Wie eine Wärmepumpe funktioniert: Wärme wird nicht erzeugt, sondern verschoben
Ein Heizkessel verbrennt Gas, um Wärme zu erzeugen. Eine Wärmepumpe erzeugt keine Wärme: Sie holt sie aus der Außenluft, auch im Winter, und bringt sie nach innen. Strom braucht sie nur, um die Wärme zu bewegen; deshalb gibt die Maschine mehr Wärmeenergie ab, als sie an elektrischer Energie verbraucht. Wie viel mehr, zeigt die Leistungszahl (COP), die bei unseren Maschinen am Display abzulesen ist.
Den Transport übernimmt ein Kältemittel, das in einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert und vier Stufen durchläuft. Wir erklären sie an einer Kita Air, die eine Halle beheizt.
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Die vier Stufen des Kältemittels
1. Verdampfung. Im Lamellenwärmetauscher des Außengeräts kommt das Kältemittel kälter als die Luft an. Es verdampft, wie kochendes Wasser, und nimmt dabei die Wärme der Luft auf, die der Ventilator hindurchbläst. Das funktioniert auch unter null: Das Kältemittel muss nur kälter sein als die Luft.
2. Verdichtung. Der Verdichter saugt das Gas an und verdichtet es: Druck und Temperatur steigen, bis es viel wärmer ist als die Luft in der Halle.
3. Verflüssigung. Das heiße Gas gelangt zum Innengerät und gibt seine Wärme an die Luft ab, die der Ventilator nach unten bläst, dorthin, wo gearbeitet wird. Dabei wird es wieder flüssig.
4. Entspannung. Die Flüssigkeit kehrt zum Außengerät zurück und durchläuft das Expansionsventil: Sie verliert Druck, kühlt ab und ist bereit, wieder zu verdampfen. Bei unseren Maschinen ist das Ventil immer elektronisch. Es wird von der Steuerplatine angesteuert, die die Fühler auswertet und genau so viel Kältemittel in den Wärmetauscher lässt, wie verdampfen kann, Moment für Moment. Ein mechanisches Ventil folgt Temperatur- und Laständerungen nicht mit derselben Genauigkeit.
In der Grafik ist der Verdichter der Übersicht halber oben gezeichnet. In der Maschine sitzt er im Außengerät, zusammen mit dem Wärmetauscher und dem Ventil.
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Im Sommer kehrt sich der Kreislauf um
Dieselbe Maschine kühlt. Die beiden Wärmetauscher tauschen die Rollen: Der innere nimmt Wärme aus der Halle auf, der äußere gibt sie nach draußen ab. Warum ein Klimagerät, das im Winter auch heizt, keine Wärmepumpe ist, haben wir im Tipp zum Klimagerät erklärt.
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Warum sie bei Kälte weniger leistet
Der Verdichter muss umso mehr arbeiten, je größer der Abstand zwischen der Temperatur ist, bei der das Kältemittel draußen verdampft, und der, bei der es drinnen verflüssigt. Bei -7 °C Außenluft ist dieser Abstand größer als bei +7 °C, und die Leistungszahl sinkt. Das ist das Gesetz, das Carnot vor zwei Jahrhunderten formuliert hat: Keine reale Maschine erreicht seine Grenze, aber der Verlauf ist derselbe.
Deshalb beurteilt man eine Wärmepumpe nicht nach der Leistungszahl auf dem Typenschild, sondern danach, was sie im Winter leistet. Es kommt auf Wärmetauscher und Verdichter an:
- ein großer Wärmetauscher, der das Kältemittel nahe an der Lufttemperatur verdampfen lässt, wie im Tipp zu den Lamellen erklärt;
- ein Verdichter, der für große Temperaturhübe gebaut ist, wie im Tipp zu den Scroll-Verdichtern erklärt.
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Abtauen: nur wenn nötig
Im Winter arbeitet der Außenwärmetauscher unter null, und die Feuchtigkeit der Luft setzt sich als Reif darauf ab. Solange wenig Reif da ist, heizt die Maschine normal. Wenn der Wärmetauscher zugesetzt ist, kommt keine Luft mehr durch, und die Maschine muss das Eis abtauen, mit Wärme aus der Halle.
Viele Wärmepumpen tauen zeitgesteuert ab, alle paar Minuten, oder sobald der Wärmetauscher unter eine bestimmte Temperatur fällt. So tauen sie auch ab, wenn der Wärmetauscher fast frei ist, und jedes unnötige Abtauen ist Wärme, die dem Gebäude entzogen wird, und Zeit, in der die Maschine nicht heizt.
Unsere tauen nur ab, wenn es wirklich nötig ist: wenn der Wärmetauscher voller Reif ist und der Wärmeaustausch mit der Luft unter eine bestimmte Schwelle gefallen ist. Das misst die Steuerplatine, nicht eine Uhr. Es ist unser patentiertes Abtausystem. Mehr Abstand zwischen den Lamellen bedeutet auch mehr Reif, bevor diese Schwelle erreicht ist, und damit weniger Abtauvorgänge, wie im Tipp zum Abtauen erklärt.
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Häufige Fragen
Wie funktioniert eine Wärmepumpe, einfach erklärt?
Sie erzeugt keine Wärme: Sie holt sie aus der Außenluft und bringt sie mit einem Kältemittel ins Haus, das in einem geschlossenen Kreislauf verdampft, verdichtet wird, kondensiert und sich entspannt. Der Strom treibt nur den Kreislauf an.
Funktioniert eine Wärmepumpe unter null Grad?
Ja: Das Kältemittel im Außenwärmetauscher muss nur kälter als die Luft sein. Wird es kälter, wächst der Temperaturhub, und der COP sinkt.
Warum arbeitet eine Wärmepumpe bei Kälte weniger effizient?
Der Verdichter muss umso mehr leisten, je größer der Abstand zwischen der Verdampfungstemperatur draußen und der Kondensationstemperatur drinnen ist: Bei -7 °C Außenluft ist er größer als bei +7 °C.
Kann dieselbe Wärmepumpe im Sommer kühlen?
Ja: Der Kreislauf kehrt sich um, und die beiden Wärmetauscher tauschen die Aufgaben. Der innere nimmt den Räumen Wärme ab, der äußere gibt sie nach draußen ab.
Siehe auch: Wärmepumpe mit Heizkörpern: funktioniert das? Ja, und mit Propan besser · Wie viel Strom verbraucht eine Wärmepumpe: pro Tag, pro Jahr und je Größe, mit den Zahlen der Datenblätter · COP der Wärmepumpe: Was er ist, wie er gemessen wird und warum er im Nebel nicht mehr derselbe ist · Welche Wärmepumpe ist die beste? 10 Punkte, die vor dem Kauf zählen · Wärmepumpe kühlen: mit Fußbodenkühlung oder Gebläsekonvektoren, wie effizient und was man braucht · Erdwärmepumpe oder Luftwärmepumpe: Stromverbrauch, Kosten und Lebensdauer im Vergleich
Alle Technik-Tipps stehen auf der Seite der Reihe. Der nächste in zwei Wochen.
