Prinzip der Wärmepumpe
Wärmepumpen sind technische Heizeinrichtungen, die ein Mehrfaches der aufgewendeten Energie als Nutzwärme abgeben. Als Wärmequellen dienen kostenlos vorhandene Umweltenergien (Luft, Wasser, Erdreich, Sonnenenergie) oder Prozesswärme (Abluft, Abwassser, Kühlung), deren Energieinhalt ("Anergie") anderweitig nicht genutzt werden kann.
Bei relativ geringem Einsatz an Primärenergie wird eine höhere Ausbeute an Nutzenergie erzielt, d. h., die Wärmeabgabe ist größer als der Heizenergieeinsatz. Wärmepumpen tragen somit zu einer Schonung der Ressourcen und zur Entlastung der Umwelt bei.
Wärmequellen
Außenluft
Grundwasser
Erdreich/Sole
Absorber
Solarspeicher
Prozesswärme
Arbeitsweise
Die Arbeitsweise der Wärmepumpe entspricht im Prinzip einer Kältemaschine, die schon 1876 von Karl von Linde erfunden wurde, nur dass dabei die auf der warmen Seite erzeugte Heizleistung genutzt wird.
Bei einer Kältemaschine (z. B. Kühlschrank) wird dem Kühlgut im Verdampfer Wärme entzogen und über den Verflüssiger an die Umgebung abgegeben; bei der Wärmepumpe wird der Umgebung Wärme entzogen und einem Heizsystem zugeführt.
Funktionsablauf des thermodynamischen Kreisprozesses
Verdampfer - Das Arbeitsmittel (Kältemittel, das bei niedriger Temperatur siedet) wird in einem Wärmetauscher verdampft und nimmt dabei einen Teilder in der Wärmequelle enthaltenen Energie auf.
Kompressor/Verdichter - Durch mechanische Antriebsenergie wird der Arbeitsmitteldampf komprimiert und dabei erwärmt. Mit der Erhöhung des Drucks wir die Temperatur auf ein für die Heizung erforderliches Niveau angehoben.
Kondensator/Verflüssiger - Das Arbeitsmittel gitbt in einem zweiten Wärmetauscher (Rücklauf der Heizung) seine Wärme an das Heizungswasser ab. Die Abkühlung führt zu einer Verflüssigung des unter Druck stehenden Kältemitteldampfes.
Expansionsventil - Das Arbeitsmittel wird an einem Expansionsventil (Drosselventil) entspannt und kehrt bei niedrigem Druck und niedriger Temperatur wieder in den Verdampfer zurück, wo der Kreislauf von neuem beginnt.
Jahresarbeitszahl
Die Jahresarbeitszahl ist die innerhalb eines Jahres von der Wärmepumpe abgegebene Wärmemenge in kWh im Verhältnis zur zugeführten Energie (z. B. elektr. Energie in kWh).
Kühlung
Bei Wärmepumpenanlagen mit den Wärmequellen Erdreich und Grundwasser besteht im Sommer über diese Wärmequellen auch die Möglichkeit der Kühlung, da diese Wärmequellen im Sommer ja relativ niedrige und damit für die Kühlung geeignete Temperaturen aufweisen. In der Regel sind Wärmepumpen an Flächenheizungen, z. B. an eine Fußbodenheizung, angebunden. Über diese Flächenheizungen kann im Sommer in gewissem Maße auch eine Kühlung erfolgen. Ebenso sind Kühldecken, Betonkernaktivierung und Ventilkonvektoren dafür geeignet.
Wärmepumpe und Photovoltaik
Eine sehr attraktive Kombination besteht darin, die Wärmepumpe mit Strom aus einer Photovoltaik-Anlage auf dem Hausdach zu betreiben. Ein großer Teil des benötigten Stroms für die Wärmepumpe kann damit über die PV-Anlage selbst erzeugt und der Eigenstromverbrauch der PV-Anlage und damit auch die Wirtschaftlichkeit und Unabhängigkeit der Energieversorgung des Gebäudes gesteigert werden.