Wie funktioniert eine Wärmepumpe

Die Funktionsweise einer Wärmepumpe entspricht im Prinzip der eines Kühlschrankes. Einfach ausgedrückt bedeutet dies, daß
einem Raum Wärme entzogen (im Kühlschrank dem Kühlraum, wo die Lebensmittel aufbewahrt werden; bei der Wärmepumpe der in der Erdsonde aufgewärmten Flüssigkeit) und

die gewonnene Wärme in einen anderen Raum abgegeben wird (im Kühlschrank über die "Heizrippen" an der Rückseite des Kühlschranks an den Küchenraum; bei der Wärmepumpe in die angeschlossene Fußbodenheizung / Heizkörper).

Das Prinzip der Wärmegewinnung erlaubt also auch einen Wärmegewinn aus niedrigen Temperaturen (siehe Kühlschrank), die sogar unter 0° C liegen können!

Im einzelnen funktioniert das System einer Wärmepumpe (allgemein) wie folgt:

In einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert eine Flüssigkeit (=Kältemittel oder Trägermedium).
n Dieses Kältemittel wird in einem "Verdampfer" durch das erwärmte Wasser aus der Erdwärmesonde (ebenfalls in einem geschlossenen Kreislauf) auf ca. 2° C aufgeheizt und verdampft bei dieser niedrigen Temperatur.
Im zweiten Schritt wird das nun dampfförmige Kältemittel durch eine elektrisch betriebene Pumpe verdichtet (vergleichbar der Luft in einer Luftpumpe). Durch dieses Zusammenpressen heizt sich das Kältemittel sehr stark (von ca. 2° C auf ca. 60° C) auf.
Der Großteil des für den Betrieb der Wärmepumpe benötigten Stromes wird für diesen Verdichtungsprozeß benötigt.

n Im "Verflüssiger" trifft das mit dem heißen "Kältemittel" gefüllte Rohr auf das Wasser aus der Fußbodenheizung / Heizkörpern (ca. 30° C), ohne allerdings miteinander vermischt zu werden, da hier zwei geschlossene Kreisläufe vorhanden sind. Das Wasser im Heizungskreislauf wird hierdurch auf ca. 55° C erhitzt und kann so wieder der Fußbodenheizung zugeführt werden und zur Raumbeheizung dienen.

n Das Kältemittel hat sich durch die Wärmeabgabe an den Heizungskreislauf auf ca. 40° C abgekühlt und ist nun flüssig. Es gelangt zu einem "Expansionsventil". Hier wird die unter Druck stehende Flüssigkeit entspannt. Das Kältemittel kühlt sich auf - 2° C ab.

n Das Kältemittel gelangt nun wieder in den "Verdampfer" und der Kreislauf beginnt von vorne.

Mit Hilfe von Wärmepumpen lässt sich der Umwelt (Wasser, Erdreich, Luft) Wärmeenergie entziehen und zur Raumheizung nutzen.
Wasser, Erdreich oder Luft

Wie arbeitet eine Wärmepumpe?

Im inneren geschlossenen Rohrkreislauf der Wärmepumpe befindet sich ein sogenanntes “Arbeitsmittel” (auch “Trägermittel” oder “Kältemittel”). Unter normalen Druck- und Temperaturbedingungen, z.B. bei 760 Millibar und 20° Celsius, ist das Arbeitsmittel gasförmig, da sein Siedepunkt dann unter 0° Celsius liegt. Sobald das Arbeitsmittel aber höherem Druck ausgesetzt wird, ändert es den Aggregatzustand und wird flüssig - der Siedepunkt liegt also ebenfalls höher. Die Schemazeichnung zeigt (unteres Bild), dass sich das Arbeitsmittel in der unteren Hälfte des geschlossenen Kreislaufs im flüssigen Zustand befindet. Mit einer Temperatur von beispielsweise + 2° C gelangt das Arbeitsmittel in die linke Rohrschlange, die außen von einem wärmeren Medium umgeben ist. Das kann Luft, Wasser oder Erdreich sein.
Aufgrund der Temperaturdifferenz fließt die Wärmeenergie aus der Umgebung in das Arbeitsmittel, dessen Temperatur nun so weit zunimmt, dass der Siedepunkt erreicht wird: es verdampft. Hierzu wird Verdampfungswärme benötigt, die der Umgebung entzogen wird. Dabei kühlt sich das wärmere Medium ab.
Das gasförmige Arbeitsmittel gelangt jetzt in den Verdichter (Kompressor) der Wärmepumpe, der meist von einem Elektromotor angetrieben wird. Durch die Verdichtung steigt das Energieniveau des Arbeitsmittels weiter: Der Druck erhöht sich z.B. auf 15 bar und die Temperatur kommt auf ca. 60° Celsius. Das heiße Gas strömt nun in die Rohrschlange auf der rechten Seite der Schemazeichnung. Nach dem Prinzip eines Wärmeaustauschers liegt das Rohrsystem in einem Behälter, durch den von unten nach oben Wasser fließt. Dabei wird die Wärmeenergie des Arbeitsmittels als Kondensationswärme an das vorüberfließende Wasser abgegeben. Das Wasser erwärmt sich auf mehr als 50° Celsius und kann damit in einen Heizungskreislauf eintreten. Das Arbeitsmittel erreicht durch den Wärmeentzug seinen Kondensationspunkt und fließt in den unteren Teil der Rohleitung. Der hohe Druck, unter dem die Flüssigkeit noch steht, wird in einem Entspannungsventil reduziert. Dabei fällt die Temperatur des Arbeitsmittels auf den Ausgangswert von ca. + 2° Celsius. Der Kreislauf ist geschlossen und kann von neuem beginnen.
Kurze Zusammenfassung der Funktion der Wärmepumpe

Mit Hilfe von Wärmepumpen läßt sich der Umwelt (Luft, Wasser, Erdreich) Wärmeenergie entziehen und zur Raumheizung nutzen. In der Wärmepumpe wird ein Arbeitsmittel in einem Kreisprozeß geführt. Dabei durchläuft es nacheinander folgende Zustandsänderungen:
1. Im Verdampfer nimmt das Arbeitsmittel Wärmeenergie aus der Umgebung auf und verdampft hierdurch bei niedriger Temperatur (z.b. +2°C).
2. Im Kompressor wird der Druck des gasförmigen Arbeitsmittels erhöht (z.B. auf 15 bar).
Dabei steigt die Temperatur des Arbeitsmittels erheblich (z.B. auf +60°C). Der Kompressor verrichtet Arbeit und benötigt mechanische Antriebsenergie für seinen Motor (aus Strom, Gas oder flüssigem Kraftstoff).
3. Im Kondensator ändert das Trägermittel seinen Aggregatzustand: gasförmig / flüssig. Die dabei freiwerdende Kondensationswärme geht in das Wasser des angeschlossenen Heizkreislaufes.
4. Im Expansionsventil fällt der Druck des Arbeitsmittels stark ab. Gleichzeitig sinkt die Temperatur (z.B. wieder auf +2°C), und der Kreislauf kann von neuem beginnen.
Eigene Stellungnahme: Ich persönlich finde die Wärmepumpe eigentlich gut. Sie erzeugt umweltfreundlich Wärme, die zum größten Teil den Wärmebedarf im Winter abdeckt. Ein Nachteil dafür ist, dass man dabei Strom braucht; aber längst nicht so viel Strom wie bei einer normalen Heizung. Die Wärmepumpe ist eine gute Alternative, umweltbewusst zu heizen.

mehr unter:  Verband für Wärmepumpen

Monovalente Betriebsart
In der Regel werden nur Sole/Wasser- und Wasser/ Wasser- Wärmepumpenanlagen als monovalente Heizsysteme ausgelegt. Die monovalente Wärmepumpe deckt den Wärmebedarf des Gebäudes allein. Selbst bei tiefen Aussentemperaturen liefert die Wärmequelle ausreichend Energie. Da das Temperaturniveau von Erdreich und Grundwasser nur in sehr geringem Masse von der Aussentemperatur beeinflusst wird, sind beide Wärmequellen ideal für monovalenten Betrieb geeignet. Der Dimensionierungspunkt muss auf die niedrigste Aussentemperatur gelegt werden.
Der Deckungsgrad beträgt 100%.

Bivalente Betriebsart
Neben der Wärmepumpe gibt es einen zweiten Wärmeerzeuger, der bei tieferen Aussentemperaturen die Beheizung des Gebäudes unterstützt. Die bivalent-alternative Betriebsweise wird gewählt, wenn hohe Vorlauf- und Rücklauftemperaturen notwendig sind oder der Wärmestrom aus der Wärmequelle nur bis zu einem gewissen Grad ausreicht. Es heizt entweder die Wärmepumpe oder der
zweite Wärmeerzeuger. Da der Jahresdeckungsanteil gegenüber den anderen Betriebsweisen verhältnismäßig gering ist, wird diese Betriebsweise heute kaum noch gewählt. Der Dimensionierungspunkt(Bivalenzpunkt) hängt von der Heizanlage und/oder der Wärmequelle ab. Der Deckungsgrad beträgt z.B. 60% Bei bivalent-paralellem Betrieb sind die Wärmepumpe und der zweite Wärmeerzeuger ab einer bestimmten
Aussentemperatur(z.B. +3oC) gemeinsam in Betrieb. Diese Betriebsart wird gewählt, wenn die benötigte Vorlauftemperatur bzw. die benötigte Heizenergie zu hoch ist.
Diese Betriebsweise kommt meist im Altbaubereich in Verbindung mit Luft/Wasser-Wärmepumpen zum Einsatz, wobei hier auch der meist vorhandene
Wärmeerzeuger weiter genutzt werden kann. Der Dimensionierungspunkt hängt von der Heizanlage und/oder der Wärmequelle ab, typische Werte liegen hier zwischen +3oC und –3oC Der Deckungsgrad beträgt hierbei um 80 %

Monoenergetische Betriebsart
Die monoenergetische Betriebsweise entspricht vom Verhalten her der bivalenten Betriebsweise, wobei hier nur auf einen Energieträger zurück gegriffen
wird. Der zusätzliche Wärmeerzeuger ist jedoch kein Öl oder Gaskessel, sondern eine Elektroheizung, meist in Form eines preiswerten Elektroheizstabes im Pufferspeicher. Die elektrische Zusatzheizung unterstützt hierbei die Wärmepumpe nur an wenigen sehr kalten Tagen zur Deckung des Wärmebedarfs. Eine elektrische Steuerung stellt sicher, dass die Zusatzheizung nicht länger in Betrieb ist als unbedingt erforderlich. Der Anteil der Jahresheizarbeit der Wärmepumpe ist ebenso wie bei bivalentem Betrieb äusserst hoch und liegt in der Regel bei >95%, d.h. nur 5% der Heizenergie werden mit dem Heizstab erzeugt. Speziell für Neubauten bietet sich die monoenergetische
Luft/Wasser-Wärmepumpen-anlage an, weil die Gesamtinvestition gering ist und die Wärmepumpe nicht überdimensioniert werden muss . Die Wärmepumpenleistung sollte so gewählt werden, dass der Dimensionierungspunkt (Bivalenzpunkt) zwischen –2°C und –7°C liegt.

Quelle: Planungs- und Projektierungshandbuch für Wärmepumpen