Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

(16.11.2003) Aufgabe einer Wärmepumpe ist es, dem Wasser, dem Boden oder der Luft Wärme zu entziehen. Und das muss auch dann funktionieren, wenn diese Umgebung deutlich kälter ist als der Wärmeträger der Wärmepumpe. Diese zunächst paradox klingende Arbeitsweise wird durch einen physikalischen Trick möglich: Die Konstrukteure nutzen dabei den Zusammenhang von Druck, Volumen und Temperatur eines Wärmeträgermediums. Alle drei Größen müssen in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen, was bedeutet, dass Veränderungen der einen Größe zwangsläufig Veränderungen der anderen zur Folge haben.

Im Detail wird dabei folgende physikalische Gesetzmäßigkeit genutzt: Entspannt sich ein unter Überdruck stehendes Gas, "nimmt" es sich aus seiner Umgebung die für die Volumenvergrößerung benötigte Wärme. Dabei spielt es keine Rolle, ob diese Umgebung wärmer oder kälter ist. Noch die kälteste Umgebung muss ihm für diese Entspannung Wärme überlassen, wenn das Gas nur vorher genügend verdichtet wurde.

Für die Verdichtung des Gases sorgt ein Kompressor, wie er auch in Kühlschränken eingesetzt wird. Je kälter Wasser, Erdreich oder Luft sind, mit denen eine Wärmepumpe als Wärmequelle arbeitet, umso mehr muss der Kompressor vorher das Gas verdichten. Für den Nutzer wird das daran erkennbar, dass eine Wärmepumpe mehr Strom verbraucht, wenn die Wärmequelle kälter wird.

Das Prinzip der Wärmepumpe lässt sich grafisch in einem Kreislauf veranschaulichen

Wann wird die Wärme nun verfügbar? Im Wärmepumpenprozess wird ein Arbeitsmittel im Kreislauf verdichtet und entspannt. Die Wärme wird immer dann gewonnen, wenn das verdampfte Gas vom Kompressor wieder verdichtet d.h. verflüssigt wird.Es handelt sich hierbei um jene Wärme, die sich das Gas von seiner Umgebung zum Verdampfen "gepumpt" hat und nun, nach dem es wieder flüssig ist, nicht mehr benötigt. Da sich die Wärmeträgerflüssigkeit zu diesem Zeitpunkt aber nicht mehr in der Umgebung (Wasser, Boden, Luft) befindet, sondern von dort weggepumpt wurde, steht die Wärme nun anderenorts - als beispielsweise im Haus - zur Verfügung.

Ein Beispiel: Wer schon einmal eine Gaskartusche in einen Sprudelbereiter eingeschraubt hat, wird vielleicht bemerkt haben, dass sich die Kartusche im Augenblick des Einschraubens stark abkühlt und dabei kurzzeitig sogar vereisen kann. Der Inhalt der Kartusche, flüssiges, d.h. stark komprimiertes Gas (Kohlendioxid) hat dabei seine Umgebung - die Stahlpatrone- zur Abgabe von Wärme "gezwungen". Wie sich leicht nachvollziehen lässt, wäre dieser Vorgang allein aufgrund des Temperaturgefälles nicht möglich gewesen, da Gas und Umgebung zunächst gleich warm bzw. kalt waren.

Schraubt man eine Gaskartusche in einen Sprudelbereiter ein (obere Abbildung), wird bemerken dass sich die Kartusche im Augenblick des Einschraubens stark abkühlt und dabei kurzzeitig sogar vereisen kann (untere Abbildung).

Übrigens: Je nachdem, ob man sich nun für die beim Verdampfen entstehende Kälte oder die beim Kondensieren freiwerdende Wärme interessiert, nennt man das Ganze Kühlschrank oder Wärmepumpenheizung!

Beispiel für die prinzipielle Funktion einer Wärmepumpenheizung

Warum ist eine Wärmepumpe eine umweltfreundliche Heizungsanlage? Wärmepumpenheizungen sparen gegenüber konventionellen Heizungen Primärenergie und senken die Kohlendioxid-Emissionen. Die Wärmepumpe erschließt ungenutzte und regenerative Energiequellen. Eine Wärmepumpe mit einer Jahresarbeitszahl von 4 erzeugt im Jahresdurchschnitt aus jeder aufgenommenen Kilowattstunde Strom 4 Kilowattstunden Wärme.