Geniale Technik - einfach erklärt

Forschung & Technik 09. Juli 2013

Wärmepumpen machen Umweltwärme für Raumwärme und Warmwasser nutzbar (Quelle: BWP)
Wärmepumpen machen Umweltwärme für Raumwärme und Warmwasser nutzbar (Quelle: BWP)

Die Funktionsweise einer <acronym>Wärmepumpe</acronym> ist im Prinzip identisch mit der eines altbekannten Alltagsgerätes -  des Kühlschranks – nur wird das Prinzip genau umgekehrt genutzt: Während der Kältemittelkreislauf des Kühlschranks seinem Inneren Wärme entzieht und diese als „Abfallprodukt“ an die Umgebung abgibt, entzieht der Kältemittelkreislauf einer Wärmepumpe der Umgebung Wärme, um sie im Gebäude zu nutzen. Diese wird innerhalb des Gerätes auf ein höheres Temperaturniveau gebracht und kann dann zum Heizen oder zum Erwärmen von Trinkwasser genutzt werden. Eine effiziente Wärmepumpe kann so aus bis zu 75% kostenloser Umweltenergie 100% Heizleistung erzeugen. Wie das funktioniert?

Schritt 1 – Gewinnung von Umweltwärme: Die Hauptenergiequelle  der Wärmepumpe ist die Umgebungswärme, also die in der Luft, im Boden oder im Grundwasser gespeicherte Sonnenenergie. Diese wird über eine so genannte Wärmequellanlage aufgenommen und über ein Trägermedium – Sole oder Wasser – der Wärmepumpe zugeführt. Das kann zum Beispiel eine Erdsonde oder ein Brunnensystem sein, die als „Quellenanlage“ die aus der Umgebung gewonnene thermische Energie zur Wärmepumpe führen. Eine Ausnahme bilden Luft-Wärmepumpen, die keine gesonderte Wärmequellen-Anlage besitzen, sondern über Ventilatoren die Umgebungsluft als Wärmequelle nutzen.

Schritt 2 – Nutzbarmachung der gewonnenen Energie: Die aufgenommene Umweltenergie muss nun nutzbar gemacht werden, denn die Temperatur ist noch immer zu niedrig. Um die gewonnene Umgebungswärme von einem niedrigen auf das für Heizung und Warmwasser erforderliche Temperaturniveau zu bringen, nutzt das Gerät ein Kältemittel. Dieses nimmt in einem Wärmetauscher die Umgebungswärme auf und verdampft dadurch. Aufgrund seines niedrigen Siedepunktes tut es dies bereits bei extrem geringen Temperaturen und kann so auch gefühlt kühlen Wärmequellen noch Wärmeenergie entziehen.

Und nun macht sich die Wärmepumpe ein geniales Phänomen – den sog. Joule-Thomson-Effekt – zunutze: Durch den Zusatz von Antriebsenergie in Form von Strom oder Gas wird das dampfförmige Kältemittel verdichtet. Dadurch steigt seine Temperatur auf das für Heizzwecke benötigte Niveau, es wird also wärmer. In einem Kondensator wird das Kältemittel anschließend wieder verflüssigt, wobei es sowohl die zugeführte Antriebsenergie als auch die aufgenommene Umweltwärme auf einem höheren Temperaturniveau an das Heizmedium abgibt. Das abgekühlte Kältemittel wird nun wieder entspannt und erneut dem Verdampfer zugeführt. Der Kreislauf beginnt von vorn.

Schritt 3 – Wohlige Wärme im ganzen Haus: Im so genannten Wärmeverteil- und Speichersystem (Heizkörper/Flächenheizung, Heizungsrohren, ggf. Trinkwasserspeicher und –leitungen, Heizungspufferspeicher) zirkuliert Wasser. Dieses Wasser nimmt die Wärme auf, die das Kältemittel im Kondensator abgibt, und verteilt diese im gesamten Haus.

Luft/Luft-Wärmepumpen – beispielsweise in Ladengeschäften oder Passivhäusern – bringen die Wärme ohne wassergeführte Heizungen in das Gebäude und nutzen dafür Luft als Wärmeträger. Häufig sind sie für den zusätzlichen Komfort mit Lüftungssystemen verknüpft.

Vielseitig einsetzbar

Wärmepumpen sind sowohl für die Raumheizung als auch für die Bereitstellung von Warmwasser geeignet. Sie können darüber hinaus aber auch zur Kühlung eingesetzt werden. Da die Temperatur im Erdreich im Sommer geringer ist als die Raumtemperatur, können Erd- oder Grundwasser-Wärmepumpen die Kühle des Erdreiches direkt nutzen. Dafür wird nur ein sehr geringer Energieaufwand benötigt, was diese Art der der Kühlung sehr energieeffizient macht und zudem die Effizienz der Wärmepumpe in der nächsten Heizperiode erhöht, da die Abwärme aus der Kühlung gewissermaßen im Boden gespeichert wird.

Bei einem höheren Kühlbedarf kann zudem der Wärmepumpen-Kreislauf umgekehrt und zur aktiven Kühlung eingesetzt werden. Dann funktioniert sie genauso wie ein Kühlschrank, sodass das Haus auch im Sommer angenehm temperiert ist.


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