Das Prinzip der Wärmepumpe

Jeder Körper unserer Umgebung enthält Wärme, man spricht von "innerer Energie". Aber nicht nur Heizmaterialien enthalten Energie, sondern alle Körper, sogar das kalte Wasser eines Sees oder Flusses, das Grundwasser oder der Erdboden, ja sogar die Luft kann sozusagen zum Heizen genutzt werden kann. Wie lässt sich aber die Energie des scheinbar kalten Grundwassers oder Erdbodens in das Wohnzimmer pumpen, um es zu erwärmen?

Schon 1852 beschrieb der englische Gelehrte William Thompson, der als Lord Kelvin bekannt wurde, ein "mechanisches System zur Heizung oder Kühlung von Räumen". Zunächst waren es nur Kältemaschinen, die eine rasche Verbreitung fanden. Erst in den 20er-Jahren des 20. Jahrhunderts wurden Maschinen entwickelt, die das gleiche Prinzip für Heizzwecke nutzen können: die so genannte Wärmepumpe.

Die Wärmepumpe ist eine Maschine, die der Umgebung des Hauses Energie entzieht und sie mittels eines Wärmetauschers an das Heizsystem innerhalb des Gebäudes abgibt. Sie funktioniert also genau umgekehrt wie ein Kühlschrank, wo den Lebensmitteln im Kühlraum Wärme entzogen wird, die dann an der Rückseite des Kühlschranks wieder abgegeben wird.

Das Prinzip der Wärmepumpe beruht darauf, dass beim Verdampfen einer Flüssigkeit der Umgebung Wärme entzogen wird, die beim Verflüssigen wieder an das Heizsystem abgegeben wird. Für den Wärmetransport in der Wärmepumpe wird ein Kältemittel verwendet. Sein Siedepunkt ist sehr niedrig und liegt unterhalb der Temperatur der abzukühlenden Umgebung. Daher verdampft das Kältemittel, wenn es mit der Umgebung in Berührung kommt.

Die vier Stationen einer Wärmepumpe sind:

der Verdampfer, der im Allgemeinen aussieht wie ein feingliedriger Zentralheizungsradiator,
der Kompressor, der nichts anderes ist als ein Verdichter mit einem angekoppelten Antrieb,
der Verflüssiger, der ähnlich aussieht wie der Verdampfer,
und das Ausdehnungs- oder Expansionsventil, das dem Kältemittel den Weg in ein ausgeweitetes Rohrsystem freigibt.

Im Verdampfer verdampft das Kältemittel bei einem Druck von etwa 3 bar, ohne seine Temperatur zu erhöhen. Die dafür notwendige Energie kommt aus der Umgebung, welcher Wärme entzogen wird.

Durch einen Kompressor wird das Kältemittel verdichtet, das heißt, sein Druck wird erhöht und somit auch seine Temperatur. Der Kompressor benötigt dafür Energie. Meist wird der Kompressor mit elektrischer Energie angetrieben. Es könnte aber auch ein Verbrennungsmotor sein.

Gleichzeitig saugt der Verdichter das dampfförmige Kältemittel an, damit der niedrige Druck im Verdampfer erhalten bleibt und so das Verdampfen und damit die Wärmeaufnahme aus der Umgebung aufrechterhalten wird.

Im Verflüssiger kondensiert das dampfförmige Kältemittel, das heißt, es wird wieder flüssig. Dabei werden die vorher aus der Umgebung aufgenommene Wärmeenergie und die Antriebsenergie an die Leitungsrohre der Heizungsanlage abgegeben.

Das noch immer unter hohem Druck stehende Kältemittel strömt durch das so genannte Expansionsventil. Dabei dehnt es sich aus. Der Druck wird also abgebaut, die Temperatur sinkt und das Kältemittel gelangt wieder in den Verdampfer. Der Kreislauf ist geschlossen.