Funktionsweise der Wärmepumpe

Die Funktionsweise einer Wärmepumpe basiert im wesentlichen auf dem Joule-Thomson-Effekt, den der irische Physiker William Thomas 1852 gemeinsam mit James Prescott Joule entdeckte. Er besagt, dass sich ein reales Gas durch eine Druckerhöhung (Kompression) erwärmt und umgekehrt bei Druckverminderung abkühlt. In der Wärmepumpe wird dieser Effekt nun dazu genutzt, um ein Kältemittel jeweils auf das gewünschte nutzbare Niveau anzuheben bzw. abzusenken. Z iel der Wärmepumpe ist dabei, der Umwelt (Erdreich, Grundwasser oder Luft) Wärme zu entziehen, diese auf ein höheres Niveau zu heben und dort dem Heizkreislauf zuzuführen.

Die Funktionsweise der Wärmepumpe soll exemplarisch am Beispiel einer Kompressions-Erdwärmepumpe erläutert werden, da diese in der Praxis die größte Bedeutung zukommt.

Bei einer Erdwärmepumpe kommen drei verschiedene Kreislaufsysteme zum Einsatz:

• Solekreislauf
• Kältemittelkreislauf
• Heizkreislauf

Solekreislauf

Der Solekreislauf nimmt Wärme aus seiner Umgebung auf und führt diese über einen Wärmetauscher dem Kältemittelkreislauf zu. Der Solekreislauf enthält in der Regel Wasser, dem Frostschutzmittel zugesetzt wurden. Dies sind in der Regel einfache Kohlenwasserstoffverbindungen wie Methanol, Ethanol oder Glycrin.

Kältemittelkreislauf

Durch die Wärmeaufnahme verdampft das zuvor flüssige Kältemittel. Anschließend wird es durch einen Kompressor verdichtet und dadurch auf eine höheres Temperaturniveau angehoben. Über einen zweiten Wärmetauscher wird die Wärme nun an den Heizkreislauf abgegeben. Das Kältemittel wird durch Druckverminderung über ein Expansionsventil wieder verflüssigt und gelangt zurück zum ersten Wärmetauscher beim Solekreislauf. Als Kältemittel werden teilhalogenierte Fluorkohlenwasserstoffe, Propan, Propen, Ammoniak und neuerdings auch verstärkt Kohlendioxid.

Damit ein Wärmefluss von der Wärmequelle zum Heizungskreislauf möglich wird, muss das Temperaturniveau des Solekreislaufs unter die Temperatur der Wärmequelle abgesenkt werden und umgekehrt das Temperaturniveau des Kältemittelkreislaufs über die Temperatur des Heizungskreislaufes angehoben werden.