Eine Wärmepumpe ist eine Maschine, die Wärmeenergie (kurz: Wärme) aus einer Umgebung – z. B. die Luft vor unserem Haus – aufnimmt und diese mit höherer Temperatur in eine andere Umgebung – das Innere des Hause – abgibt. Die Wärmepumpe leistet dabei eine mechanische Arbeit. Das Haus wird geheizt.
Das Grundprinzip der Wärmepumpe ist in dem obigen Bild dargestellt. Man sieht die wichtigsten Schritte: Den Transport der Wärme von einer kälteren (hellblauen) Umgebung in eine wärmere (hellrote) Umgebung, den Temperaturausgleich, um drinnen die Wärme (dunkelrot) abzugeben bzw. draußen aufzunehmen und die mechanische Arbeit beim Auseinanderziehen und Zusammendrücken und des Transportbehälters, der aussieht wie eine Ziehharmonika. Wenn man Gas in einem Behälter zusammendrückt, wird es warm. Wir kennen das von unserer Fahrradluftpumpe. Wenn man den Behälter auseinanderzieht, kühlt das Gas in ihm ab. Beim Zusammendrücken und Auseinanderziehen wird eine Kraft auf den Behälter ausgeübt, der dabei kürzer oder länger wird. (Die geringe Arbeit, die unser Strichmännchen beim Hin- und Herlaufen leistet, vernachlässigen wir hier.)
Starten wir im Inneren des Hauses mit einem zusammengedrückten Behälter (1) und verlassen das Haus in in die kältere Umgebung (2). Dann ziehen wir den Behälter auseinander. Das kostet etwas Kraft. Die Luft im Behälter kühlt sich ab. Wir warten, bis sich die Temperatur im Behälter an die Außentemperatur angepasst hat. Anschließend gehen wir wieder ins Haus (5) und drücken den Behälter zusammen (6). Das Gas im Behälter wird heißer als die Raumtemperatur, wenn wir nur genug drücken. Dann warten wir, bis sich der heiße Behälter abkühlt. Dabei heizt er den Innenraum auf (8). Wir beginnen der Kreislauf von vorn und pumpen weiter Wärme ins Haus.
Die geleistete mechanische Arbeit wird in einer technischen Wärmepumpe nicht durch Muskelkraft erzeugt, sondern von einem Elektromotor. Der Elektromotor braucht dafür Strom, aber viel weniger, als würde man direkt elektrisch heizen. Es muss hier nur die mechanische Arbeit aufgebracht und bezahlt werden, die Wärme holt man sich „kostenlos“ aus der Umgebung.
Technische Wärmepumpen nutzen zusätzlich noch einen anderen physikalischen Effekt, um Wärme zu transportieren. Wir kennen alle die kühlende Wirkung der Verdunstung, die entsteht, wenn eine Flüssigkeit verdampft. Wenn unser Körper zu warm wird, schwitzen wir. Die Verdunstung des Schweißes kühlt unseren Körper. Umgekehrt wird bei Kondensation einer Flüssigkeit Wärme frei. In einem Kreislauf von Verdampfung und Kondensation kann man also auch Wärme transportieren. In technischen Wärmepumpen wird diese Eigenschaft beim Übergang eines Stoffes von einem gasförmigen in einen flüssigen Zustand und umgekehrt genutzt.
In einer technischen Wärmepumpe befindet sich ein Fluid* in gasförmigem oder flüssigem Zustand. Das Fluid hat bei Normaldruck (1 bar) einen Siedepunkt deutlich unter dem Gefrierpunkt und bei hohem Druck eine Verflüssigungstemperatur, mit der eine vernünftige Vorlauftemperatur in der Heizung erreicht werden kann. Propan (Kältemittelbezeichnung: R290, siehe Tabelle Dampfdruck) ist ein gutes Beispiel für ein geeignetes Fluid. Es siedet unter Normaldruck bei -42 °C und wird bei 26 bar bei einer Temperatur von 70 °C flüssig.
Folgt man dem Beispiel der schematischen Darstellung auf dieser Seite, sieht man auf der linken Seite ein Wärmereservoir. Das kann die Außenluft der Umgebung sein, die hier mit einer Temperatur von 12 °C an einem Verdampfer vorbeigeführt und dort auf 3 °C abgekühlt wird. In dem Verdampfer wird das Fluid, das im inneren Kreislauf der Wärmepumpe zirkuliert, gasförmig, nimmt die Wärme auf und strömt mit 14°C in die Pumpe des Kompressors. Dort wird der Druck auf etwa 11 bar erhöht, das Gas erwärmt sich dabei auf 47 °C und die Verflüssigungstemperatur steigt bei diesem Druck auf 30 °C. Im Verflüssiger wird dem Gas Wärme durch den Heizkreislauf der Gebäudeheizung entzogen. Das Gas kühlt dabei ab und kondensiert bei 30 °C zu einer Flüssigkeit. Die Flüssigkeit tritt schließlich über ein Expansionsventil wieder in den Niederdruckbereich des Kreislaufes und kann im Verdampfer erneut Wärme aufnehmen. Die Vorlauftemperatur der Heizung ist bei der Außentemperatur von 12 °C auf 30 °C eingestellt und kann durch den Druck geregelt werden, den der Kompressors erzeugt. Die Rücklauftemperatur liegt bei 26 °C. Da das Fluid unter Normaldruck bei -42 °C kocht, funktioniert der Prozess auch bei Außentemperaturen unter dem Gefrierpunkt.
Die Wärmepumpe arbeitet um so effizienter, je kleiner der Unterschied zwischen der Temperatur des Wärmereservoirs und der Vorlauftemperatur der Heizung ist. Nutzt man als Wärmereservoir nicht die Umgebungsluft, sondern Erdwärme oder Wärme aus dem Grundwasser, bietet sich hier im Winter ein Vorteil, da die Temperatur des Wärmereservoirs dann häufig höher ist als die Lufttemperatur. Die Luftwärmepumpen sind inzwischen so effizient, dass sie etwa 3 bis 4 mal so viel Wärmeenergie erzeugen, wie elektrische Energie zum Antrieb des Kompressors benötigt wird. Die Wärmepumpen, die Erdwärme nutzen, erzeugen etwa 4 bis 5 mal so viel Wärme, wie der Antrieb benötigt. Man spricht dann davon, dass die Effizienz oder der Wirkungsgrad der Wärmepumpe zwischen 300 % und 500 % liegt. Vorteil der Luftwärmepumpe sind die geringeren Installationskosten, weil keine Erdbohrung benötigt wird. Zur Heizung einer Wohnung oder eines Hauses muss man nur noch die elektrische Antriebsenergie für den Kompressor aufwenden. Das ist mit 20-30 % deutlich weniger als der Energieaufwand bei einer herkömmlichen Heizung mit Gas, Öl oder Kohle oder einer Direktheizung mit Strom. Zudem kann der Strom aus erneuerbaren Energien gewonnen werden. Damit kann die Gebäudeheizung effizienter und klimaneutral werden.
Die Technik der Kompressionswärmepumpe ist schon seit 1834 bekannt. In diesem Jahr hat der US-Amerikaner Jacob Perkins die erste Kompressionskältemaschine entwickelt. Wir verwenden die Technik heute in Kühlschränken. Der Verdampfer entzieht dabei dem Kühlschrank die Wärme. Die Wärmeabgabe erfolgt über Kühlrippen auf der Rückseite der Geräte. Weitere Informationen zu Wärmepumpen kann man z. B. in dem Buch Erneuerbare Energien und Klimaschutz von Volker Quaschning finden.
Zur Wärmepumpe gibt es zwei Poster.