Wärme fließt von einem Objekt mit höherer Temperatur zu einem Objekt mit niedriger Temperatur. Fassen wir zum Beispiel ein Glas mit heißer Milch an, dann spüren wir, wie die Wärme in unsere Hand strömt. Kältemittel sind Gase, die Wärme besonders gut übertragen können und die schon bei einer niedrigen Temperatur verdampfen. Nachfolgend als Arbeitsfluid bezeichnet. Wärmepumpen verändern den Aggregatzustand des Arbeitsfluides, somit kann die Wärmepumpe Temperatur aufnehmen und abgeben. Das obige Bild zeigt eine Split-Luft-Wasser-Wärmepumpe. Eine Split-Wärmepumpe verfügt über eine Außen- und eine Inneneinheit. Die Außeneinheit gewinnt thermische Energie aus der Außenluft und überträgt diese über das Arbeitsfluid auf die Inneneinheit. Von dieser wird die erzeugte Wärme mithilfe des Wärmetauschers auf den Heizungskreislauf übertragen. Der Wärmepumpenprozess besteht aus vier Baugruppen: Verdampfer, Verdichter (Kompressor), Verflüssiger und die Expansion. Ein kreisförmiger Prozess in vier Schritten. Das Arbeitsfluid ist jetzt fester Bestandteil der nachfolgenden Beschreibung.
Schritt 1, der Verdampfer, ein Wärmetauscher: Das Arbeitsfluid mit niedrigem Druck und niedriger Temperatur nimmt Umweltwärme auf. Im obigen Bild sind dies 5 bar und -25°C. Vorausgesetzt es gibt eine Temperaturdifferenz (dt), was im obigen Bild der Fall ist, -10°C warm und -25°C kalt. Unterstützt wird diese Wärmeübertragung durch einen Ventilator. Zusätzlich sorgt die Wärmeübertragung dafür, dass das flüssige Arbeitsfluid gasförmig wird. Elektrische Energie wird für den Ventilator benötigt. Sind die Wetterbedingungen jedoch extrem schlecht, wie Temperaturen unter Null Grad mit hoher Luftfeuchte und / oder Schneefall bzw. Eisregen, dann wird ein Auftaumechanismus benötigt. Es wird für eine Elektroheizung elektrische Energie benötigt. Kann auch etwas anderes sein, jedoch nicht zum Nulltarif.
Schritt 1, der Verdampfer, ein Wärmetauscher:
Schritt 2, der Verdichter, ein Kompressor: Das Arbeitsfluid mit 5bar Druck und einer aufgenommenen Wärme von -12°C wird jetzt auf 30bar Druck komprimiert. Dadurch steigt die Temperatur auf 90°C an, geregelt durch die Vorlauftemperatur im Wohnbereich. Wir haben einen sehr kalten Wintertag und der Kompressor leistet hier Schwerstarbeit und das kostet elektrische Energie. Ist bei anderen Heizsystemen nicht anders. Aus meiner Sicht ist der Kompressor im Hinblick auf Effizienz, (COP, JAZ - siehe weiter unten in dieser Beschreibung) und Geräuschentwicklung ein zentraler Punkt. Hier muss man mit dem Hersteller auf Tuchfühlung gehen.
Schritt 2, der Verdichter, ein Kompressor:
Schritt 3, der Verflüssiger, ein Wärmetauscher: Das heiße und unter hohem Druck stehende Arbeitsfluid marschiert zum zweiten Wärmetauscher und gibt die Wärme ab. Dadurch wechselt es den Aggregatzustand zum flüssigen Medium. Die abgegebene Wärme, unter Berücksichtigung von Wärmetauscherverlust (Wirkungsgrad kleiner EINS), steht dann für Warmwasser und Heizen der Wohnung zur Verfügung.
Schritt 3, der Verflüssiger, ein Wärmetauscher:
Schritt 4, die Expansion, ein Ventil: Nachdem das Arbeitsfluid die Wärme im Verflüssiger (Kondensator) an das Heizsystem und oder Warmwasserspeicher abgegeben hat, erreicht es das Expansionsventil. Das Expansionsventil reduziert den Druck des Kältemittels abrupt, was zu einer starken Abkühlung führt. Danach erfolgt erneut Schritt 1.
Schritt 4, die Expansion, ein Ventil:
COP-Wert, Coefficient of Performance, ein Effizient-Wert: Betreibt man eine Heizung mit elektrischer Energie und ohmschen Heizspiralen, dann erhalt man für ein Kilowatt elektrische Leistung ein Kilowatt Wärme. Stell dir vor diese elektrische Energie wird in einem Gaskraftwerk erzeugt, dann ist das wirklich keine gute Sache. Dann ist die Nutzung einer direkten Gasheizung der bessere Weg. Eine Wärmepumpe mit einen COP-Wert von 4 liefert bei einem Kilowatt elektrische Energie vier Kilowatt Wärme! Der COP-Wert gibt das Verhältnis der von der Wärmepumpe erzeugten Wärme zur dafür benötigten Antriebsenergie (Strom) an. Er misst also, wie effizient eine Wärmepumpe aus einer Einheit Strom Wärme erzeugen und in den Heizkreislauf abgeben kann. Er ermöglicht somit den Vergleich der Wirtschaftlichkeit und Energieeffizienz verschiedener Wärmepumpen. Der COP-Wert liegt zwischen 2,5 bis 4 bei einer Luft-Wasser-Wärmepumpe. Auch hier muss man mit dem Hersteller einer Wärmepumpe auf Tuchfühlung gehen. Unter welchen Bedingungen? Laborverhältnisse? JAZ-Wert, Jahresarbeitszahl: Effizienz einer Wärmepumpe über das gesamte Jahr unter Berücksichtigung saisonaler Schwankungen und unterschiedlicher Betriebszustände. Verstehe ich das richtig? Angenommen ich habe eine Wärmetauscher-Heizung in meinem Eigenheim installiert, dann kann ich doch erst nach einem Jahr diesen JAZ-Wert ermitteln! Vorausgesetzt ich besitze die entsprechenden Messwerkzeuge! Ist das ein typisch deutsches Alleinstellungsmerkmal?
Ergänzung zum obigen Bild, eine JavaScript-Simulation: An einem sonnigen kalten Wintertag im Februar sitze ich bei meinem Freund Hartmut im Heizungskeller. Vorher haben wir eine kleine Begehung gemacht. Ich fasse zusammen: 15 Jahre altes Einfamilienhaus. Dach und Mauerwände wärmeisoliert. Solaranlage auf dem Dach mit Batteriespeicher. Fußbodenheizung im Wohnzimmer, ansonsten Heizkörper. Angenehme Wärme, zirka 20°C. Wärmepumpenheizung! Der Verdampfer steht draußen hinter dem Haus, Richtung Westseite. Zwei Ventilatoren drehen ganz, ganz leise. Absolut keine Lärmbelästigung. Zurück in den Heizungskeller. Mittlerweile haben wir uns mit einem „Lieblinksgetränk“ versorg. Man hört den Kompressor der Wärmepumpe – wie leise Musik für uns beide. Zwei Displays zeigen die wichtigsten Parameter an, ähnlich wie auf dem Bild oben. Ja! Ich bin fasziniert! Ein bisschen neidisch auch, gebe ich ehrlich zu! Hartmut reißt mich aus meinen Gedanken. Na, wann baust du dir den endlich eine Wärmepumpe ein? Mensch Hartmut! Ich habe schon zwei davon! Wie zwei? Einen Kühlschrank in der Küche und einen Gefrierschrank im Keller!
