Funktionsweise einer Wärmepumpe

Wärmepumpen unterscheiden sich grundsätzlich von herkömmlichen Heizungen, die durch die Verbrennung von Holz, Gas oder Öl für Heizwärme sorgen. Wärmepumpen nutzen Strom zum Antrieb und arbeiten thermodynamisch, also vollkommen ohne Verbrennung oder Flamme. Genutzt wird die Energie, die in der Umgebung gespeichert ist, also aus der Sonne, dem Erdreich, dem Wasser oder der Luft. Anders als im Heizkessel entstehen dabei keine sehr hohen Temperaturen, was die Energieverluste minimiert. Vereinfacht lässt sich das physikalische Funktionsprinzip mit dem eines herkömmlichen Kühlschrankes vergleichen – nur in umgekehrter Weise. Während ein Kühlschrank seinem Innenraum Wärme entzieht und sie an der Geräterückseite wieder nach außen abgibt, entzieht die Wärmepumpe der Umwelt Wärme. Im Bereich Haustechnik sind vor allem zwei Typen interessant: die Kompressions- und die Adsorptionswärmepumpe. Beide arbeiten alle nach dem Prinzip, dass sie der Umgebung (Luft, Erde, Wasser) Energie entziehen.

Entscheidend für die Effektivität einer Wärmepumpe ist ein ausreichend warmes Medium, weshalb Grundwasser- oder Erdwärmepumpen natürlich im Winter beim Stromverbrauch besser abschneiden als solche, die Außenluft als Medium nutzen. Denn je ‚gehaltvoller‘ das genutzte Medium ist, um so niedriger der Stromverbrauch und um so höher die Jahresarbeitszahl. Diese sollte aus Gründen der Nachhaltigkeit und Kosteneffektivität mindestens 3,5 betragen, also das dreieinhalbfache des eingesetzten Stroms.

Die Kompressionswärmepumpe

In Ein- und Zweifamilienhäusern werden meistens Kompressionswärmepumpen mit elektromotorischem Antrieb eingebaut. Dabei entnimmt ein Kühlmittel in einem geschlossenen Kreislauf immer wieder Wärme aus der Umgebung und gibt sie an das zu erwärmende Heizwasser ab.

Damit dies funktionieren kann, nimmt auf niedrigem Temperaturniveau ein Wärmetauscher (Verdampfer) die Umweltenergie auf. Dieser wird von einem flüssigen Kühlmittel durchströmt, das bereits bei niedrigen Temperaturen verdampft. Durch die zugeführte Energie ändert das Kühlmittel seinen Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig. Das nun gasförmige Kältemittel wird danach in einem Verflüssiger (Kompressor) verdichtet, dabei erhöht sich der Druck und die Temperatur steigt. Auf diese Weise wird die gewünschte Temperatur für den Heizkreislauf erzeugt. Der Kompressor benötigt dafür Strom als Antriebsenergie.

In einem zweiten Wärmetauscher (Kondensator) überträgt der nun heiße Dampf seine Energie in das Heizsystem. Mittels eines Expansionsventils wird das unter Druck stehende Kältemittel entspannt. Es wird wieder flüssig und der Kreislauf beginnt von vorne.
Gerade in Passivhäusern kommen auch Kompaktaggregate zum Einsatz, die die Wärme aus der Raumabluft nutzen.

Die Adsorptionswärmepumpe

Sorptionswärmepumpen nutzen ebenfalls die Umweltenergie, unterscheiden sich in Aufbau und Funktion jedoch deutlich von einer konventionellen Wärmepumpe. Auch Sorptionswärmepumpen arbeiten in einem geschlossenen Kreislauf, allerdings geschieht die Wärmeübertragung über einen physikalisch-chemischen Prozess. Erst seit 2010 sind Erdgas-Adsorptionswärmepumpen für für Heizungsanlagen auf dem Markt erhältlich. Sie sind auch in Einfamilienhäusern einsetzbar und werden mit Solarthermie kombiniert. Adsorptionswärmepumen nutzen mikroporöse Gesteine wie Zeolithe^*), denn sie haben genau die richtigen Eigenschaften: Sie lieben Wasser, saugen Wasserdampf förmlich auf und können große Mengen davon adsorbieren. Bei Zeolithen handelt es sich um Verbindungen aus Silizium- und Aluminiumoxiden.

Die Adsorptionswärmpumpe nutzt diese Eigenschaft. Wie bei jeder anderen Wärmepumpe gibt es auch hier einen Verdampfer, in dem Wasser als Kältemittel unter niedrigem Druck verdampft und dabei Wärme aufnimmt. Die nötige Wärme erhält der Verdampfer von einem Wärmeübertrager, der Umwelt- oder Solarwärme auf niedrigem Temperaturniveau aufnehmen kann. So lange das Kältemittel aus Wasser besteht, dürfen 0°C nicht unterschritten werden. Mit anderen Kältemitteln sind auch tiefere Temperaturen möglich. Der Prozess funktioniert nur, wenn die Temperatur des Kältemittels niedriger als die der Wärmequelle ist.

Der gesamte Prozess läuft dabei in zwei Phasen ab. In der ersten geschieht die Adsorption, dabei strömt flüssiges Kältemittel über einen Wärmeübertrager. Dieser versorgt das Medium mit Wärme aus der Umwelt. Der sehr niedrige Betriebsdruck im Verdampfer bewirkt, dass das Kältemittel siedet und verdampft. Das poröse Material adsorbiert den entstandenen Kältemitteldampf, dabei saugt es das Medium wie ein Schwamm in seine Oberfläche auf und treibt den Prozess voran. Wenn der Zeolith vollständig gesättigt ist und kein Kältemittel mehr aufnehmen kann, folgt die Desorption. Dabei wird das Kältemittel durch starkes Erwärmen wieder ausgetrieben. Dies kann über eine Brennwertzelle geschehen. Sie verbrennt Gas mit einem besonders hohen Wirkungsgrad und erwärmt das Kältemittel. Der Dampf strömt anschließend aus dem Gestein und gibt die thermische Energie über den zweiten Wärmeübertrager an das Heizsystem ab. Dabei sinkt seine Temperatur, das Kältemittel wird wieder flüssig und der Vorgang kann erneut beginnen.

^*)Zeolithe

Bei Zeolithen handelt es sich um Verbindungen aus Silizium- und Aluminiumoxiden, die gleich mehrere bemerkenswerte Eigenschaften aufweisen: Sie besitzen eine enorm große Oberfläche. So hat ein Gramm des Materials eine innere Oberfläche von bis zu 1.000 Quadratmetern. Sieben Gramm besitzen demnach die Oberfläche eines durchschnittlichen Fußballfeldes, dass etwa 7000 Quadratmeter umfasst. Außerdem lieben Zeolithe Wasser. Sie saugen Wasserdampf förmlich auf und können große Mengen davon adsorbieren und werden dabei wärmer.