Wärmepumpen

Wärmepumpen in Kühl- und Gefriergeräten sind in jedem Haushalt zu finden. Wärmetechniker verwenden die Wärmepumpen aber zunehmend zur Gebäudeheizung und für Energieeinsparung bei verschiedenen industriellen Verfahren. Untenstehende Abbildungen demonstrieren die beiden Anwendungsgebiete. Links wird gezeigt, wie innerhalb eines Kühlschranks dem Inneren Wärme entzogen und nach Außen abgegeben wird. Bei der Heizungs-Wärmepumpe rechts wird die Wärme von einem äußeren Medium ins Innere des Gebäudes gepumpt.

Die Energieeinsparung bei Heizung mit Wärmepumpen lässt sich mit Hilfe des Carnot-Prozesses erklären. Auf der Seite Wärmeenergie sind bei Betrachtung einer Wärmepumpe die Wärmepfeile in der Carnot-Prozess-Abbildung  umzudrehen. T_h − T_c ist wiederum proportional zur mechanischen Energie, die nun allerdings die durch die Pumpe aufgewendete Energie darstellt. T_c bezeichnet die Temperatur des Kühlungsreservoirs und T_h die Temperatur des heißen Reservoirs. Der Wirkungsgrad ergibt sich deshalb theoretisch als Kehrwert des Wirkungsgrads des Carnot-Prozesses
η = T_h / (T_h − T_c). Dementsprechend ist für die Wärmepumpe η wesentlich größer als eins.

Zum Beispiel ist T_c die Temperatur des Erdbodens in einigen Metern Tiefe, die in Deutschland der Jahresmitteltemperatur von 8,5 °C entspricht. Als T_h verwenden wir die Vorlauftemperatur einer Fußbodenheizung von 40 °C. Dann erhalten wir aus den Kelvin-Temperaturen einen theoretischen Wirkungsgrad von η = 313,15 / 31,5 ≈ 10. Praktisch wird für die gegebenen Temperaturen nur ein Wirkungsgrad zwischen 3 und 5 erreicht, da alle Reibungsverluste außerhalb des Wohnraums Wärmeverluste darstellen.

In Kühlaggregaten zirkuliert im Kreislauf nur das Kältemittel, auch Arbeitsmittel genannt. Chlorfluorkohlenwasserstoffe sind Ozonkiller und werden deshalb kaum noch verwendet. Propan, Freon und Ammoniak sind weitere geeignete Kältemittel.
In Wärmepumpenheizungen können über Wärmeaustauscher Luft- und Wasserkreisläufe zusätzlich angeschlossen sein.

Sowohl bei Kühl- als auch bei Heizaggregaten gibt es Kompressionswärmepumpen und Sorptionswärmepumpen.
Letztere sind leiser und werden bei kleinen Kühlaggregaten elektrisch, bei Wärmeaggregaten vorwiegend mit Erdgas geheizt. Überwiegend werden jedoch Kompressionswärmepumpen verwendet. Das Kühlmittel wird unter Druck und Wärmeabgabe bei hoher Temperatur (1) verflüssigt, siehe obige Abbildungen. Anschließend wird es an einer Düse entspannt (2). Dadurch wird das Kühlmittel gasförmig und nimmt bei niedriger Temperatur (3) Wärme auf. Der Kreis beginnt und endet am Kompressor (4).

Die Kompressoren werden elektrisch betrieben, während in den meisten Warmwasserheizungen fossile Brennstoffe eingesetzt werden. Die gewöhnliche Heizung mit Erdgas oder Öl ist zwar billiger als eine Heizung mit Strom.
Der erhöhte Wirkungsgrad der Wärmepumpenheizung macht sie jedoch trotz der höheren Stromkosten im Betrieb billiger.
Die Anschaffungskosten der Wärmepumpenheizung sind aber wesentlich höher als bei einer gewöhnlichen Heizung.
Viele Details findet man auf den Internetseiten Wärmepumpe.org.