Die Theorie der Wärmepumpe

Prinzipiell handelt es sich bei einem Wärmepumpenprozess um einen Kreisprozess, in dem ein sog. Arbeits- bzw. Kältemittel – eine Flüssigkeit mit niedrigem Siedepunkt – den Zustandsänderungen Verdampfung, Verdichtung, Verflüssigung und Entspannung unterworfen wird.

Mit einem kleinen Anteil hochwertiger Energie wird viel Wärme, die sonst nicht nutzbar ist, auf ein höheres, für Heizzwecke verwertbares Temperaturniveau "gepumpt". Drei Viertel der benötigten Energie entstammen der Umwelt. Durch Einsatz dieser Wärme und einem Viertel Antriebsenergie wird die Wärmepumpenanlage zur vollwertigen, umweltschonenden Heizung.

Im Verdampfer entzieht die Wärmepumpe der Umgebung – Erdreich, Wasser oder Luft – gespeicherte Umweltwärme und gibt diese plus der Antriebsenergie in Form von Wärme an den Heiz- und Warmwasserkreislauf ab.

Wärme kann nicht von selbst von einem kälteren auf einen wärmeren Körper übergehen. Sie fließt immer von einem Körper hoher Temperatur zu einem mit niedriger Temperatur (Zweiter Hauptsatz der Wärmelehre). Daher muss die Wärmepumpe die aufgenommene Wärmeenergie aus der Umgebung unter Einsatz von hochwertiger Energie – z. B. Strom für den Antriebsmotor – auf ein zum Heizen und Warmwasserbereiten notwendiges Temperaturniveau bringen.

Eigentlich arbeitet die Wärmepumpe wie ein Kühlschrank, d. h. mit gleicher Technik, aber mit umgekehrtem Nutzen. Sie entzieht einer kalten Umgebung Wärme, die zum Heizen und Warmwasserbereiten genutzt werden kann.
Die Zustandsänderungen

Die Zustandsänderungen des Arbeitsmittels basieren auf der Grundlage eines Kreisprozesses, der sich möglichst nahe an den "idealen Carnot´schen Kreisprozess" anlehnt.

Voraussetzung ist allerdings, dass ein Stoff verwendet wird, der während der verschiedenen Zustandsänderungen, die er innerhalb des Kreisprozesses erfährt, seinen Aggregatzustand vom flüssigen in den dampfförmigen Zustand und auch umgekehrt ändern kann und dabei viel Wärme aufnimmt bzw. abgibt. Die verwendeten Arbeitsmittel sieden unter atmosphärischem Druck schon bei -30 °C bis -50 °C je nach Arbeitsmitteltyp.
Das Arbeitsmittel

Das Arbeits- bzw. Kältemittel erfüllt diese Bedingungen. Es dient beim Wärmepumpen-Kreisprozess als Wärmeträger. Es verdampft bei niedrigen Temperaturen und geringem Druck im Verdampfer der Wärmepumpe und nimmt dabei Wärme auf. Durch Komprimieren im Verdichter wird es auf eine höhere Temperatur gebracht (hoher Druck) und danach im Verflüssiger kondensiert. Dabei wird Wärme an ein Wärmeträgermedium abgegeben.
Das Verdampfen
Im Verdampfer befindet sich das flüssige Arbeitsmittel bei niedrigem Druck und der entsprechenden Siedetemperatur. Die Temperatur der Wärmequelle ist höher als die des flüssigen Arbeitsmittels. Durch dieses Temperaturgefälle kommt es zu einer Wärmeübertragung von der Wärmequelle auf das Arbeitsmittel. Das Arbeitsmittel siedet und verdampft. Die dazu erforderliche Verdampfungswärme wird der Wärmequelle entzogen, die dadurch abkühlt.
Das Verdichten
Der Dampf des Arbeitsmittels wird vom Verdichter angesaugt und komprimiert. Dadurch steigt der Druck des Dampfes. Dem erhöhten Druck entspricht eine höhere Siedetemperatur bzw. Kondensationstemperatur. Die vom Verdichter aufgenommene Antriebsenergie wird zum größten Teil in Verdichtungsarbeit umgewandelt. Durch die dabei entstehende Reibungswärme wird das Arbeitsmittel zusätzlich erwärmt.
Das Verflüssigen
Der überhitzte Dampf wird in den Verflüssiger gedrückt. Die Heizwassertemperatur am Verflüssiger ist niedriger als die Temperatur des Arbeitsmittels. Nun beginnt der Dampf zu kondensieren (flüssig zu werden) und die Verflüssigungswärme wird an das Heizwasser übertragen, dessen Temperatur sich erhöht.
Das Entspannen
Durch das Entspannungsventil zwischen Verflüssiger und Verdampfer schließt sich der Kreislauf. Über dieses Entspannungsventil in der Verbindungsleitung wird der Druckunterschied ausgeglichen. Das flüssige Arbeitsmittel wird vom Druck nach dem Verflüssiger auf den Druck des Verdampfers entspannt. Der Arbeitsmittelkreislauf ist somit geschlossen.
Das h, lg p-Diagramm

Techniker arbeiten mit dem h, lg p-Diagramm. Durch die Teilung der Ordinate in logarithmischen Maßstab können genaue Werte für den Druck direkt aus dem Diagramm entnommen werden. Die umgesetzten Energiemengen sind als Differenzen auf der Abszisse zu sehen. Als Abszisse ist die spezifische Enthalpie h (Einheit: kJ/kg) aufgetragen. Sie kann als "je kg Stoff gespeicherte Energie" betrachtet werden.

Der Ablauf des idealen Kreisprozesses erfolgt längs des Kurvenzuges 1 2 2’ 3 4. Die Grenzkurve
(x = 0) zeigt die Trennung zwischen flüssiger Phase und Nassdampf (linke Grenzkurve/Siedekurve), kritischem Punkt und dem Nassdampf und Dampfphase (rechte Grenzkurve/Sättigungskurve).

 Im idealen Kreisprozess verhält sich der Arbeitsmitteldampf wie ein ideales Gas und alle Geräteteile arbeiten ohne Verluste. Der wesentliche Unterschied beim realen Kreisprozess ist, dass das Verdichten nicht entlang der Linie 1 – 2 (Isentropen) verläuft, sondern aufgrund innerer Reibung im Arbeitsmitteldampf (nicht ideales Gas) und Reibungs- und Wärmeverlusten im Verdichter flacher verläuft, was zu einer höheren Verdichtungstemperatur bei gleichem Verflüssigungsdruck führt. Es muss mehr Verdichterarbeit aufgewendet werden, damit der gleiche Enddruck und so die gleiche Verflüssigungstemperatur erreicht werden kann.

 Eine Überhitzung des Arbeitsmitteldampfes von 1 nach 1* muss noch im Verdampfer erfolgen, um mit Sicherheit auszuschließen, dass Flüssigkeitströpfchen in den Verdichter gelangen (Flüssigkeitsschläge). Die dazu benötigte Wärmeenergie kann aus der Verlustwärme des Motors bezogen werden (Kühlung des Motors mit Sauggas).

Auch innerer Wärmeaustausch ist möglich. Vom verflüssigten Arbeitsmittel aus dem Verflüssiger wird in einem Wärmetauscher Wärme auf den Arbeitsmitteldampf vor Eintritt in den Verdichter übertragen.

Auf diese Weise erfolgt sowohl die benötigte Sauggasüberhitzung von 1 nach 1* als auch eine Unterkühlung der Flüssigkeit von 3 nach 3*.

Durch die Flüssigkeitsunterkühlung wird zum einen gewährleistet, dass kein dampfförmiges Arbeitsmittel in das Expansionsventil gelangt und zum anderen wird der Dampfanteil des Arbeitsmittels beim Eintritt in den Verdampfer geringer und es kann mehr Verdampfungswärme am Verdampfer übertragen werden (4* – 4). Die Regelung der Wärmenutzung erfolgt durch das Expansionsventil.

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