Funktionsweise

Was sind Wärmepumpen?

Bei Wärmepumpen handelt sich keineswegs um eine neue Technologie. Das derzeit vorherschende Prinzip der Kompressionswärmepumpe ist bereits seit über 150 Jahren bekannt und in jedem modernen Haushalt in Form eines Kühlschranks vorhanden. Kühlschränke sind ebenfalls Wärmepumpen, nur arbeiten diese in einem anderen Temperaturbereich und der Nutzen ist bei Kühlschränken die "Kälte" und bei den Wärmepumpen die "Wärme". Neben Kompressionswärmepumpen gibt es weitere Wärmepumpentechnologien, die nur einen kleinen Anteil an allen Wärmepumpen ausmachen, jedoch ein komplett anderes internes Funktonsprinzip besitzen können.

Glücklicherweise tun alle Wärmepumpentechnologien aber genau das, was man mit dem Namen verbindet. Sie pumpen Wärme von niedriger auf höhere Temperatur. In gleicher Weise wie Flüssigkeitspumpen Flüssigkeiten von niedrigem auf höheres Niveau pumpen. In beiden Fällen geschieht das Pumpen gegen das jeweilige natürliche Gefälle. Wärme fließt auf natürliche Weise von warm zu kalt und Flüssigkeiten von höheren auf niedrigere Niveaus. Das Wärmepumpen und das Flüssigkeitspumpen erfordert den Einsatz von zusätzlicher Energie. Es kann also niemals Energie mit Wärmepumpen als auch Flüssigkeitspumpen gewonnen werden.

An diesem Punkt enden aber auch die physikalischen Gemeinsamkeiten, die durch die begriffliche Ähnlichkeit zwischen Wärme- und Flüssigkeitspumpe angedeutet wurde. Die hydraulischen Gesetze zum Berechnen von Flüssigkeitspumpen lassen sich nämlich nicht auf die Wärme in Wärmepumpen übertragen. Wärme ist anders als eine Flüssigkeit nicht an eine bestimmte Materie gebunden sondern tritt immer dann in Erscheinung, wenn angrenzende Objekte unterschiedliche Temperaturen haben. Wärme ist eine Energieform die Temperaturdifferenzen ausgleicht. Dies bedeutet für Wärmepumpen, dass nicht zwangsläufig die selbe Materie auf niedriger Temperatur in die Wärmepumpe eintritt und auf hoher Temperatur die Wärmepumpe verlässt, sondern dass die Wärme an unterschiedliche sogenannte Wärmeträger gebunden sein kann. Auf der einen Seite zum Beispiel an Luft und auf der anderen Seite an Wasser. Innerhalb der Wärmepumpe ist dann ein sogenanntes Kältemittel für den Wärmetransport verantwortlich. Das Kältemittel ist theoretisch nicht immer notwendig, es gäbe in manchen Prozessen auch Wege ohne dieses auszukommen. Wirtschaftliche und praktische Gründe sprechen jedoch für die Verwendung von Kältemitteln. So ist vor allem die Leistungsdichte bei der Verwendung von Kältemitteln wesentlich höher, was zur Folge hat, dass die Anlagen kleiner und damit kostengünstiger gebaut werden können.

Wie genau schafft es die Wärmepumpe nun, das natürliche Gefälle der Wärme von Raumtemperatur zu Umgebungstemperatur umzukehren?

Die nun folgenden Erläuterungen beziehen sich auf das Funktionsprinzip der Kompressionswärmepumpen, welche einen Anteil von über 99 % an allen Wärmepumpen haben. Kompressionswärmepumpen stellen zwei zusätzliche Temperaturniveaus zur Umgebungstemperatur und Raumtemperatur her, sodass die Wärme auf natürliche Weise aus der Umgebung durch den Verdampfer in die Wärmepumpe hinein und durch den Kondensator aus der Wärmepumpe hinaus fließen kann, siehe Abbildung 2. Zwischen Verdampfer und Kondensator innerhalb der Wärmepumpe findet der eigentliche Wärmepumpeneffekt des Kältemittels statt. Um auf physikalische Weise die Temperatur des Kältemittels für den Wärmepumpeneffekt zu erhöhen, wird ein Zusammenhang zwischen der Temperatur des Kältemittels und einer weiteren physikalischen Größe gesucht, die sich leicht durch einen Apparat beeinflussen lässt. Bei Kompressionswärmepumpen ist dies der Druck des Kältemittels innerhalb der Wärmepumpe, welcher sich durch einen Kompressor gut verändern lässt und zu der gewünschten Temperaturänderung führt.

Was wird warum komprimiert?

Wie sich Druck und Temperatur in den drei Phasen Festkörper, Flüssigkeit und Gas bei einer pefekten Verdichtung verhalten, ist in Abbildung 3 skizziert. Perfekte Verdichtung meint hier einen rein theoretischen Prozess ohne Verluste, z. B. durch Reibung, der in realen Apparaten nicht realisiert werden kann. Während sich in einem Festkörper und in einer Flüssigkeit die Temperatur vor der Verdichtung $T_A$ und nach der Verdichtung $T_B$ nicht nennenswert unterscheiden, erfährt ein Gas eine deutliche Temperaturänderung $\Delta T$. Diese Temperaturänderung in Folge einer Druckänderung kann als "Wärmepumpeneffekt" bezeichnet werden. Die grobe Größenordnung dieser Temperaturänderung liegt bei 5 K/bar. Mit einer Druckänderung von 1 bar auf 10 bar lässt sich somit eine Temperaturänderung von etwa

hervorrufen.

Wie lässt sich aus dem "Wärmepumpeneffekt" ein kontinuierlicher Prozess machen?

Dazu werden für die Kompressionswärmepumpe im einfachsten Fall vier Aufgaben benötigt:

• Kältemittel bei konstantem Druck verdampfen (Energie des Kältemittels steigt)
• Kältemitteldampf verdichten (Druck steigt)
• Kältemittel bei konstantem Druck kondensieren (Energie des Kältemittels sinkt)
• Kältemittel entspannen (Druck sinkt)

Diese vier Aufgaben werden typischerweise auf vier seperaten Apparate aufgeteilt. So müsen die Apparate nur für eine Aufgabe optimiert werden und es entsteht eine Spezialisierung von Apparateherstellern für einen Apparat.  Diese vier Apparate sind die bereits eingeführten Wärmeübertrager Kondensator und Verdampfer sowie der Kompressor und ein Apparat, der den Druck wieder senkt. Dies ist oftmals eine sogenannte Drossel bzw. ein Expansionsventil. Die vier Apparate werden dann zu einem sogenannten Kreisprozess verbunden, um kontinuierlich die Umgebungswärme vom niedrigen auf das hohe Temperaturniveau des Raums zu pumpen. Diese Verschaltung der Apparate ist in Abbildung 4 zu sehen. Auf niedrigem Druckniveau wird von 4 zu 1 das Kältemittel verdampft. Von 1 nach 2 wird dann der Druck erhöht. Zwischen 2 und 3 findet unter hohem Druck die Kondensation statt. Der Kreisprozess wird von 3 zu 4 durch die Drossel geschlossen, die den Druck wieder absenkt.