Wärmepumpen gelten als eines der wesentlichen Elemente der notwendigen Energiewende. Vor immer mehr neuen oder auch älteren Häusern stehen sie inzwischen.

Trotzdem gibt es noch immer viele Vorbehalte gegen Wärmepumpen. Dabei hat eigentlich fast Jede und Jeder schon ein Gerät in der eigenen Wohnung stehen, das auf dem gleichen Prinzip funktioniert: nämlich einen Kühlschrank. Höchste Zeit also, sich einmal anzuschauen, wie so eine Wärmepumpe eigentlich funktioniert.

Wenn man die zwei simplen Ideen verstanden hat

(1) aus der Umwelt Wärme zu entziehen und 
(2) diese auf ein gewünschtes Temperaturniveau zu pumpen, 

stellt sich jedem die Frage: „Warum wurde das nicht schon immer so gemacht, wenn es so einfach ist?“ Zumal ein anderes Gerät, das auf der gleichen Technologie beruht, in nahezu jedem Haushalt steht: der Kühlschrank.

Bevor nun der Thermodynamiker mahnend den Finger hebt, sei hier angemerkt, dass es eigentlich keine „Kälte“ gibt, sondern eben nur weniger Wärme an einem Ort, wo wir sie abgeführt haben.

Da wir aber dann umgangssprachlich von einem kälteren Ort sprechen, wollen wir das hier auch so verwenden. Wir Menschen empfinden -10°C im Winter als ziemlich kalt. Objektiv betrachtet sind -10°C aber +263,15°C über dem absoluten Nullpunkt (der bei -273,15°C liegt) und damit thermodynamisch noch ziemlich warm. Aber wie kommen wir an diese Wärme?

Einerseits wissen wir, dass Wärme nur von einem wärmeren zu einem kälteren Ort fließt, so wie eine Kugel den Berg nur hinunterrollt, nicht hinauf. Außerdem kann man die Siedetemperatur einer Flüssigkeit sehr weit absenken, wenn man den Druck um die Flüssigkeit absenkt. So kann man zum Beispiel Wasser schon bei Raumtemperatur zum Kochen bringen, wenn man an den Kolben, in dem sich das Wasser befindet, ein Vakuum anlegt. Man muss also mit einer Pumpe das Gas über der Flüssigkeit absaugen, um den Druck zu reduzieren (Verdampfer).

Die Chemie hat neben den natürlichen Kältemitteln Flüssigkeiten entwickelt, die bei niedrigen Drücken schon bei z.B. -30°C und weit darunter anfangen zu sieden. Stelle ich also ein Gefäß mit einem niedrigen Druck, in dem sich ein geeignetes Kältemittel befindet, im Winter bei -10°C in den Garten, fängt es an zu kochen. Das Kältemittel „fühlt sich“ so wie z.B. Wasser bei Umgebungsdruck, das ich auf eine Herdplatte mit 120°C stelle und das ja auch anfängt zu kochen.

Bleiben wir beim Kältemittel. Die beim Kochen (Verdampfen) aufgenommene Umgebungswärme speichert das Kältemittel in seinem Aggregatzustandswechsel. Es wird gasförmig. Damit haben wir Wärme aus der Umgebung aufgenommen. Dieser erste erfolgreiche Streich reicht aber noch nicht aus, denn unser so gewonnenes Gas ist leider nur -10°C kalt und taugt weder zum Duschen noch zum Heizen.

Das Prinzip kennen wir vom Fahrrad: Verdichtet man ein angesaugtes Gas mit einer Luftpumpe, wenn man z.B. einen Fahrradschlauch aufpumpt, dann erwärmt sich dabei die Luft durch die Kompression (Verdichtung) ein bisschen. Mit einem elektrischen Verdichter kann man je nach erzeugtem Druck spielend bis über 100°C erreichen. Man muss eben nur hoch genug verdichten, bzw. drücken.

Diese zweite Idee hilft uns nun perfekt, unser Ziel zu erreichen, nämlich das gasförmige Kältemittel auf ein hohes Temperaturniveau zu bringen, also zu erwärmen. Mit derselben Pumpe, mit dem ich eben noch den Druck meines Kältemittels durch Absaugung gesenkt habe (Idee 1 oben), kann ich nun beim Ausstoßen des angesaugten Gases mein gewünschtes Temperaturniveau durch Kompression (Verdichten) erreichen.

Der eigentliche Clou dabei ist, dass mir das Kältemittel den Gefallen tut, die zuvor auf sehr niedrigen Temperaturniveau aufgenommene Verdampfungswärme Huckepack (latent) mit auf das hohe Temperaturniveau mitzunehmen. Das heiße, gasförmige und unter hohem Druck stehende Kältemittel kann ich nun durch einen Wärmetauscher leiten und damit die Wärme „abziehen“ und zum Heizen verwenden. Während dieses Vorgangs kühlt das Kältemittel wieder ab (kondensiert) und wird flüssig.

Dann wird der Druck des Kältemittels wieder so weit reduziert, dass es seine Ausgangstemperatur erreicht und der Kreislauf beginnt von vorne.

Da ich nur einen vergleichsweise kleinen Arbeitsaufwand für die Verdichtung geleistet habe, aber die der Umgebung umsonst entzogene Wärme dabei den Temperatursprung mitgemacht hat, „ernte“ ich beim Verflüssigen des Kältemittels bei hohem Druck die komplett aus der Umgebung gewonnene Wärme. Gute Wärmepumpen können so, je nachdem wie kalt es draußen ist und wie warm es werden soll, aus einem Teil hineingesteckter elektrischer Energie bis zu sechsmal so viel Wärme aus der Umgebung liefern.

Unser Ziel, die globale Erwärmung unsere Atmosphäre unter 1.5K zu halten werden wir verfehlen. Vielleicht, weil wir viel zu spät mit einem Umdenken in unseren Köpfen begonnen haben und auch vergessen haben einen Großteil der Gesellschaft mit auf die Reise zu nehmen. Es wird also bedeutend wärmer werden in den kommenden Sommern.

Unsere Wohnungen und Arbeitsplätze werden wir dann aber leider nicht durch Gas- und Ölbrenner kühlen können. Wer sich aber daran erinnert, dass Wärmepumpen Wärme von einem Ort zu einem anderen Ort pumpen können, wird schnell auf Idee kommen, im Sommer die Wärme aus dem Haus in die Umgebung zu pumpen, quasi ein überdimensionierter Kühlschrank. Was im Übrigen aus eigener Erfahrung sehr gut und bei Sonne und PV-Strom, CO2-neutral und kostenfrei funktioniert.