Die Wärmepumpen-Funktion ist durch einen geschlossenen Kreisprozess gegeben. Die Wärmepumpe verwandelt auch bei winterlichen Minusgraden Wärme niedriger Temperatur in Wärme hoher Temperatur. Verantwortlich dafür ist das physikalische Prinzip, das sich - analog zum Kühlschrank - bei Wärmepumpen durch einen geschlossenen Kreisprozess vollzieht: Das Arbeitsmedium ändert kontinuierlich seinen Aggregatzustand, verdampft, wird komprimiert, verflüssigt sich und expandiert. Arbeitsmedien (Kältemittel) sind Stoffe, die bei niedrigen Temperaturen verdampfen und zugleich hohe innere Wärme besitzen. Heute sind FCKW- und H-FCKW-freie, ungiftige, biologisch abbaubare und nicht brennbare Arbeitsmedien im Einsatz.
Wärmepumpen entziehen der Hausumgebung - also dem Erdreich, dem Wasser oder der Luft - die enthaltene Umwelt-Wärme und gibt diese inklusive der elektrischen Antriebsenergie als Wärme an den Heiz- und Warmwasserkreislauf ab.
Die Wärmepumpen-Funktion bzw. der Kreislauf typischer Wärmepumpen, also etwa einer Kompressions-Wärmepumpe mit Elektro-, Gas- oder Dieselantrieb, vollzieht sich im Verdampfen, Verdichten, der Kondensation und Expansion des Arbeitsmediums. Zum Zeitpunkt der Aufnahme von Wärme aus der Umwelt ist das flüssige Arbeitsmedium (Kältemittel) bei geringem Druck auf der Primärseite im Verdampfer. Die Temperatur der Umweltwärme außerhalb des Verdampfer ist höher als der Siedepunkt des Arbeitsmediums. Dies bewirkt, dass Wärme von der Wärmequelle auf das Arbeitsmedium übertragen wird.
Im nächsten Schritt der Wärmepumpen-Funktion verdampft das Arbeitsmedium und entzieht auf diese Weise der Umgebung Wärme. Die Temperatur der Umgebung kann dabei durchaus bis -15 °C betragen. Nun wird das verdampfte Arbeitsmedium vom Verdichter aus dem Verdampfer abgesaugt und verdichtet. Bei diesem Vorgang steigen Druck und Temperatur des Dampfes. Das dampfförmige Arbeitsmedium wird jetzt auf der Sekundärseite in den Verflüssiger transferiert, der vom Heizwasser umgeben ist. Da die Temperatur des Heizwassers niedriger ist als die Kondensationstemperatur des Arbeitsmediums, kühlt der Dampf ab und wird wieder flüssig. Das Heizwasser erhält also die im Verdampfer aufgenommene Wärme und die zusätzliche, durch das Verdichten zugeführte Energie. Danach gelangt das Arbeitsmedium über ein Expansionsventil wieder in den Verdampfer. Hier entspannt sich das Arbeitsmittel vom hohen Druck des Kondensators auf den niedrigen Druck des Verdampfers und kühlt ab. Auf diese Weise schließt sich der Kreislauf der Wärmepumpen-Funktion.
Vergleichbar ist die Wärmepumpen-Funktion mit dem rückwärtslaufenden (idealen) Carnot-Prozess, entspricht also dem Prinzip der Kraft-Wärme-Maschine. Aus dem Carnot-Prozess lässt sich der theoretische Wirkungsgrad (ec) der Wärmepumpe errechnen. Allerdings fällt die Leistungszahl (e) bei einem realistischen Wärmepumpenprozess geringer aus, weil betriebsbedingt thermische, mechanische und elektrische Prozesse sowie der Energiebedarf des Hilfsantriebs die Leistung schmälern. Grundlegend gilt für die Wärmepumpen-Funktion: Je geringer der Unterschied zwischen Temperaturquelle und Wärmeverteilung ist, desto wirtschaftlicher arbeitet eine Wärmepumpe.
Info Carnot-Prozess:
Der Carnot-Kreisprozess ist ein Kreisprozess von besonderer Bedeutung in der Thermodynamik. Er ist ein rein theoretischer Prozess. Seine Bedeutung besteht darin, dass er das Optimum angibt, das von keinem speziellen Kreisprozess, bei dem sich das Arbeitsfluid zwischen denselben Temperaturen bewegt, übertroffen werden kann. Der aus den Arbeitstemperaturen ermittelte Carnot-Wirkungsgrad (Carnot-Faktor) gibt an, welcher Anteil der zugeführten Wärme maximal in mechanische Arbeit umgewandelt werden kann.
Kreisprozess nach Carnot
Der Wärmepumpen-Kreisprozess folgt im Wesentlichen dem (idealen) Carnot-Prozess. Fläche a stellt die aus der Umwelt aufgenommenen Energie dar. Fläche b ist die Antriebsenergie des Kompressors. Die Summe beider Flächen ist die gesamte abgegebene Energie (Fläche a+b). Die Leistungszahl ε (epsilon) kann über die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle (Verdampfer) und Wärme nutzungsanlage (Kondensator) berechnet werden.
