Unsere Umwelt hat durch die
Sonneneinstrahlung genug Umgebungswärme, die von Wärmepumpen
genutzt werden kann. Auch wenn uns diese Umgebungswärme
teilweise recht kalt vorkommt, kann sie von der Wärmepumpentechnik
genutzt werden, um auf ein höheres Level gepumpt zu werden.
Wärmepumpen nutzen die Umweltenergie aus Luft, Grundwasser
und/oder Erdreich. Allein die Sonnenenergie reicht (noch) nicht aus,
um Heizwärme zu entwickeln. Ungefähr ein Viertel der
Gesamtenergie muss an Elektroenergie hinzugefügt werden, damit
die Wärmepumpe aus den drei Viertel Sonnenenergie Heizwärme
erzeugt. Hochwertige Wärmepumpen schaffen es, aus einer
Kilowattstunde elektrischer Energie mindestens fünf
Kilowattstunden Wärme zu gewinnen.
Während bei der konventionellen
Verbrennung von Öl, Gas oder Holz im Kessel unter hohem
Energieaufwand und hoher Temperatur (gewünscht) niedrige
Temperaturen erreicht werden, arbeitet die Wärmepumpe
effizienter und unter geringerem Energieverlust.
In Mitteleuropa wird die Wärmepumpe
hauptsächlich zur Bereitstellung von Heizwärme genutzt.
Ebenso kann die Wärmepumpe zum Kühlen verwendet werden. Der
Kühlschrank, der sich in jedem Haushalt wiederfindet, basiert
auf dem Funktionsprinzip der Wärmepumpen. Zur Heizung wird
diese Funktionsweise nur umgekehrt. Beim Kühlschrank entzieht
das System dem Kühlmittel über den Verdampfer Wärme
und gibt sie in den Raum ab. Das verbleibende Kühlmittel ist
daher kalt. An der Rückseite des Kühlschranks tritt Wärme
aus. Bei der Wärmepumpe wird aus der Umgebungsluft, dem Erdreich
oder dem Grundwasser die ihnen inneliegende Wärme statt der
Kälte brauchbar gemacht.
Von allein würde Wärme nur
von einem warmen zu einem kalten Körper fließen. Dieses
Prinzip entspricht so dem Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Die
Umwandlung von Wärme niedriger Temperatur in Wärme höherer
Temperatur gelingt der Wärmepumpe dennoch – aber nur unter
Zufuhr von Hilfsenergie. Hierzu setzt die Wärmepumpe ein
Kältemittel ein, dass bereits bei niedriger Temperatur siedet
und verdampft. Die Temperatur der Wärmequelle ist bereits in
ihrer ursprünglichen Form höher als die Siedetemperatur des
Kältemittels. Es kommt zu einer Wärmeübertragung von
der Wärmequelle auf das Arbeitsmittel. Während dieses
Prozesses wird der Umgebung Wärme entzogen. Somit kann die
Wärmepumpe Wärmequellen wie Luft, Wasser oder das Erdreich
nutzen, die normalerweise für die Raumheizung ungeeignet wären.
Der warme Dampf wird vom Verdichter dem Verdampfer abgesaugt und
verdichtet. Hierfür die die zusätzliche elektrische Energie
notwendig. Die Temperatur steigt. Das Arbeitsmittel wird an den
Verflüssiger weitergereicht, der mit dem Heizungssystem
verbunden ist. Im Verflüssiger kondensiert die Wärme und
wird so für das Heizungsnetz freigesetzt. Das Arbeitsmittel wird
im Anschluss entspannen, den hohen Druck wieder verringern und für
den nächsten Kreislauf im Verdampfer bereitstehen.
Durch die Wärmepumpe wird der entsprechenden
Umgebung Wärme entzogen, die dann an das Heizungswasser abgegeben wird.
In einem Wärmetauscher sorgt die der Umwelt entzogene Wärme dafür,
dass ein Kältemittel mit einem sehr niedrigen Siedepunkt verdampft.
Dieses Gas wird dann in einem Kompressor unter Zusatz von elektrischer
Energie durch Druck auf eine höhere Temperatur gebracht. In dem sich
anschließenden Verdichter wird die diese Wärme dann an die Heizanlage
abgegeben. Das Kältemittel verflüssigt sich dabei wieder und fließt
zurück zu dem Anfangswärmetauscher, wobei der Druck wieder reduziert
wird.
Umso niedriger die Warmwasservorlauftemperaturen sind, umso weniger Zusatzenergie wird
zum Betrieb der Wärmepumpe benötigt. Wärmepumpen zur
Raumheizung erreichen sinnvollerweise nicht mehr als 55 bis
65 Grad. Zum ausschließlichen Beheizen über
Fußbodenheizungen reichen bereits 35 Grad, da Fußbodenheizungen
träge Systeme sind.
