Was ist eine Wärmepumpe?

WärmepumpeWärmepumpen beschreiben Maschinen, mit deren Hilfe verschiedenen Energiequellen Wärme entzogen und in Nutzwärme umgewandelt wird. Dabei handelt es sich um Aggregate, die Niedertemperaturwärme auf ein deutlich höheres Temperaturniveau bringen. In den meisten Fällen dient als Wärmequelle in der Natur vorkommende, erneuerbare Energie in Form von Umweltwärme, die in verschiedenen Trägermedien eingeschlossen ist. Bei dieser natürlichen Wärme handelt es sich um gespeicherte Sonnenenergie im Erdreich, im Grundwasser oder in der Außenluft. Neben Umweltwärme kann als Energiequelle auch Abwärme genutzt werden, die im Zuge verschiedener physikalischer oder industrieller Prozesse als Nebenprodukt entsteht.
Der Begriff Wärmepumpe täuscht ein wenig über den eigentlichen Aufbau einer solchen Maschine hinweg, da es sich dabei nicht um eine mechanische Pumpe handelt. Eine Wärmepumpe wird durch ein Kältemittel betrieben, das Niederwärme aus der Energiequelle aufnimmt, durch Verdampfen höhere Temperaturen annimmt und diese durch Verflüssigen an das Heizungswasser abgibt.

Funktion und Aufbau einer Wärmepumpe

Eine Wärmepumpe basiert auf dem Funktionsprinzip eines Kühlschranks, einer Klimaanlage oder eines Kühlaggregats. Im Unterschied zu diesen steht bei einer Wärmepumpe jedoch nicht die Abkühlung eines Reservoirs durch Wärmeentzug im Vordergrund, sondern die Wärmeabgabe an ein Heizungssystem.
Die häufigste und effizienteste Form solcher Maschinen zur Gewinnung von Heizwärme sind Kompressionswärmepumpen, die kontinuierlich arbeiten. Sie bestehen aus einem flüssigen Kältemittel oder Arbeitsmittel, das die Eigenschaft besitzt, schon bei niedrigen Temperaturen zu verdampfen. Dieses Kältemittel entnimmt der Energiequelle Wärme und gelangt anschließend in einen Verdampfer, von wo es in einem Kompressor weitergeleitet wird. Der Kompressor kann je nach Art und Aufbau einer solchen Wärmepumpe sowohl mechanisch als auch elektrisch betrieben werden. Darin wird das gasförmige Arbeitsmittel verdichtet, wodurch sich dessen Druck und Temperatur erhöhen. Als sogenanntes Heißgas gelangt das Arbeitsmittel anschließend in einen Verflüssiger, wo es wieder seinen ursprünglichen Aggregatzustand annimmt. Im Zuge der Verflüssigung gibt es seine erhöhte Wärme an das Heizungswasser ab und wird entspannt. Danach wird es wieder in den Verdampfer geleitet, nimmt erneut Niederwärme aus der Energiequelle auf und der Kreislauf beginnt von neuem.

Andere Arten von Wärmepumpen

Neben Kompressionswärmepumpen existieren noch weitere Varianten, mit deren Hilfe Nutzwärme zum Heizen erzeugt werden kann. Sorptionswärmepumpen benötigen als Energiequelle Hochtemperaturwärme und nutzen physikalisch-chemische Abläufe, im Zuge derer zwei Stoffe, ein Arbeitsmittel und ein Lösungsmittel oder Festkörper durch Wärmezufuhr getrennt und anschließend wieder zusammengeführt werden. Im Zuge dieses Prozesses geben sie die zuvor aufgenommene Wärme mit deutlich höherer Temperatur und Energieeffizienz wieder ab. Weitere Arten von Wärmepumpen umfassen Typen, die mit eingebauten Peltier-Elementen funktionieren oder auf dem magnetokalorischen Effekt basieren.

Einsatzgebiete von Wärmepumpen

Wärmepumpen ermöglichen eine von fossilen Energieträgern weitgehend unabhängige Gewinnung von Heizwärme. Obwohl Wärmepumpen für ihren Betrieb elektrische Energie benötigen, wird daraus etwa die doppelte Menge an Heizenergie gewonnen. Je geringer die Temperaturunterschiede zwischen der Wärmequelle und der Nutzwärme sind, desto höher fällt die Energieausbeute aus. Wärmepumpen finden hauptsächlich für die Beheizung von privaten und öffentlichen Gebäuden Einsatz, dienen aber auch zur Warmwasseraufbereitung. Grundsätzlich eignen sich Wärmepumpenheizungen nur zur Beheizung neuer oder umfassend sanierter Gebäude, da für Heizungssysteme in Altbauten deutlich höhere Temperaturen vonnöten sind. Darüber hinaus finden Wärmepumpen in der Industrie  Verwendung, wo sie durch Erwärmung der Luft zur Trocknung landwirtschaftlicher Güter und Holz eingesetzt werden können. Auch moderne Wäschetrockner mit hoher Energieeffizienzklasse werden mit Wärmepumpen betrieben.