus Volumenänderungs- und Verschiebearbeit zusammen. Auf eine Wärmepumpe übertragen versteht sich das Funktionsprinzip wie folgt: Durch den Einsatz von technischer Arbeit wird aus einem Reservoir mit vergleichsweise niedriger Temperatur thermische Energie aufgenommen, die dann in der Form von Nutzwärme durch Zufuhr von Antriebsenergie wieder auf ein System mit vergleichsweise hoher Temperatur abgegeben wird. 

Funktionsprinzip von Wärmepumpen

Das Funktionsprinzip einer Wärmepumpe lässt sich einfach auch als das eines umgekehrten Kühlschranks beschreiben. Bei einem Kühlschrank wird dem Kühlraum Wärme entzogen, die dann gemeinsam mit der Antriebsenergie als Abwärme an die wärmere Umgebung wieder abgegeben wird. Der Nutzen einer Wärmepumpe liegt, anders als beim Kühlschank, nicht in der Abkühlung, sondern in der abgegebnen Wärme bei höherer Temperatur. Soweit das grundlegende Funktionsprinzip einer Wärmepumpe.

Funktionsprinzip einer Kompressions- Wärmepumpe

Wärmepumpen werden meist als elektrische Kompressions-Wärmepumpen ausgeführt und gehorchen folgendem Konzept: Das Arbeitsmedium, auch Kältemittel genannt, verdampft unter Wärmezufuhr bei niedrigem Druck und kondensiert unter Wärmeabgabe durch Verdichtung. Der Verdichter saugt das Arbeitsmedium an, vom Verflüssiger wird die Wärme an die Raumluft oder in einen Warmwasserkreislauf übertragen. Das Arbeitsmedium wird anschließend wieder auf ein Niveau abgekühlt, das unter jenem des Umgebungsmediums (bspw. Erdreich) liegt.

Dieser Vorgang erfolgt im so genannten Verdampfer. Dort verdampft das Kältemittel, entzieht auf diese Weise der Umgebung Wärme und strömt wieder zurück in den Verdichter. Das hat folgende Konsequenzen: Im Vergleich mit einer konventionellen, direkten Heizung kann durch eine Elektro-Wärmepumpe der thermische Wirkungsgrad kaum entscheidend gesteigert werden. (eine geringe Temperaturdifferenzen vorausgesetzt). Der Bedarf an Energie, der einer Wärmepumpe zugeführt werden muss, ist dabei umso geringer, je kleiner die Temperaturdifferenz zwischen Eingangstemperatur und Ausgangstemperatur (Temperatur und Wärmebedarf des Wohnraums) ist.

Wärmepumpe: Der Wirkungsgrad

Um den Energiebedarf und den Wirkungsgrad einer Wärmepumpe möglichst gering zu halten, empfehlen sich Niedertemperaturheizungen (Fußbodenheizungen). Wird die Wärmepumpe durch Erdgas oder Solarstrom (Photovoltaik) angetrieben, reduziert sich überdies der Kohlendioxidausstoß [ CO₂ ].
Deutlich höher liegt der thermische Wirkungsgrad einer Wärmepumpe, wenn Gas oder Öl als Primärenergie genutzt werden, um den Wärmepumpenverdichter anzutreiben. Dieses Funktionsprinzip garantiert zwar einen höheren Wirkungsgrad, muss aber durch höhere Anschaffungs- und Wartungskosten erkauft werden. Andere Techniken der erneuerbaren Energien wie beispielsweise die Solartechnik der Solarthermie sind in der Lage, wesentlich höhere Wirkungsgrade zu erzielen.

Die Jahresarbeitszahl von Wärmepumpen COP

Wenn neben dem Funktionsprinzip vom Wirkungsgrad einer Wärmepumpe die Rede ist, sollten Sie Folgendes beachten: Der Wirkungsgrad ist nur eine Kennzahl, die bei der Beurteilung der Qualität einer Wärmepumpe berücksichtigt werden soll. Neben dem Wirkungsgrad entscheidende Kennzahlen einer Wärmepumpe sind die Leistungs- und die Jahresarbeitszahl. Die Leistungszahl zeigt das Verhältnis von abgegebener Wärmeleistung und aufgenommener elektrischer Leistung. Neuere Elektro-Wärmepumpen haben (je nach Wärmequelle) Leistungszahlen zwischen 3,5 und 5,5. Pro kWh Strom (d.h. sie erzeugen 3,5 bis 5,5 kWh Heizwärme). Die Leistung elektrischer Hilfsaggregate wird von der Leistungszahl allerdings nicht berücksichtig. Dazu dient der COP-Wert. Er bezieht die Leistungen aller angeschlossenen Geräte ein und ist neben dem Wirkungsgrad ein entscheidender Indikator für die Qualität von Wärmepumpen.
In Bezug auf den Wirkungsgrad von Wärmepumpen und in Bezug auf eine energetische Bewertung der Gesamtanlage ist die Jahresarbeitszahl der entscheidende Parameter. Er beschreibt die Relation von abgegebener Wärmemenge und zugeführter Energie im Jahresverlauf. Diese Zahl kann man auch als Anlagen-Nutzungsgrad verstehen.

Nutzungsgrad einer Wärmepumpe

Eine weitere bedeutende Kennzahl neben dem Wirkungsgrad ist der Nutzungsgrad. Er gibt an, wie viel ein Energieträger während einer Heizungsperiode tatsächlich gespeichert hat. Der Nutzungsgrad wird über einen längeren Zeitraum verifiziert, der eigentliche Wirkungsgrad wird hingegen bloß in einem Betriebspunkt gemessen. Weil der Wirkungsgrad bei optimalem Betriebszustand bestimmt wird, ist er in der Regel höher als der Nutzungsgrad. In jedem Fall gilt: Die Qualität einer Wärmepumpe sollte nicht allein nach dem Wirkungsgrad beurteil werden.

Wärmepumpen - Arten

Die üblichen Wärmequellen für Wärmepumpen sind das Erdreich, das Grundwasser und die Luft. Sie folgen einem jeweils unterschiedlichen Funktionsprinzip. Aus dem Erdreich kann die Wärme entweder durch Erdwärmekollektoren, die in geringer Tiefe verlegt (ca. 1 bis 1,5m) werden, oder von Erdwärmesonden bezogen werden, die meist in Bohrrohre mit einer Tiefe von 50 Metern eingeführt werden.

Erd-Wärmepumpen

Das Funktionsprinzip der Erdwärmesonden ist bis heute die zuverlässigste Wärmequelle einer Wärmepumpe. Es hat auch den höchsten thermischen Wirkungsgrad. Sein Nachteil: die Bohrungen sind sehr teuer. Für beide Anwendungen gibt es heute spezifisch auf die Wärmequellen abgestimmte Erd-Wärmepumpen, mit verbessertem Wirkungsgrad.

Grundwasser Wärmepumpe

Das Funktionsprinzip von Grundwasser-Wärmepumpen: Aus einem Förderbrunnen wird Grundwasser entnommen, durch einen Schluckbrunnen wird dieses wieder rückgeführt. Für die Zuverlässigkeit des Systems ist die Wasserqualität entscheidend. Der Wirkungsgrad einer Anlage, die auf dem Funktionsprinzip der Grundwasser-Wärmepumpe beruht, liegt recht hoch, ein Problem bereitet jedoch die Oxidierung.

Luft Wärmepumpe

Luft-Wärmepumpen folgen einem anderen Funktionsprinzip: Verwendet wird Umgebungsluft, der Wärme durch einen Wärmetauscher entzogen wird und der Luft-Wärmepumpe zugeführt wird. Die Investitionskosten sind gering, die Montage ist unproblematisch. Neben dem Unterscheidungskriterium Wärmequelle, können Wärmepumpen auch nach einem anderen Funktionsprinzip oder Technologie zum Zweck einer Heizung eingeteilt werden.

Lexikon

Fachbegriffe der Solarthermie, Photovoltaik, Heizungen und aus dem Themengebiet der erneuerbaren Energien,  komplexe Technik und Funktionsweisen im Online Lexikon von Paradigma, einem führenden Hersteller umweltfreundlicher Gas- und Pelletsheizungen sowie von thermischen Solaranlagen für Warmwasser und solares Heizen.

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