Was ist eigentlich eine Wärmepumpe?
Wenn Sie einen Topf mit Wasser auf den Herd stellen und die Herdplatte einschalten, wird das Wasser warm. Ist die Herdplatte heiß genug, wird auch das Wasser heiß und verdampft ab etwa 100 °C. Bleibt der Topf offen, ist der entstehende Wasserdampf auch 100 °C heiß und man kann sich daran verbrühen. Im geschlossenen Dampfkochtopf sind sowohl das Wasser als auch der Dampf heißer als 100 °C.
Für die Erwärmung des Wassers wird eine bestimmte Wärmemenge benötigt. Diese Wärmemenge wird z. B. als Strommenge am Stromzähler abgerechnet. Wird dem heißen Wasser weiter Wärme zugeführt, verdampft es. Zum Verdampfen braucht man dreimal so viel Wärme wie zum Erhitzen.
Wenn der Dampf aus dem Kochtopf kommt und z. B. an der Dunstabzugshaube kondensiert, gibt er wieder Wärme ab: Der Dampf kühlt ab und wird bei unter 100 °C zu Wassertröpfchen; die Dunstabzugshaube wird dadurch etwas wärmer. Pumpt man das Kondensat wieder zurück in den Kochtopf, bekommt man einen geschlossenen Kreislauf und hat dann eine Art Wärmepumpe. So einfach ist das.
Der Vorteil der Herdplatte ist, dass sie so heiß wird. Denn Wärme fließt nur in eine Richtung, nämlich von warm nach kalt. Das ist der 2. Hauptsatz der Thermodynamik.
Die Wärme fließt auch von kalt zu noch kälter: Die kalte Flasche Bier aus dem Keller kann immer noch das noch kältere Eis im Kühlfach auftauen. Merke deshalb: Wärme ist nicht gleich Temperatur!
Und jetzt wird es technisch interessant. Selbst wenn es im Freien -20 °C hat, kann die Wärme, die in dieser kalten Luft steckt, noch etwas bewirken: Sie kann z. B. -78 °C kaltes Trockeneis zum Verdampfen bringen. Und genau das ist das Prinzip moderner Wärmepumpen: Kalte Luft bringt auch bei niedrigen Temperaturen ein Kältemittel zum Verdampfen.
Das verdampfte Kältemittel lässt man an anderer Stelle wieder kondensieren, so wie vorher das Wasser an der Dunstabzugshaube. Bei der Dunstabzugshaube war das einfach, denn sie war ja kälter als der Wasserdampf aus dem Kochtopf und Wärme fließt vom wärmeren zum kälteren Zustand. Aber das Kältemittel ist ja kalt, und wie soll man denn da sein Wohnzimmer auf 20 °C bringen? Also muss ein technischer Trick her: Die Kondensation und damit die Wärmeabgabe funktioniert gut, wenn man auch noch den Druck ändert. Denn wenn man den Druck schnell erhöht, steigt die Temperatur. Das dampfförmige Kältemittel kondensiert dann bei ca. 20 °C und gibt bei dieser höheren Temperatur seine Wärme ab.
So, jetzt haben wir also das ganze Prinzip der Wärmepumpe und des Kühlschranks: 2 Wärmeübertragungsflächen, eine Pumpe zur Druckerhöhung, eine „Drossel“ zur Druckreduzierung. Mehr braucht es erstmal nicht.
Und damit man die Pumpen nicht einfach vor sich hinarbeiten und Strom verbrauchen lässt, sondern die Pumpenleistung regelt und ein mögliches Einfrieren des Wärmetauschers zu verhindern, wird der Durchfluss mit einem SIKA Vortex-Durchflusssensor gemessen. In technischen Anlagen kommt dann noch ein Umkehrbetrieb zum Abtauen der Wärmetauscher hinzu – auch dieser Betriebszustand muss geregelt werden.
