Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Wärmepumpen sollen das Heizen klimafreundlicher machen und helfen, begrenzte Ressourcen zu schonen. Denn als Wärmequelle benötigen sie nur die Umgebungsluft oder den Untergrund.  Aber wie funktioniert das? Und wie schaffen es diese Anlagen, dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik ein Schnippchen zu schlagen? Wir erklären dies am Beispiel der gebräuchlichsten Form der Wärmepumpe, der Kompressionswärmepumpe.

Wärmepumpen gelten als klimafreundlichere Alternative zum Heizen mit fossilen Brennstoffen. Denn sie beziehen ihre Wärme nicht aus der Verbrennung von Erdöl, Gas oder anderen Energieträgern. Stattdessen nutzen diese Anlagen ein in der Umwelt vorhandenes Temperaturgefälle. Dieses kann zwischen der Außen- und Innenluft bestehen, aber auch zwischen tieferen Schichten des Erdreichs und der Erdoberfläche.

Der Clou dabei: Die Wärmepumpe erlaubt es, diese Temperaturgradienten zu nutzen und im Haus wohlige Heizwärme oder warmes Wasser bereitzustellen. Aber wie funktioniert das?

Sammeln und Übertragen

Bei einer Luftwärmepumpe saugt die Außeneinheit die als Wärmequelle dienende Umgebungsluft über einen Ventilator an. Bei Anlagen, die Wärme aus dem Erdreich oder dem Grundwasser nutzen, dient meist eine salzhaltige Flüssigkeit als Wärmeträger. Diese Sole wird durch Erdwärmesonden oder sogenannte Erdkollektoren geleitet und nimmt dabei die Temperatur des Untergrunds oder des Grundwassers an.

Der Wärmeträger, Luft oder Sole, wird dann in die erste Komponente der eigentlichen Wärmepumpe geleitet – den Verdampfer. Dort befindet in einem zweiten, getrennten Kreislauf ein spezielles Kältemittel. Dieses ist so gewählt, dass es schon bei den relativ niedrigen Temperaturen verdampft, welche die Luft oder die aus dem Boden kommende Sole mitbringen. Indem diese Wärmeträger und das Kältemittel aneinander vorbeigeleitet werden, tauschen sie Wärme aus. Dabei kühlen Luft und Sole ab, das Kältemittel hingegen verdampft.

Das Problem jedoch: Das verdampfte Kältemittel ist kühler als die Umgebungsluft oder der Untergrund. Heizen lässt sich mit diesem Dampf daher nicht. Was also tun?

Die Kompression

Hier kommt der zweite wichtige Prozessschritt der Wärmepumpe ins Spiel. Er nutzt den Umstand, dass sich Gas bei schneller Kompression erwärmt – dieser Effekt ist auch beim Pumpen mit einer Luftpumpe zu spüren. Geschieht diese Kompression schnell genug, heizt sich das Kältemittel dabei ohne große Wärmeverluste auf. In der Wärmepumpe wird der Enddruck des Verdichters so geregelt, dass die Dampftemperatur einige Grad über der Vorlauftemperatur der Heizung liegt.

Erst dieser „Veredelungsschritt“ sorgt  für das zum Heizen notwendige Temperaturniveau. Um die Wärme nun vom aufgeheizten, komprimierten Gas auf das Wasser der Heizung zu übertragen, folgt der dritte Schritt: Das Gas wird in einen weiteren Wärmetauscher, den sogenannten Verflüssiger geleitet.

Von der Wärmepumpe in die Heizung

In diesem Verflüssiger kondensiert der unter hohem Druck stehende, heiße Kältemitteldampf und gibt die freiwerdende Wärme an das in dünnen Leitungen kursierende Heizungswasser ab – die Heizungen werden warm. Das Kältemittel ist nach der Wärmeübertragung zwar wieder flüssig, aber seine Temperatur und sein Druck liegen viel zu hoch, um es einfach wieder zum Anfang des Kreislaufs zurückzuleiten.

Bevor das Kühlmittel erneut in den Verdampfer gelangt, muss sein Zustand daher noch angepasst werden: Es wird durch ein Entspannungsventil geführt, verliert dabei Druck und kühlt ab. Ist alles richtig eingestellt, hat das Kältemittel am Ende wieder die Temperatur und den Druck, den es am Anfang hatte. Es kann nun im Verdampfer erneut Wärme aus Luft oder Sole „tanken“. Der Kreislauf schließt sich.

Ohne Strom geht es nicht

Allerdings: Zwar ist unstrittig, dass Wärmepumpen gegenüber gängigen Erdöl- oder Erdgasheizungen eine klimafreundlichere Alternative sind. Aber auch sie benötigen zusätzliche Energie in Form von elektrischem Strom. Dieser wird vor allem für den Betrieb es Kompressors gebraucht. Die Effizienz gerade kleinerer Wärmepumpen lässt dabei noch zu wünschen übrig, ihre Wirkungsgrade liegen oft bei nur rund 30 Prozent.

Dennoch: Wenn der Strom aus erneuerbaren Energien stammt, kann eine Wärmepumpe dazu beitragen, die CO2-Emissionen für Heizen und Warmwasser zu senken. Zudem arbeiten Forschende bereits daran, effizientere Kältemittel und neue Arten von Wärmepumpen zu entwickeln. Dazu gehören auch elektrokalorische Systeme, die ohne Kompressor auskommen.