Das Funktionsprinzip einer Wärmepumpe
Eine Wärmepumpe ist in ihrer Funktion mit der eines Kühlschranks vergleichbar. Während ein Kühlschrank seinem Innenraum Wärme entzieht, um Lebensmittel zu kühlen und die Wärme an die Umwelt abgibt, entzieht eine Wärmepumpe der Umwelt Wärme, um damit die Innenräume eines Gebäudes zu beheizen. Als unerschöpfliche und kostenlose Energiequellen für die Wärmepumpe bietet die Umwelt Umgebungsluft, das Erdreich sowie das Grundwasser. Um diese Umweltenergie in Heizenergie umzuwandeln, macht sich die Wärmepumpe das physikalische Prinzip des sogenannten Joule-Thomson-Effekts zunutze.
Schritt für Schritt: So funktioniert die Wärmepumpe
1. Alle Wärmepumpen verfügen über einen sogenannten Kältekreis, d. h. einen Verdampfer, in dem sich ein flüssiges Kältemittel mit niedrigem Siedepunkt befindet. Dieses wird mithilfe der Umweltwärme aus Luft, Wasser oder dem Erdreich erwärmt und wird so bereits bei sehr niedrigen Temperaturen gasförmig und verdampft.
2. Im nächsten Schritt gelangt das gasförmige Kältemittel in einen Kompressor, auch Verdichter genannt. Dieser verdichtet den Kältemitteldampf, woraufhin sich die Temperatur erhöht und das Volumen verringert. Für diesen Vorgang benötigen Wärmepumpen elektrische Energie (Strom) – umso weniger, je geringer der Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle und Kältemittel ist.
3. Im Verflüssiger gibt das gasförmige Kältemittel seine Wärme an ein Wärmeverteil-und Speichersystem ab und wird dann an den Heizkreislauf übertragen. Die Wärme kann schließlich zum Beheizen des Gebäudes, zum Beispiel über eine Fußbodenheizung oder zur Beheizung des Warmwassers verwendet werden. Dadurch sinkt die Temperatur des Kältemittels wieder und es verflüssigt sich langsam, steht aber weiterhin unter hohem Druck.
4. Durch das Expansionsventil verliert das Kältemittel den restlichen Druck und wird von einem hohen Temperaturniveau wieder auf ein niedriges gebracht. Danach beginnt der Prozess erneut und so läuft der Kreislauf der Wärmepumpe immer und immer wieder.
Die einzelnen Komponenten der Wärmepumpe im Überblick:
Genau wie bereits die allerersten Wärmepumpen im 19. Jahrhundert nutzen auch die modernen Wärmepumpen weiterhin die vier Hauptkomponenten: einen Verdampfer, einen Verdichter bzw. Kompressor, einen Verflüssiger bzw. Kondensator und ein Expansionsventil bzw. Entspannungsventil.
Das Kältemittel: Das Kältemittel besitzt einen äußerst niedrigen Siedepunkt und zirkuliert dauerhaft im Wärmepumpenkreislauf.
Der Verdampfer: Im Verdampfer treffen Kältemittel und Umweltwärme aufeinander. Das Kältemittel nimmt dabei die Wärme aus der Umwelt (Luft, Wasser, Erde) auf und verdampft.
Verdichter: Der Kältemitteldampf kommt im Verdichter an und wird dort verdichtet, sodass sich sein Volumen verringert und die Temperatur gleichzeitig erhöht.
Der Kondensator: Hier wird die Wärme an das Gebäude abgegeben und der Aggregatszustand des Kältemittels ändert sich wieder von gasförmig zu flüssig.
Das Expansionsventil: Der restliche Druck sowie die Temperatur werden gesenkt, sodass der Kreislauf erneut beginnen kann.
Erklärvideo: Funktionsweise einer Wärmepumpe
WÄRMEQUELLEN IM ÜBERBLICK
Funktionsweise Wärmepumpe bei Minustemperaturen
Selbst bei Minusgraden schafft es die Wärmepumpe genügend Wärme aus der Umwelt zu gewinnen, um das Zuhause zu heizen. Die Temperaturen des Erdreiches sowie des Grundwassers sind das ganze Jahr über konstant, sodass Minustemperaturen keinen Einfluss auf den Betrieb von Erdwärmepumpen und Wasserwärmepumpen haben. Nur die Luftwärmepumpe hat es mit den eisigen Lufttemperaturen schwer. Denn je kälter die Umgebungsluft ist, desto schwerer kann sie daraus Wärme zum Heizen gewinnen. Bei extremen Minustemperaturen unterstützt sie deshalb ein Heizstab, der es ermöglicht den Heizbetrieb aufrecht zu erhalten. Dieser schaltet sich nur dann ein, wenn es der Luftwärmepumpe nicht mehr möglich ist, genügend Wärme aus der Luft zu gewinnen. Doch keine Sorge: Die Heizkosten steigen dadurch nicht automatisch ins Endlose, denn diese besonders kalten Tage sind in Deutschland sowie anderen mitteleuropäischen Ländern eher selten.
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