Wie funtioniert eine Wärmepumpe?

Eine einfache Erklärung: (hier Luft-Wasserpumpe LWP)

Die Wärmepumpe nutzt die "warme" Aussenluft" und präpariert sie mit Hilfe des elektrischen Stroms zu nutzbarer Wärme für Heizung und Warmwasser.

Dabei ist Wärme der Aussenluft physikalisch zu betrachten. Auch beim Minus-Aussentemperatur (z.B. -3 Grad Celsius) ist es noch warm. Erst bei -273 Grad Celsius ist der Tiefststand erreicht.

Andere Wärmepumpen nutzen andere Umweltwärme. Zum Beispiel Erdwärme.
Um diese Umweltwärme Luft oder Erdwärme auf bis zu max. 65 Grad Celsius zu erhöhen, ist eine bestimmete Technik notwendig.

Logischerweise bietet sich hier für die Beheizung einer Wohnung  oder eines Hauses nur gut gedämmte Bauten an. Diese gut gedämmten Bauten benötigen eine geringere Vorlauftemperatur von etwa 35Grad Celsius und ist somit wirtschaftlicher zu betreiben.

Jedes Grad, das die WP mehr generieren muss, kostet mehr Aufwand resp. mehr an elektrischer Energie.

Technik der WP,ein Vergleich

Aus unserem täglichen Umfeld in der Küche ist der Kühlschrank bekannt. Wenn wir die Technik betrachten, ist das nichts anderes als eine Wärmepumpe, die auf "kühlen" umgeschalten ist.
WP können im Sommer auch kühlen!! Und manche WP sind dafür eingerichtet.
Also bekannt vom Kühlschrank ist:
                             *Das Brummen des Verdichters oder auch Kompressor genannt
                             *auf der Hinterseite ist ein dünnes Rohrgeflecht,
                              das sich warm bis heiss sich anfühlt 
                             * Zwischen Geflecht un d Verdichter sind noch ein paar Verdickungen,
                               zum Beispiel das Entspannungsventil
Bei der WP kommen noch dazu:
                            * ein Ventilator (Luft) oder eine Pumpe (Erdwärme)
Bei der Luft-WP ist viel Aussenluft erforderlich, um die WP genügend Wärmeenergie zuzuführen. Im Gegensatz zum Kühlschrank in der Küche. Jedoch grosse Kühlanlagen müssen auch die Wärme im Innenraum abtransportieren und haben deshalb auch Ventilatoren.

Ein Exkurs oder ein Versuch, die Kältemittel in der Wärmepumpe oder in den Kühlschränken zu erklären...

Jedem von uns ist bekannt, wenn Wasser "kocht"
Was passiert da?
Durch Hitze vom Herd wird das Wasser unter Idealbedingungen auf 100 Grad Celsius gebracht. Das ist der Siedepunkt von Wasser. Hier geht das flüssige Wasser in gasförmiges Wasser über. Zunächst sieht man noch Dampf, nachher aber scheint das Wasser unsichtbar zu werden im Luftraum. Drückt man aber das gasförmige Wasser fest zusammen, so erkennt ma zB in einer glasförmigen Presse wieder Wassertropfen. Also unter grossem Druck ist Wasser auch über 100 Grad flüssig.
Jetz gibt es aber auch noch andere Flüssigkeiten, die schon bei 78 Grad sieden, in die gasform übergehen. Zum Beispiel ist das der trinkbare Alkohol.
Vorstellbar ist jetzt auch, dass es Flüssigkeiten gibt, die schon bei Minus 15 Grad in die Gasform übergehen.
Das sind die Kältemittel, die wir für die WP oder Kühlschränke brauchen.
In den alten Geräten benutzte man Kältemittel, die die Ozonschicht beschädigten und deshalb verboten wurden.( wenn Kühlschränke auf dem Müll verletzt wurden und so das Kältemiitel entwich...)

Hier eine kleine Auswahl von Kältemitteln:

Wärmepumpe, noch ein Versuch zur Erklärung der Funktionsweise 

Wärmepumpe (Luft-Wasser)als Beispiel

Versuch einer einfachen Erklärung für Nicht-Physiker

Im Prinzip funktioniert die Wärmepumpe wie ein Gerät, dass in jedem Haushalt steht: Der Kühlschrank.

Er entzieht seinem Innenraum Wärme und transportiert sie nach aussen. Die Wärmepumpe funktioniert umgekehrt: Sie entzieht der relativ warmen Umgebung (durch die Sonne erwärmt) Wärme und führt sie dem Haus ( Wohnung) als Heizenergie zu

Kleiner Temperatur-Wärme-Exkurs:

Bekannt ist die Temperaturskala in Celsius. Hier ist der Nullpunkt der Gefrierpunkt des Wassers.(Auf diese Art und Weise hat Celsius seinen Thermometer geeicht) (Den Luftdruck, der den Punkt beeinflussen kann, ausser Acht gelassen) Nun gibt es natürlich weit tiefere Temperaturen. Aber es geht aber nicht immer beliebig weiter abwärts. Bei minus 273 Grad Celsius ist Feierabend. Wenigstens für die Erkenntnisse bis heute.

Es ist der absolute Nullpunkt.

Hier sind nach einer Modellvorstellung die Teilchen der Stoffe in RUHE. Wenn es „wärmer“wird, fangen die Teilchen aller Stoffe wieder an sich zu „bewegen“ Das nennt man Wärme. Dabei hat jeder Stoff seine Spezialitäten, d.h. der eine schwingt (bewegt sich)bei einer Temperatur schon schneller, der andere weniger. (Gewichts-und Strukturabhängig) So erklärt sich, warum Wasser bei Raumtemperatur flüssig ist, Stickstoff oder Kohlendioxid gasförmig.

Übergang vom Flüssigen zum Gasförmigen kostet Energie

Weiter ist jetzt vorstellbar, dass z.B. das brennbare Gas Propan ( man kann es in unserem Beispiel Kältemittel nennen..) bei tieferen Temperaturen flüssig ist und dass z. B Luft mit minus zehn Grad immer noch so „warm“ ist, um das flüssige Propan so zu erwärmen, dass es in den Gaszustand übergeht. Dabei nimmt es die Energie der Luft auf.Die Aussenluft liefert also die Energie zum „verdampfen des flüssigen Mediums Vorstellbar ist jetzt auch, dass der Vorgang, wenn er umgekehrt verläuft, wieder die eingesetzte Energie abgibt.

Druckerhöhung bring höhere Temperaturen

Mit ein paar Tricks wird dem Energiegehalt des jetzt gasförmigen Stoffes nachgeholfen, indem der Druck noch erhöht wird. Durch diese Massnahme kommen wir in den Bereich der Wärmepumpenheizungs-Temperatur. Nebenbei gesagt ist hier jetzt verständlich, dass jedes Grad Erhöhung bei der Wärmepumpe zusätzliche Energie erfordert (Druckerhöhungsarbeit)

In der Wärmepumpe (Luft-Wasser) ist der kostenlose Energieträger Luft, der das flüssige Gas erwärmen soll. Dazu benutzt man einen Wärmetauscher. Dabei wird versucht, so viel Luft als möglich so viel flüssiges Gas als möglich aneinander vorbeiströmen zu lassen ( natürlich getrennt voneinander,je grösser die Anströmfläche und je dünner die Trennschicht, desto besser die Wärme-übergabe)

Jetzt hat das flüssige Gas die Wärme aufgenommen und ist gasförmig geworden. Es wird durch einen Kompressor (ähnlich wie beim Kühlschrank) zusammengepresst (verdichtet), um noch mehr Energiegehalt zu bekommen.Das kostet elektrische Energie, je nach Wärmepumpe ein Drittel der später gewonnenen Energie.

Nun wird dieses verdichtete Gas in einem weiteren Wärmetauscher dem Wasser als Heizungsmedium vorbeigeführt. Dabei gibt das Gas dem Wasser sein Wärmegehalt ab.Es kühlt sich dabei so weit ab, dass es wieder flüssig wird. Nachdem der Druck ebenso erniedrigt wird durch ein Ventil, kommt es wieder mit der Wärme der Luft in Kontakt. Dieser Vorgang wiederholt sich.

So gewinnt die Wärmepumpe Wärmeenergie aus Luft und Strom.

Bemerkung:

Da hohe Temperaturen zu erzeugen ( mehr als 45 Grad Celsius) für Wärmepumpen schwierig wird und dafür elektrischer Strom gebraucht wird, sind Wärmepumpen für Wohnungen und Häuser wirtschaftlicher, je besser isoliert ist und je besser die Wärmeverteilung ist (Fussboden-Wandheizung-Deckenheizung) Die sogenannte Vorlauftemperatur für solche Heizungen kann niedrig gehalten werden (unter 30 Grad Celsius) und die Wohnung wird trotzdem warm. Man kann zwar zwei Wärmepumpen hintereinander schalten, das Ergebnis der einen für die nächste nutzen, jedoch der Stromverbrauch ist trotzdem höher.

Die Bezeichnung Luft Wasser zielt auf die Medien, die die Wärmepumpe benutzt. Luft hier als Wärmespender (etwa 2/3) und Wasser als Heizungsmedium, das erwärmt wurde.
Luft /Luft Wärmepumpen meint die Aussenluft als Wärmespender und die Innenluft als Wärmeakzeptor (Lüftungsheizung)
Weitere natürliche Wärmespender für Wärmepumpen sind:
Erdreich und Tiefenbohrungen: Beide nutzen die Erdwärme über Erdkollektor oder Erdsonde, hohe Effizienz

Ein Wunder an Effizienz

Die Effizienz einer Wärmepumpe wird in der Leistungszahl gemessen. Die Leistungszahlen von Wärmepumpen haben sich in den letzten Jahren laufend verbessert. Sie werden berechnet als Koeffizient der Heizleistung in kWh und der elektrischen Antriebsleistung in kWh. Es ist einsichtig, dass eine höhere produzierte Temperatur höhere Kosten wegen des höheren Energieeinsatzes (meistens elektrische Energie) verursacht.

Derf Wert der Leistungszahl fällt umso günstiger aus, je kleiner die Temperaturdifferenz zwischen der zugeführten Umweltwärme und dem Vorlauf der Raumheizung ist.

Entscheidend für die Effizienz des gesamten Systems ist auch, dass alle Nebenverbraucher, wie zum Beispiel Umwälzpumpen, so klein wie möglich dimensioniert werden.

Eine Funktionsskizze einer Wärmepumpe: