Zum leichteren Verständnis kann die Wärmepumpe vom Funktionsprinzip mit einem Kühlschrank vergleichen. Ein
Kühlschrank entzieht den Lebensmitteln die Wärme und gibt diese nach außen ab. Nach diesem Prinzip arbeitet auch
eine Wärmepumpe, sie nimmt Wärme aus der Erde, dem Wasser oder der Luft auf und wandelt diese zur Heizwärme um.
Jeder Wärmepumpenprozess kann in 4-Stufen eingeteilt werden, in denen das Kältemittel verschiedene Zustandsänderungen eingeht.
1. Verdampfung
Al s Verdampfer bezeichnet man den Wärmetauscher, in dem Kältemittel vom flüssigen Zustand in dampfförmigen übergeht. Die Verdampfung erfolgt unter Zufuhr von Wärmeenergie, die der Umgebung, Grundwasser, Erdreich oder Außenluft entzogen wird.
2. Verdichtung
Das gasförmige Kältemittel wird vom Kompressor angesaugt und durch die Verdichtung auf hohen Druck und hohe Temperatur gebracht. Zusätzlich nimmt das Kältemittel noch die Wärme auf, die der Antriebsenergie des Kompressors entspricht.
3. Kondensation (verflüssigen)
Das dampfförmige Kältemittel wird mit hoher Temperatur in den Kondensator – wiederum ein Wärmetauscher – gedrückt und gibt dort seine Wärme an das Heizungswasser ab. Dabei wird der Kältemitteldampf kondensiert.
4. Expansion (entspannen)
Um den Kältekreislauf wieder zu schließen muss das Kältemittel vom hohen Druck auf den Ausgangsdruck entspannt werden. Dabei wird das Kältemittel kalt und kann dann im Verdampfer wieder Energie aufnehmen.
Ebenso wie ein Kühlschrank benötigt auch eine Wärmepumpe Antriebsenergie, welche meist durch elektrischen Strom geliefert wird. Der Unterschied zwischen Kühlschrank und Wärmepumpe liegt also nur darin, dass beim einen die Kälte und beim anderen die Wärme genutzt wird.
Kältekreislauf der Wärmepumpe können ca. 10 % der Leistung auf einem Temperaturniveau von 60 – 65 °C genutzt werden. Die Leistungszahl hängt dabei nach wie vor von der vom Wärmeverteilsystem benötigten Vorlauftemperatur ab .
Die Erschließung der Wärmequelle ist bei den Luft-Wärmepumpen sehr einfach. Bei Luft-Split-Wärmepumpen wird der Verdampfer im Freien aufgestellt und über Kältemittelleitungen mit dem im Heizraum montierten Innengerät verbunden. Bei reinen Außengeräten steht die komplette Wärmepumpe im Freien. Die erzeugte Wärme wird über Heizungsrohre ins Haus gebracht. Bei reinen Innengeräten steht die komplette Wärmepumpe im Heizraum und wird über 2 Lüftungsrohre mit der Außenluft verbunden. Hierbei wird die Außenluft über einen Ventilator angesaugt, über den Verdampfer dann abgekühlt und wieder ins Freie geblasen. Die reine Luftwärmepumpe empfehlen wir nur in gut gedämmten Häusern mit Fußboden- oder Wandheizung.
Ob Erdwärmesonde oder Erdkollektoren hängt von der Größe der Anlage und der Bodenbeschaffenheit ab. Bei kleineren Grundstücken bietet sich die Erdwärmesonde an, die bis zu 100 Meter tief in die Erde eingebracht wird. Der Erdkollektor braucht mehr Platz und wird in ca. 1,5 Meter Tiefe verlegt .Zur Wärmegewinnung wird ein Glykol-Wasser-Gemisch (auch Sole genannt) durch die Erdwärmesonde oder den Erdkollektor gepumpt, in einem Vorlaufverteiler zusammengefasst und fließt dann zum Verdampfer der Wärmepumpe. Dort wird die Sole abgekühlt und über den Rücklaufverteiler wieder zurück in die Erdkreise geführt.
In einer neuartigen Verdampfereinheit werden die Energiequellen Solarkollektoren und Außenluft mit dem Kältekreislauf einer Wärmepumpe direkt zusammengeführt.
Der Verdampfer wird mit dem Solekreislauf der Sonnenkollektoren, dem Kältemittel und mit Luft durchströmt. Die konstante Verdampfung des Kältemittels im Wärmepumpenkreislaufwird dadurch sichergestellt, dass eine Steuereinheit, je nach Energieangebot der Solarkollektoren, über einen drehzahlgeregelten Ventilator Außenluft dem Verdampfer zusätzlich zuführt. Ist das Energieangebot der Solarkollektoren ausreichend, um das Kältemittel vollständig zu verdampfen, ist die Ventilatoreinheit ausgeschaltet und die Verdampfung erfolgt ausschließlich über die Kollektoren.
Sinkt die Leistung der Solarkollektoren wird, je nach dem Druck im Kältekreislauf, der Luftstrom über dem Verdampfer erhöht. Dadurch wird sichergestellt, dass das Kältemittel in der Wärmepumpe immer vollständig in ausreichender Menge verdampfen kann und ein störungsfreier Ablauf im Kältekreislauf gewährleistet ist.
Da die Temperaturen im Verdampfer, je nach Betriebspunkt des Kältekreislaufes, zwischen + 20 und – 20 °C beträgt, kann die Kollektoranlage auch bei diesen Temperaturen im Solarkreis bereits Energie liefern. Bei Solaranlagen ohne Wärmepumpe ist dies erst über 40 °C möglich.
Der zugeführte Luftstrom kann auch durch die Solaranlage vorgewärmt werden, wodurch sich auch bei einer geringen Leistung der Solaranlage eine Erhöhung der Verdampfertemperatur ergibt.
Dies hat Auswirkungen auf die Leistungszahl und somit auf den elektrischen Energieeinsatz.
Mit der neuen Hybrid-Wärmepumpe können deutlich höhere Leistungszahlen erzielt werden, da die Temperatur am Verdampfer durch die Solaranlage angehoben wird. Ferner wird zusätzlich der Ertrag einer Solarkollektoranlage nahezu verdoppelt.