Wärmepumpe

Wärmepumpen werden vor allem für die Heizung von Räumen und Gebäuden sowie für die Warmwassergewinnung genutzt. Dabei wird Erdwärme, die Wärme des Grundwassers oder die Wärme der Luft außerhalb des Gebäudes bei niedriger Temperatur aufgenommen und im Inneren des Gebäudes bei höherer Temperatur abgegeben. Dazu muss elektrische Energie zum Antrieb der Wärmepumpe zugeführt werden.
Das Grundprinzip einer Wärmepumpe wurde bereits um 1852 von dem englischen Physiker WILLIAM THOMSON (1824-1907), der später zum Lord KELVIN ernannt wurde, gefunden. Es wird auch beim Kühlschrank angewendet. Intensiver genutzt werden Wärmepumpen aber erst seit etwa 1990. Sie sind in den letzten Jahren technisch erheblich weiterentwickelt worden.

Aufbau und Wirkungsweise einer Wärmepumpe

Nachfolgend sind der Aufbau und die Wirkungsweise einer Kompressionswärmepumpe dargestellt. Das ist die am häufigsten verwendete Art von Wärmepumpen. Daneben gibt es noch Absorptionswärmepumpen.
Die wichtigsten Bestandteile einer Kompressionswärmepumpe,
nachfolgend kurz Wärmepumpe genannt, sind ein System von
Rohrleitungen mit einem Arbeitsmittel, ein Verdichter (Kompressor), ein Verdampfer, ein Verflüssiger und ein Ventil (Expansionsventil, Drossel). Die Anordnung der Teile ist in Bild 2 dargestellt.

Der Verdampfer befindet sich außerhalb des Gebäudes, z. B. im Erdreich, im Grundwasser oder in der Luft (Bild 3). Die übrigen Teile befinden sich im Gebäude. Das Arbeitsmittel in den Rohrleitungen ist eine spezielle Flüssigkeit mit einer Siedetemperatur von -25 °C
bis -45 °C. Unter anderem wird auch Propan mit einer Siedetemperatur von -42,1 °C verwendet.

Im Verdampfer geht das Arbeitsmittel vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand über. Dazu ist Wärme (Verdampfungswärme) erforderlich, die der Umgebung (Erde, Wasser, Luft) entzogen wird.
Durch eine Rohrleitung gelangt das gasförmige Arbeitsmittel in den Verdichter. Das ist eine Pumpe, durch die das Gas komprimiert, also der Druck in ihm erhöht wird. Das Gas unter hohem Druck gelangt in den Verflüssiger.

Durch das Komprimieren des Gases erhöht sich seine Siedetemperatur. Es wird flüssig und gibt dabei Wärme (Kondensationswärme) ab. Diese Kondensationswärme wird genutzt, um Wasser in einem Heizkreislauf zu erwärmen, das dann z. B. zur Raumheizung verwendet wird.

Das unter hohem Druck stehende flüssige Arbeitsmittel gelangt nach der Wärmeabgabe zu einem Ventil, durch das der Druck erheblich verringert wird. Aufgrund des geringeren Drucks sinkt die Siedetemperatur wieder. Das Arbeitsmittel wird flüssig und gelangt dann wieder in den Verdampfer. Der Kreislauf beginnt von Neuem.

Energiebilanz bei Wärmepumpen

Die Energiebilanz für eine Wärmepumpe zeigt Bild 4. Aus der Abbildung ist erkennbar: Die für den Antrieb des Verdichters erforderliche elektrische Energie ist wesentlich kleiner als die für Heizzwecke nutzbare Energie. Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe ist, bezogen auf diese Energien, größer als 1. Er liegt meist bei Werten zwischen 2,4 und 4,0. Dieser Wert wird bei Wärmepumpen als Leistungszahl bezeichnet.

Für die Nutzung von Wärmepumpen ist zu beachten, dass ihr Wirkungsgrad umso größer ist, je kleiner die Temperaturdifferenz zwischen der außen aufgenommenen und der innen abgegebenen Wärme ist. Er kann berechnet werden mit der Gleichung:

$\eta =\frac{T_{\text{ab}}}{T_{\text{ab}}-T_{\text{auf}}}$

Wärmepumpen sind deshalb besonders für Fußbodenheizungen geeignet, da in diesem Falle der Wirkungsgrad besonders groß ist.

Vorteile und Nachteile von Wärmepumpen

Die Vorteile von Wärmepumpen bestehen vor allem darin, dass

• nicht erneuerbare Energieträger eingespart werden,
• keine Emissionen von Kohlenstoffdioxid auftreten,
• regenerative Wärmequellen (Erdwärme, Wärme der Luft) genutzt werden.

Die Nachteile von Wärmepumpen bestehen gegenwärtig vor allem darin, dass

• ihre Herstellung und ihre Installation hohe Kosten verursachen,
• der Einsatz von FCKW-freien und chlorfreien (klimawirksamen) Arbeitsmitteln noch nicht befriedigend geklärt ist,
• beim Betrieb eine belästigende Geräuschentwicklung auftreten kann.