Die Wärmepumpentechnologie hat in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Ursprünglich im 19. Jahrhundert erforscht, erlebt diese Technologie heute, vor dem Hintergrund des Klimawandels und der Suche nach erneuerbaren Energiequellen, eine Renaissance. Wärmepumpen nutzen die Umgebungswärme – aus der Luft, dem Wasser oder dem Boden – und verwandeln sie in nutzbare Energie für Heizung und Warmwasserbereitung in Wohn- und Gewerbeimmobilien.
Wärmepumpen eignen sich für Wohn- und Gewerbeimmobilien sowie für Büros
Bevor wir zur Funktionsweise von Wärmepumpen kommen, stellen wir erst einmal die verschiedenen Typen vor. Grundsätzlich arbeiten Wärmepumpen nach dem Prinzip, Wärme von einem kühleren zu einem wärmeren Ort zu transportieren. Das funktioniert so wie beim Kühlschrank, nur umgekehrt. Dabei nutzen Wärmepumpen einen Kältemittelkreislauf, der Wärme absorbiert und abgibt, je nachdem, ob geheizt oder gekühlt wird.
Es gibt hauptsächlich drei Typen von Wärmepumpen, klassifiziert nach ihrer Wärmequelle:
Luft-Wärmepumpen: Sie extrahieren Wärme aus der Außenluft.
Wasser-Wärmepumpen: Sie nutzen die Wärme aus Oberflächenwasser oder Grundwasser.
Erdwärme- oder Geothermiepumpen: Sie ziehen Wärme aus dem Erdreich.
Prinzip der Wärmepumpe
Wärmepumpen basieren auf dem Prinzip der Verschiebung von Wärmeenergie von einem kühleren zu einem wärmeren Ort. Dies geschieht entgegen der natürlichen Wärmebewegung und erfordert Energie. Der Prozess nutzt die Eigenschaften von Kältemitteln, Substanzen, die bei relativ niedrigen Temperaturen verdampfen und bei hohen Temperaturen kondensieren.
Thermodynamische Grundlagen
Die Funktionsweise einer Wärmepumpe basiert auf zwei physikalischen Prinzipien: dem Ersten und dem Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Der Erste Hauptsatz, auch als Energieerhaltungssatz bekannt, besagt, dass Energie weder erschaffen noch zerstört, sondern nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden kann. Dies ist die Grundlage dafür, dass Wärmepumpen thermische Energie von einem Ort mit niedrigerem Temperaturniveau auf ein höheres Temperaturniveau „pumpen“ können.
Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik erklärt, dass Wärmeenergie natürlich von einem wärmeren zu einem kühleren Körper fließt. Wärmepumpen umgehen diesen natürlichen Fluss durch den Einsatz von mechanischer Arbeit, um Wärme gegen das Temperaturgefälle zu bewegen. Dies macht sie zu einem effektiven Werkzeug zur Raumheizung und -kühlung.
Komponenten einer Wärmepumpe und ihre Funktionen
Eine Wärmepumpe besteht aus vier Hauptkomponenten: dem Verdampfer, dem Kompressor, dem Kondensator und dem Expansionsventil. Jede Komponente spielt eine entscheidende Rolle im Kältemittelkreislauf, der das Herzstück der Wärmepumpentechnologie bildet.
Verdampfer: Hier absorbiert das Kältemittel Wärme aus der Umgebung (Luft, Wasser oder Erde) und verwandelt sich von einer Flüssigkeit in ein Gas.
Kompressor: Das gasförmige Kältemittel wird komprimiert, wodurch sein Druck und seine Temperatur steigen.
Kondensator: Das heiße, gasförmige Kältemittel gibt seine Wärme an das Heizsystem oder das Warmwasser ab und kondensiert wieder zu einer Flüssigkeit.
Expansionsventil: Durch die Drosselung des flüssigen Kältemittels wird der Druck reduziert, es kühlt ab und der Kreislauf beginnt von neuem.
Durch diesen Kreislauf ist es möglich, effizient Wärme von außen nach innen zu transportieren, selbst bei niedrigen Außentemperaturen. Dies macht Wärmepumpen zu einer attraktiven Option für Heiz- und Kühlsysteme in einer Vielzahl von Anwendungen.
Der Verdampfer im Detail
Im Verdampfer strömt das Kältemittel in flüssiger Form ein, typischerweise unter niedrigem Druck. Durch die niedrige Siedetemperatur des Kältemittels beginnt es zu verdampfen, sobald es mit einer Wärmequelle – zum Beispiel der Außenluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser – in Kontakt kommt. Dieser Prozess der Verdampfung entzieht der Wärmequelle Energie in Form von Wärme, was letztlich dazu führt, dass das Kältemittel gasförmig wird.
Schlüsselaspekte des Verdampfers:
Wärmeaufnahme: Der primäre Zweck des Verdampfers ist die Aufnahme von Wärme. Die Effizienz, mit der dies geschieht, hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie der Oberfläche des Verdampfers, der Art des Kältemittels und der Temperaturdifferenz zwischen Kältemittel und Wärmequelle.
Design: Verdampfer gibt es verschiedenen Bauarten, zum Beispiel in Rohrschlangen-Designs, Plattenwärmetauscher und anderen Konfigurationen, die den Wärmeaustausch maximieren. Die Konstruktion ist oft darauf ausgelegt, die Kontaktfläche zwischen dem Kältemittel und der Wärmequelle zu maximieren, um die Effizienz der Wärmeaufnahme zu steigern.
Materialien: Die Wahl des Materials für den Verdampfer ist ebenfalls wichtig, da es Wärmeleitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Langlebigkeit beeinflusst. Häufig verwendete Materialien sind Kupfer, Aluminium und Edelstahl.
Frostschutz: Bei niedrigen Außentemperaturen kann es vorkommen, dass sich Frost auf dem Verdampfer bildet, was die Effizienz der Wärmepumpe beeinträchtigen kann. Viele Systeme verfügen über automatische Abtauverfahren, die den Verdampfer bei Bedarf erwärmen, um Eisbildung zu vermeiden und den normalen Betrieb aufrechtzuerhalten.
Komponenten einer Wärmepumpe
Der Kompressor im Detail
Der Kompressor ist das Herzstück einer Wärmepumpe und spielt eine entscheidende Rolle in ihrem Heiz- und Kühlprozess. Seine Hauptaufgabe besteht darin, das gasförmige Kältemittel, das vom Verdampfer kommt, zu verdichten. Diese Verdichtung erhöht den Druck und die Temperatur des Kältemittels erheblich, wodurch es in der Lage ist, Wärme effizient an die Umgebung (beispielsweise das Heizsystem eines Gebäudes) abzugeben.
Funktionsweise des Kompressors:
Verdichtung des Kältemittels: Der Kompressor saugt das bei niedrigem Druck und niedriger Temperatur gasförmige Kältemittel an und komprimiert es. Durch die Kompression wird das Volumen des Kältemittels verringert, was zu einem Anstieg von Druck und Temperatur führt.
Transport des Kältemittels: Nach der Verdichtung wird das nun heiße, hochdruckgasförmige Kältemittel zum Kondensator weitergeleitet, wo es seine Wärme abgibt.
Hauptkomponenten und Typen:
Es gibt verschiedene Arten von Kompressoren, die in Wärmepumpen verwendet werden, und jeder Typ hat seine spezifischen Vor- und Nachteile. Zu den gängigsten gehören:
Hubkolbenkompressoren: Diese arbeiten ähnlich wie der Motor eines Autos und komprimieren das Kältemittel durch die Bewegung eines Kolbens in einem Zylinder. Sie sind für ihre Langlebigkeit und Effizienz bei hohen Druckverhältnissen bekannt.
Scroll-Kompressoren: Bei diesem Typ drehen sich zwei spiralförmige Elemente ineinander, um das Kältemittel zu verdichten. Scroll-Kompressoren sind bekannt für ihren leisen Betrieb und ihre hohe Effizienz.
Schraubenkompressoren: Sie komprimieren das Kältemittel durch zwei ineinandergreifende Schrauben. Diese Kompressoren werden oft in größeren kommerziellen Wärmepumpensystemen verwendet.
Rotationsverdichter: Diese nutzen ein rotierendes Element, um das Kältemittel zu verdichten und sind für ihre kompakte Bauweise und Effizienz bei niedrigen bis mittleren Lasten bekannt.
Bedeutung für die Effizienz:
Die Effizienz des Kompressors hat direkten Einfluss auf die Gesamteffizienz der Wärmepumpe. Moderne Kompressoren sind darauf ausgelegt, das Kältemittel mit möglichst geringem Energieaufwand zu verdichten. Der Wirkungsgrad des Kompressors bestimmt maßgeblich die Leistungszahl (COP) und damit die Effizienz der Wärmepumpe. Ein effizienter Kompressor kann erheblich zur Reduzierung der Betriebskosten und zur Steigerung der Umweltfreundlichkeit des Systems beitragen.
Der Kondensator im Detail
Der Kondensator ist eine weitere Schlüsselkomponente im Kreislauf einer Wärmepumpe, die unmittelbar nach dem Kompressor kommt. Seine Hauptaufgabe besteht darin, das hochdruck- und hochtemperaturgasförmige Kältemittel, das vom Kompressor kommt, zu kondensieren, indem es seine Wärme an die Umgebung (zum Beispiel an das Heizsystem eines Gebäudes oder an Wasser für die Warmwasserversorgung) abgibt. Während dieses Prozesses wechselt das Kältemittel seinen Aggregatzustand von gasförmig zu flüssig, wodurch es Wärmeenergie freisetzt.
Funktionsweise des Kondensators:
Wärmeabgabe: Im Kondensator gibt das komprimierte, gasförmige Kältemittel die bei der Verdichtung aufgenommene Wärme sowie die aus der Wärmequelle aufgenommene Wärme ab. Dieser Prozess wird durch die Kühlung des Gases unterstützt, was schließlich dazu führt, dass es kondensiert und in einen flüssigen Zustand übergeht.
Kondensation: Die Kondensation des Kältemittels ist ein exothermer Prozess, bei dem Wärme an das umgebende Medium (Luft, Wasser oder ein anderes Fluid) abgegeben wird. Diese Wärme kann dann genutzt werden, um Gebäude zu heizen oder Warmwasser bereitzustellen.
Hauptkomponenten und Typen von Kondensatoren:
Kondensatoren können in ihrer Bauart variieren, je nach Anwendung und Größe der Wärmepumpe. Die gängigsten Typen sind:
Luftgekühlte Kondensatoren: Diese geben die Wärme an die umgebende Luft ab und sind oft in Außeneinheiten von Luft-Wasser-Wärmepumpen zu finden.
Wassergekühlte Kondensatoren: Sie übertragen die Wärme an Wasser, das dann zur Heizung oder zur Bereitstellung von Warmwasser verwendet wird. Sie kommen häufig in größeren Anlagen oder dort zum Einsatz, wo Wasser als Wärmeübertragungsmedium effizienter ist.
Plattenwärmetauscher: Sie bestehen aus mehreren dünnen Platten, die das Kältemittel und das Heizmedium (zum Beispiel Wasser) trennen, aber den Wärmeaustausch zwischen den beiden Medien ermöglichen.
Das Expansionsventil im Detail
Das Expansionsventil ermöglicht die Kontrolle über den Übergang des Kältemittels vom Hochdruckteil zum Niederdruckteil des Systems. Nachdem das Kältemittel den Kondensator verlässt, in dem es seine Wärme abgegeben und sich verflüssigt hat, gelangt es zum Expansionsventil, bevor es wieder in den Verdampfer eintritt. Die Aufgabe des Expansionsventils ist es, den Druck des Kältemittels präzise zu reduzieren und damit dessen Temperatur zu senken, bevor es erneut Wärme aus der Umgebung aufnehmen kann.
Funktionsweise des Expansionsventils:
Druckreduzierung: Das Ventil verringert den Druck des Kältemittels, indem es dessen Durchfluss durch eine kleine Öffnung begrenzt. Diese Druckreduzierung führt zu einer abrupten Abkühlung des Kältemittels, da es von einem flüssigen in einen teilweise gasförmigen Zustand übergeht, ein Prozess, der als Flash-Verdampfung bekannt ist.
Temperaturregelung: Durch die Anpassung der Größe der Öffnung kann das Expansionsventil die Menge des in den Verdampfer einströmenden Kältemittels steuern, was eine feine Abstimmung der Temperatur und Effizienz des Systems ermöglicht.
Haupttypen von Expansionsventilen:
Thermostatische Expansionsventile (TXV oder TEV): Diese sind in der Lage, den Durchfluss des Kältemittels basierend auf der aktuellen Lastanforderung des Systems anzupassen. Sie verwenden einen Temperaturfühler am Ausgang des Verdampfers, um die Überhitzung des Kältemittels zu messen und entsprechend die Größe der Öffnung anzupassen.
Elektronische Expansionsventile (EXV): Diese nutzen elektronische Steuerungen, um die Öffnung präzise zu regulieren, basierend auf den Temperatur- und Druckdaten aus verschiedenen Teilen des Systems. Sie bieten eine noch genauere Kontrolle und Effizienz, insbesondere bei variablen Lastbedingungen.
Festdrossel- oder Kapillarrohrsysteme: Im Gegensatz zu den beiden anderen Typen haben diese eine feste Größe und bieten keine Anpassungsfähigkeit an wechselnde Betriebsbedingungen. Sie sind einfacher und kostengünstiger, aber weniger effizient in Systemen, die unter verschiedenen Lasten arbeiten.
Nach einem Bauingenieurstudium und einer Ausbildung zum Online-Redakteur folgten 10 Jahre als bautechnischer Redakteur bei einer Internet-Agentur. Dort hat er zum Beispiel ein Baulexikon mit über 15.000 Begriffen aufgebaut, das zeitweise auch von OBI genutzt wurde. Eine Auskopplung davon mit speziellen Begriffen rund um den Fertighausbau ist noch auf fertighaus.de zu finden.
Es folgten 10 Jahre als Webtexter beim wohl größten Bad-Onlinshop Deutschlands. Dort war er dafür zuständig, dass die Seite für alle Begriffe rund ums Badezimmer (und Leuchten) gut bei Google rankt. Außerdem war er dort verantwortlicher Redakteur für das Magazin.
Aktuell arbeitet er als Content-Manager beim VDI Verlag. Dort kümmert er sich um all die technischen Themen, die Ingenieure interessiert.
Seit 2012 betreibt er bauredakteur.de und schreibt hier über Themen rund um Bauen, Wohnen, Einrichten und Garten.
