Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Schritt 2 von 15 · Erklären

Vier Bauteile in einem geschlossenen Kreislauf

Die Außeneinheit im Garten enthält den ganzen Kältekreis. Ins Haus laufen nur Wasserrohre, zur Umwälzpumpe im Keller und weiter zur Fußbodenheizung. Ein Kabel bringt Strom in den Kasten; der größte Teil treibt den Verdichter an, ein kleiner die Ventilatoren und die Regelung.

Innen läuft ein Kältemittel in einem geschlossenen Kreis und kommt an vier Bauteilen vorbei. Im Verdampfer, den Lamellen hinter den Ventilatoren, nimmt das kalte Kältemittel Wärme aus der Luft auf. Der Verdichter presst es zusammen, dabei wird es heiß. Im Verflüssiger, einem Stapel aus Stahlplatten, gibt es diese Wärme ans Heizungswasser ab. Das Expansionsventil lässt den Druck fallen, und das Kältemittel ist wieder kalt.

Schritt 3 von 15 · Vorhersagen

Der Strom treibt den Verdichter, die Luft liefert den Großteil der Wärme

Im Modell zieht das Gerät bei 7 °C draußen rund 1.400 W und gibt etwa 7.400 W Wärme ans Wasser ab: ein COP von 5,2, nah an den 5,3 aus dem Datenblatt. Etwa 6.100 W davon kommen aus der Außenluft, rund 1.300 W sind die Arbeit von Verdichter und Wasserpumpe, die ebenfalls im Wasser landet. Die etwa 150 W der Ventilatoren gehen mit der Luft davon, die aus dem Gerät strömt.

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Auch kalte Luft wärmt ein noch kälteres Kältemittel

Ein häufiger Einwand: Luft mit 7 °C oder gar −7 °C hat doch keine Wärme mehr übrig. Doch kalt heißt nur weniger Wärme, nicht keine. Wärme fließt von warm nach kalt, die Wärmepumpe braucht also nur etwas, das kälter ist als die Luft.

Das ist das Kältemittel, hier Propan. Im Verdampfer, den Lamellen hinter den Ventilatoren, siedet es bei etwa 3,5 °C. Die 7 °C warme Luft, die durch die Lamellen strömt, wärmt es und verlässt das Gerät etwa 4 Grad kälter; das siedende Propan nimmt dabei rund 6.100 W auf.

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Sieden heißt nicht heiß

Sieden heißt nur, dass eine Flüssigkeit zu Gas wird, und bei welcher Temperatur das passiert, hängt vom Druck ab. Wasser kocht bei normalem Luftdruck bei 100 °C, auf dem Gipfel des Mount Everest schon bei etwa 70 °C und im Schnellkochtopf erst bei etwa 120 °C. Propan, das als Campinggas verkauft wird, siedet bei normalem Luftdruck schon bei −42 °C; flüssig bleibt es nur in der Druckkartusche.

Im Verdampfer ist der Druck so eingestellt, dass das Propan bei etwa 3,5 °C siedet. Sieden schluckt viel Wärme: Darum kühlt Schweiß die Haut, und darum wird eine Spraydose beim Sprühen kalt. Das siedende Propan holt sich diese Wärme aus der Luft, die durch die Lamellen strömt.

Schritt 8 von 15 · Ausprobieren

Ohne niedrigen Druck keine kalte Seite

Das Expansionsventil hält den Druck im Verdampfer niedrig. Im Modell kannst du es ganz öffnen: Innerhalb von etwa 15 Sekunden steigt die Verdampfungstemperatur auf 7 °C, so warm wie die Luft, und die Wärme aus der Luft fällt fast auf null. Erst der niedrige Druck lässt das Kältemittel kalt sieden; ohne ihn kann eine Wärmepumpe der Luft keine Wärme entziehen.

Schritt 10 von 15 · Erklären

Eine Runde im Kältekreislauf: verdampfen, verdichten, verflüssigen, entspannen

Das Kältemittel verlässt den Verdampfer als kalter Dampf, unter 10 °C. Der Verdichter presst ihn zusammen, und Zusammenpressen erhitzt ein Gas, wie die Luft in einer Fahrradpumpe: Er kommt mit etwa 54 °C heraus, heißer als das 35 °C warme Heizungswasser.

Im Verflüssiger, einem Stapel aus Stahlplatten, gibt der heiße Dampf seine Wärme ans Wasser ab und wird flüssig; er verlässt ihn mit etwa 34 °C. Das ist immer noch wärmer als das Wasser, das mit etwa 30 °C vom Fußboden zurückkommt und das er zuerst erwärmt.

Dann lässt das Expansionsventil, eine enge Öffnung, den Druck fallen. Beim niedrigen Druck verdampft etwa ein Fünftel der Flüssigkeit sofort und holt sich die Wärme dafür aus dem Rest, der auf ein paar Grad über null abkühlt. Der Verdichter macht das Kältemittel also heiß, das Ventil macht es kalt. Die kalte Mischung strömt in den Verdampfer, und die Runde beginnt von vorn.

Schritt 13 von 15 · Vorhersagen

Ohne Verdichter fließt keine Wärme

Bleibt der Verdichter stehen, während Ventilatoren und Wasserpumpe weiterlaufen, könnte man erwarten, dass die Ventilatoren wenigstens etwas Wärme ins Haus blasen. Tun sie nicht: Die Wärmeabgabe fällt sofort auf 0 W. Übrig bleiben rund 180 W Strom für Ventilatoren, Pumpe und Regelung.

Ohne Verdichter wird das Kältemittel nicht zusammengepresst, also nie heißer als das Wasser, und das Propan in der Außeneinheit nimmt einfach die Temperatur der Luft an. Wärme fließt nie von selbst von kalt nach warm. Der Verdichter hebt sie vom 7 °C kalten Garten ins 35 °C warme Wasser: Er ist die Pumpe in der Wärmepumpe.

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Auch unter null arbeitet sie weiter

Bei −7 °C draußen sinkt der Druck im Verdampfer weiter, und das Propan siedet bei etwa −10 °C, immer noch kälter als die Luft. Es fließt weiter Wärme hinein: etwa 3.700 W aus −7 °C kalter Luft. Bei der mittleren Verdichterdrehzahl des Modells werden daraus etwa 5.000 W Wärme für 1.300 W Strom, ein COP von 3,8.

An einem kalten Tag braucht das Haus mehr, also dreht der Verdichter schneller. Das Propan siedet dann noch kälter, bei etwa −13 °C, und der COP sinkt: im Modell auf etwa 3,3, im Datenblatt auf 3,16 (9,7 kW Wärme für 3,07 kW Strom). Das ist immer noch mehr als dreimal so viel wie bei einem Heizlüfter. Das Gerät aus dem Datenblatt heizt bis −20 °C Außentemperatur.