Eine Wärmepumpe ist eine Kraftwärmemaschine, die thermische Energie aus einem Reservoir mit niedrigerer Temperatur — in der Regel die Umgebungsluft, das Erdreich oder das Grundwasser — aufnimmt und sie unter Aufwendung technischer Arbeit auf ein höheres, nutzbares Temperaturniveau hebt. Das Verhältnis von abgegebener Wärmeleistung zu eingesetzter Antriebsleistung liegt deshalb deutlich über 1: Der größte Teil der gelieferten Wärme stammt nicht aus dem Antrieb, sondern aus der entzogenen Umgebungswärme.
Der Kältemittelkreislauf
Eine Kompressionswärmepumpe besteht aus vier Hauptkomponenten, die einen geschlossenen Kreislauf bilden:
- Verdampfer — das Kältemittel verdampft bei niedrigem Druck und nimmt dabei Wärme aus der Quelle auf (Verdampfungsenthalpie).
- Verdichter (Kompressor) — hebt den Druck des Kältemitteldampfes an und führt dabei die technische Arbeit zu.
- Verflüssiger (Kondensator) — das heiße Kältemittel kondensiert und gibt die Nutzwärme an den Heizkreis oder das Brauchwasser ab.
- Drossel (Expansionsventil) — entspannt das flüssige Kältemittel wieder auf den Niederdruck; der Kreislauf schließt sich.
Das Kältemittel wird so gewählt, dass seine Verdampfungs- und Kondensationstemperaturen ausreichend Abstand zu den Temperaturen von Quelle und Senke haben und sein Verdampfungsdruck bei der tiefsten Arbeitstemperatur über dem Umgebungsdruck liegt, damit keine Luft in den Kreislauf eindringt. Verbreitet sind heute R290 (Propan, Treibhauspotenzial GWP 3), R32 (GWP 675), R744 (Kohlendioxid) und R717 (Ammoniak); die F-Gase-Verordnung drängt die fluorierten Mittel schrittweise zurück.
Wärmequellen und Bauarten
- Luft-Wasser-Wärmepumpe — Quelle ist die Außenluft; günstig und flexibel, aber die Quelltemperatur schwankt stark mit der Witterung.
- Sole-Wasser-Wärmepumpe — Quelle ist das Erdreich, erschlossen über Erdwärmesonde oder Erdwärmekollektor.
- Wasser-Wasser-Wärmepumpe — Quelle ist das Grundwasser.
Erdreich und Grundwasser liefern eine nahezu konstante Quelltemperatur von etwa 7 bis 13 °C. Weil die Temperaturdifferenz zur Wärmesenke damit klein bleibt, erreichen diese Bauarten höhere Leistungszahlen als Luft-Wasser-Geräte. Die theoretische Obergrenze folgt dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik: COPmax = Twarm / (Twarm − Tkalt).
Leistungszahl und Effizienz
Das Verhältnis von abgegebener Heizwärmeleistung zu aufgenommener elektrischer Verdichterleistung heißt Leistungszahl (coefficient of performance, COP) und wird am Prüfstand nach EN 14511 gemessen. Typische Werte liegen bei 4 bis 5; unter günstigen Bedingungen (Quelle 10 °C, Nutzwärme 35 °C) sind bis zu 6,8 erreichbar. Im realen Betrieb über ein Jahr gilt dagegen die Jahresarbeitszahl, die deutlich niedriger ausfällt.
Der COP steigt, wenn die Temperatur der Senke sinkt und die der Quelle steigt. Um eine hohe Effizienz zu erreichen, sollte die Temperaturdifferenz zwischen Quelle und Heizungsvorlauf deshalb möglichst klein sein — ein Grad weniger Vorlauftemperatur bringt je nach Ausgangswert rund 2 bis 4 % Energieersparnis — die Heizkurve legt fest, wie hoch sie bei welcher Außentemperatur ausfällt.
Abgrenzung: Wärmepumpe und Kältemaschine
Die Wärmepumpe nutzt den gleichen Kreisprozess wie eine Kältemaschine. Der Unterschied liegt allein in der Zielgröße: Beim Kälteprozess ist die auf der kalten Seite abgeführte Wärme die Nutzenergie (Kühlschrank, Klimaanlage), bei der Wärmepumpe die auf der warmen Seite abgegebene. Mit einem Umschaltventil lässt sich der Kreislauf umkehren, sodass dieselbe Anlage im Sommer das Gebäude kühlt.
Bedeutung für Rechenzentren
Rechenzentren fallen als große Abwärmequellen auf: Luftkühlung liefert Rückluft mit 25 bis 35 °C, wassergekühlte Systeme 45 bis 60 °C. Großwärmepumpen heben dieses Niveau auf die 70 bis 90 °C eines Wärmenetzes an und speisen die Fernwärme ein — der thermische Leistungsbereich reicht von 0,5 bis mehreren 100 MW. Damit wird aus Abwärme, die sonst an die Umgebung fällt, eine nutzbare Wärmequelle; die Wärmerückgewinnung ist die technische Voraussetzung dafür.