Wärmepumpen: Funktionsweise und Anwendungsbeispiel

 

Einleitung

Wärmepumpen sind effiziente und umweltfreundliche Systeme zur Heizung und Kühlung von Gebäuden. Sie nutzen thermodynamische Prinzipien, um Wärmeenergie von einem Ort zu einem anderen zu transportieren, wodurch sie sowohl für Heiz- als auch für Kühlzwecke eingesetzt werden können. In diesem Artikel wird die Funktionsweise von Wärmepumpen erklärt und ein konkretes Anwendungsbeispiel vorgestellt.

Funktionsweise von Wärmepumpen

Wärmepumpen arbeiten nach dem Prinzip des umgekehrten Carnot-Prozesses. Ein Wärmepumpensystem besteht im Wesentlichen aus vier Hauptkomponenten: Verdampfer, Kompressor, Kondensator und Expansionsventil. Der Arbeitsablauf kann wie folgt beschrieben werden:

1. Verdampfer:

   • Aufnahme von Wärme: Das Kältemittel nimmt in diesem Schritt Wärme aus der Umgebung (Luft, Wasser oder Erdreich) auf und verdampft bei niedrigem Druck.
   • Endothermer Prozess: Dieser Prozess benötigt Wärmeenergie, die der Umgebung entzogen wird.

2. Kompressor:

   • Verdichten des Kältemittels: Das gasförmige Kältemittel wird im Kompressor verdichtet, was zu einem Anstieg von Druck und Temperatur führt.
   • Energiezufuhr: Der Kompressor benötigt elektrische Energie, um das Kältemittel zu verdichten.

3. Kondensator:

   • Abgabe von Wärme: Das hochdruck- und hochtemperatur-Kältemittel gibt die aufgenommene Wärme an das Heizsystem (z.B. Heizkörper oder Fußbodenheizung) ab und kondensiert dabei.
   • Exothermer Prozess: Dieser Prozess gibt Wärmeenergie ab, die im Heizkreislauf genutzt wird.

4. Expansionsventil:

   • Druckreduzierung: Das flüssige Kältemittel durchläuft das Expansionsventil, wo es expandiert und dabei Druck und Temperatur reduziert werden.
   • Zirkulation: Das Kältemittel kehrt in den Verdampfer zurück und der Zyklus beginnt von vorne.

Typen von Wärmepumpen

Es gibt verschiedene Arten von Wärmepumpen, die sich hauptsächlich durch die Quelle der Wärmeenergie unterscheiden:

1. Luft-Wasser-Wärmepumpen: Entziehen Wärme aus der Umgebungsluft und übertragen sie an das Wasser des Heizsystems.
2. Sole-Wasser-Wärmepumpen: Nutzen Erdwärme, indem sie eine Soleflüssigkeit durch Erdkollektoren oder Erdsonden pumpen.
3. Wasser-Wasser-Wärmepumpen: Nutzen Grundwasser als Wärmequelle, das eine konstante Temperatur aufweist.

Anwendungsbeispiel: Luft-Wasser-Wärmepumpe

Ein typisches Beispiel für den Einsatz einer Wärmepumpe ist die Beheizung eines Einfamilienhauses mit einer Luft-Wasser-Wärmepumpe.

Szenario:

• Hausgröße: 150 m²
• Heizbedarf: 10 kW
• Umgebungstemperatur: -5°C (Winterbetrieb)
• Zieltemperatur des Heizwassers: 35°C (Fußbodenheizung)

Berechnung und Betrieb:

1. Wärmeaufnahme: Die Wärmepumpe entzieht der Außenluft Wärme. Selbst bei -5°C enthält die Luft genug Wärmeenergie, um den Verdampfer zu betreiben.
2. Kompression: Das Kältemittel wird im Kompressor verdichtet, was zu einer Temperaturerhöhung führt.
3. Wärmeabgabe: Im Kondensator gibt das Kältemittel die aufgenommene Wärme an das Heizwasser ab, das dann mit einer Temperatur von 35°C durch die Fußbodenheizung zirkuliert.
4. Effizienz: Die Effizienz einer Wärmepumpe wird durch den COP (Coefficient of Performance) ausgedrückt. Angenommen, der COP beträgt 3,5:
   • Leistungsaufnahme: $\frac{10 \, \text{kW}}{3{,}5} = 2{,}86 \, \text{kW}$
   • Die Wärmepumpe benötigt also 2,86 kW elektrische Energie, um 10 kW Heizleistung zu erzeugen.

Vorteile von Wärmepumpen

1. Energieeffizienz: Wärmepumpen sind wesentlich effizienter als konventionelle Heizsysteme wie Öl- oder Gasheizungen.
2. Umweltfreundlichkeit: Sie nutzen erneuerbare Energiequellen (Luft, Wasser, Erde) und reduzieren die CO₂-Emissionen.
3. Kostenersparnis: Trotz höherer Anschaffungskosten amortisieren sich Wärmepumpen durch geringere Betriebskosten und mögliche staatliche Förderungen.

Fazit

Wärmepumpen stellen eine fortschrittliche und nachhaltige Lösung für Heiz- und Kühlsysteme dar. Durch die Nutzung von Umgebungswärme und ihre hohe Effizienz tragen sie wesentlich zur Reduktion von Energiekosten und Umweltauswirkungen bei. Das Verständnis ihrer Funktionsweise und der Einsatzmöglichkeiten erleichtert es, die richtige Wärmepumpe für spezifische Anwendungen auszuwählen und somit einen Beitrag zur Energiewende zu leisten.