Die Luft-Wasser-Wärmepumpe: Wie funktioniert sie?

Dieses in Mode gekommene Heizgerät, das wegen seiner Nutzung der erneuerbaren Energie Luft beliebt ist, bleibt oft ein Geheimnis, was sein Funktionsprinzip betrifft. Wenn Sie diesen Artikel durchlesen, werden Sie das Prinzip verstehen, das sich hinter Luft-Wasser-Wärmepumpen verbirgt.

Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe nimmt dank der endothermen Eigenschaft der Verdampfungsreaktion eines Kältemittels Kalorien aus der Außenluft auf. Sie gibt die Kalorien aufgrund der exothermen Eigenschaft der Kondensation desselben Kältemittels an das Wasser im Hausnetz ab.

Die obige Definition ist die "komplizierte" Art zu erklären, aber man kann es durchaus popularisieren, und wenn man es verstanden hat, kann man ins Detail gehen.

Das Funktionsprinzip der Luft-Wasser-Wärmepumpe populärwissenschaftlich erklärt.

Kühlschrank-Analogie

Wir alle haben einen Kühlschrank zu Hause. Wenn wir wollen, dass er funktioniert, ist es eher ratsam, die Tür geschlossen zu halten. Der Grund dafür ist einfach und wir alle sind uns dessen intuitiv bewusst. Es liegt daran, dass wir die Größe des zu kühlenden Volumens begrenzen müssen. Wir wollen nur die Lebensmittel kühlen, die sich im Kühlschrank befinden.

Aber was passiert, wenn wir die Kühlschranktür öffnen? Wir können uns vorstellen, dass sich die Lebensmittel durch den Kontakt mit der Umgebungsluft erwärmen. Der Kühlschrank funktioniert trotzdem, weil er nicht weiß, dass die Tür offen ist. Folglich versucht er, ohne es zu wissen, ein Volumen zu kühlen, das für seinen kleinen Kompressor viel zu groß ist, er versucht, den ganzen Raum zu kühlen.

Das Ergebnis ist, dass sein kleiner Kompressor ständig arbeitet. Er schaut auf den Sollwert, den er erreichen muss, und solange er nicht am Ziel ist, macht er weiter. Und der Kondensator, der sich auf der Rückseite Ihres Kühlschranks befindet, arbeitet auf Hochtouren. Es kondensiert, es kondensiert, also wird es warm, denn Kondensation ist eine Reaktion, bei der Wärme freigesetzt wird (exotherm).

Ihr Kühlschrank ist zu einer Heizung geworden: Er hat das Volumen des zu kühlenden Raums vor sich, wenn seine Tür offen ist. Für ihn ist es fast unendlich groß und unmöglich zu kühlen. Er läuft also in einer Schleife und heizt durch Kondensation.

Dasselbe Prinzip gilt auch für das Heizen Ihres Hauses mit einer Wärmepumpe. Nur dass man hier nicht nur das Volumen des Raumes, sondern auch die gesamte Außenumgebung, den Garten und den Planeten "mit einbezieht". Wir haben also eine "unendliche" Quelle, die wir kühlen müssen. Daher ist es möglich, das Haus durch Kondensation am Kondensator mit Wasser aus dem Hausnetz zu heizen: Das Kältemittel verteilt die der Außenluft entnommene Wärme wieder.

Kontraintuitiv, Kalorien aus kalter Luft zu nehmen

Es mag kontraintuitiv erscheinen, einen Raum mithilfe der Energie der Außenluft zu heizen, wenn es draußen im Winter superkalt ist (-10 / -15 °C). Und dass es gerade im Winter am wärmsten sein sollte.

Aber man muss wissen, dass die Luft, egal wie warm sie ist, immer Kalorien enthält, die man hochpumpen kann. Je kälter und trockener sie ist, desto weniger Kalorien enthält sie natürlich, und deshalb funktionieren Wärmepumpen im Winter etwas schlechter. Das heißt, sie verbrauchen mehr Strom, um die gleiche Menge an Heizleistung zu erbringen.

Diese Tatsache erscheint uns natürlich kontraintuitiv, denn wir wissen instinktiv, dass Wärme immer vom wärmsten zum kältesten Medium fließt. Sie wissen, dass Sie, wenn Sie im Winter mitten in der Nacht das Fenster öffnen, sehr schnell frösteln werden, weil die gesamte Wärme im Haus durch das Fenster verschwunden ist.

Die Magie der Wärmepumpe besteht darin, dass sie den umgekehrten Übergang schafft! Das heißt, der Übergang von Wärme aus dem kältesten in das wärmste Medium. Daher kommt auch der Begriff "Wärmepumpe", denn man pumpt die Wärme in das natürliche Medium. Sie kämpft gegen diesen natürlichen Übergang von warm zu kalt, genauso wie die Pumpe eines Brunnens es schafft, die Schwerkraft zu überwinden, indem sie das Wasser von seinem niedrigsten Punkt potenzieller Energie zu einem höheren Punkt potenzieller Energie befördert.

Mehr über die Funktionsweise der Luft-Wasser-Wärmepumpe

Sie sollten das Prinzip der Luft-Wasser-Wärmepumpe intuitiv erfasst haben, wenn Sie die ersten beiden Absätze gelesen haben. Nun wollen wir ins Detail gehen. Durch welches Geheimnis gelingt es der Wärmepumpe, das natürliche Prinzip der Wärmeübertragung umzukehren?

Das Kältemittel: Dirigent der Wärmepumpe

Die Magie der Wärmepumpe beruht zu einem großen Teil auf der Eigenschaft der Kältemittel, bei sehr niedrigen Temperaturen zu verdampfen und so auch im Winter Energie aus der natürlichen Umgebung aufzunehmen.

Wir alle wissen, dass Wasser, die am weitesten verbreitete natürliche Flüssigkeit, bei etwa 100 °C verdampft. Das gilt aber nur unter Standardbedingungen, d. h. bei einem atmosphärischen Druck von 1013 HPa. Es geht dann vom flüssigen in den dampfförmigen Zustand über, man sagt, dass es verdampft. Diese Verdampfungsreaktion wird als endotherm bezeichnet, d. h. sie nimmt eine Energiemenge (Kalorien) aus der Umgebung auf, in der sie stattfindet.

Wenn man jedoch auf dem Mount Everest steht, ist der Luftdruck ganz anders: Er sinkt um fast das Dreifache (ca. 350HPa). Wasser verdunstet viel schneller, in diesem Fall ab ca. 70°C. Dies verdeutlicht, dass man den Druck einer Flüssigkeit beeinflussen und so ihre Verdampfungstemperatur modulieren kann.

Man kann schnell eine Verbindung zur Wärmepumpe herstellen. Wenn es uns gelingt, den Druck des Kühlgases nach unseren Wünschen zu modulieren, dann können wir es bei jeder beliebigen Temperatur verdampfen lassen, und in diesem Fall wollen wir, dass es bei der Temperatur der Außenluft verdampft, mit dem Ziel, deren Kalorien aufzunehmen.

Nehmen wir als Beispiel das Kältemittelgas R32, das bald in allen Wohnraum-Wärmepumpen enthalten sein wird, da R410A langsam auf ein geplantes Verbot (2025) zusteuert und alle Hersteller sich darauf eingestellt haben. Seine Siedetemperatur (Verdampfung) beträgt -51,7 °C bei atmosphärischem Druck. Wenn wir in Sibirien sind, ist das gut, aber wir sind trotzdem nicht in Sibirien, also werden wir den Druck modulieren müssen, damit es verdampft, wenn es z. B. -6°C ist. Dafür muss er auf 6500HPa steigen.

Aus diesem Grund gibt es in Wärmepumpensystemen neben den Wärmetauschern (Verdampfer bei Luft + Kondensator bei Wasser) zwei Organe, mit denen der Druck des Fluids moduliert werden kann. Dabei handelt es sich um den Kompressor und das Expansionsventil. Diese befinden sich nach bzw. vor dem Verdampfer und ermöglichen eine adaptive Regulierung des Gasdrucks, damit das Gas unabhängig von der Außentemperatur richtig verdampfen und die maximale Menge an Kalorien aufnehmen kann (je nach Heizbedarf).

Sonderfall Luft-Wasser-Wärmepumpe

Bei einer Luftwärmepumpe wird die Wärme am Verdampfer von der Außenluft aufgenommen. Sie werden über einen Wasserkondensator an das Hauswassernetz abgegeben. In diesem Kondensator fließt auf der einen Seite das Kältemittel und auf der anderen Seite das Wasser. Der Wärmeaustausch findet über die Wände des Wärmetauschers statt, wobei es natürlich keinen Kontakt zwischen dem Wasser und dem Kältemittel gibt.

Einige Marken verwenden einen Plattenwärmetauscher, um den Kondensator herzustellen, während andere einen Koaxialkondensator verwenden, der in der Regel zuverlässiger und langlebiger ist und weniger Wartung erfordert.

Bei einer Split-Wärmepumpe (Innen- und Außeneinheit getrennt) befindet sich der Verflüssiger im Innenmodul. Das Kältemittel zirkuliert zwischen dem Innenmodul und dem Außenmodul.

Bei einer Monoblock-Wärmepumpe (alles in der Außeneinheit) befindet sich der Kondensator draußen in der Einheit und es zirkuliert Wasser zwischen der Einheit und dem Inneren des Hauses. Das Wasser nimmt die Wärme des Kondensators auf und tauscht sie über einen Wärmetauscher an den Pufferspeicher im Technikraum aus.

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