Viele wundern sich wie dieses Wundergerät aus kalter Luft warmes Wasser für die Heizung zaubert.
In diesem Beitrag werden wir diesen Zauberapparatus entzaubern indem wir die Grundlagen erläutern, anhand von Beispielen und Analogien die Funktionsweise verstehen lernen und am Ende ein breites Wissen über Wärmepumpen aufbauen.
Wissenschaftliche Abhandlungen über dieses Thema gibt es im Internet und gedruckt auf toten Bäumen. Wir wählen den Weg, den wir aus der Sendung mit dem Dönertier kennen: bunt, in Farbe und für Kinder verständlich.
Grundlagen
Die Natur gibt uns ein paar Regeln an die Hand, die uns das Leben erleichtern. Diese Reglen sind einfach da, man kann diese selbst entdecken und zu seinem Gunsten nutzen.
Wenn wir z.B. mit dem Fahrrad unterwegs sind und über einen Nagel fahren, dann verliert unser Reifen Luft. D.h. die Natur versucht Druckunterschiede auszugleichen.
Genauso funktioniert es mit Wärme. Wenn wir einen Topf mit heissem Wasser draußen hinstellen, dann kühlt das Wasser ab. Die Natur versucht die Temperaturunterschiede auszugleichen. Das Ganze geschieht ohne daß wir irgendetwas tun müssen. Es ist für uns kostenlos.
Auch in kalter Luft (z.B. -10°C) steckt eine menge Wärme. Erst bei um -273°C ist keine Wärme mehr vorhanden. D.h. bei -10°C ist es etwa 263°C wärmer als der absolute Wärmenullpunkt.
Um eine Flüssigkeit zu verdampfen wird Wärme benötigt (siehe Wasserkocher). Wird ein Gas abgekühlt so wandelt es sich zu einer Flüssigkeit (Wasserdampf kondensiert an kalter Oberfläche).
Ein Exkurs in die alte Zeit
Stellen wir uns einen Bauern vor, der vor 4000 Jahren sein Feld bestellen wollte. Neben dem Feld ist ein See. Damit die Pflanzen wachsen muss er das Feld bewässern. Leider will das Wasser nicht von alleine aus dem See hüpfen und sich auf dem Feld verteilen. Da er selbst keine Zeit hat das Feld zu bewässern, stellt er einen Wasserträger ein, der mit einem Eimer das Wasser aus dem See holt und auf dem Feld verteilt. Wenn mehr bewässert werden soll, dann muss der Bauer weitere Wasserträger einstellen. Die laufenden Kosten sind direkt proportional zu der benötigten Wassermenge.
Um die laufenden Kosten zu reduzieren und die Leistungsfähigkeit zu erhöhen musste sich der Bauer etwas überlegen. So dachte sich der Bauer daß es doch möglich sein muss die kostenlose Kraft der Natur zu nutzen.
Er wusste, dass das Wasser ohne Kraftaufwand in den getauchten Eimer fliesst. Ebenso fliesst das Wasser aus dem Eimer völlig kostenfrei wenn der Eimer über dem Feld gekippt wird. Er musste also es schaffen dass die Eimer in den See wandern und dann über dem Feld ausgekippt werden ohne dass Kosten entstehen. So entliess er seine Wasserträger, stellte einen Tierpfleger ein und kaufte 4 Esel und 16 Eimer. Je 4 Eimer wurden an jeden Esel befestigt und der Tierpfleger brachte die Esel dazu mit leeren Eimern in den See zu gehen und die vollen Eimer über dem Feld auszukippen. Die Esel ernährten sich kostenfrei vom Gras, welches überall wuchs.
Damit hat der Bauer erreicht, dass er mit einer einmaligen Investition in Eimer und Esel und mit geringen laufenden Kosten für den Tierpfleger sein Feld bewässern konnte. Die meiste Arbeit erledigte dabei die für ihn kostenlosen Regeln der Natur.
Irgendwann stellte der Bauer fest, dass ein Tierpfleger bis zu 10 Esel betreuen konnte aber nie weniger als 3 Esel gleichzeitig arbeiten durften. Sonst würde sich der Tierpfleger langweilen und kündigen. So “erfand” der Bauer die Modulation der Bewässerung von 30% (3 Esel) bis 100% (10 Esel) .
Die Wärmepumpe pumpt Wärme
Wir wollen mit der Kraft der Natur unser Haus beheizen. Leider geht Wärme von alleine nur vom warmen ins kalte. Also wird niemals Wärme aus der kalten Außenluft (z.B. -10°C) in unser Haus wandern (Solltemperatur 23°C).
Wie der Bauer aus unserem Beispiel müssen wir die Regeln der Natur nutzen um mit wenig Aufwand viel Wärme ins Haus zu übertragen.
Wir haben als Beispiel:
– -10°C kalte Außenluft
– den zu entwickelnden Apparatus den wir als Wärmepumpe bezeichnen wollen
– das Haus, welches eine Raumtemperatur von 23°C haben soll
Schritt 1 – Die Luftwärme soll in die Maschine
Damit die Natur die Luftwärme in die Maschine für uns kostenfrei schiebt, muss die Maschine kälter sein als die Außenluft.
Kälte können wir erzeugen indem wir eine Flüssigkeit verdampfen. Also gehen wir in die Küche und mischen Kohlenstoff mit Wasserstoff und werfen eine Priese Fluor dazu. So entsteht Difluormethan welches wir abgekürzt R32 nennen. Wir stellen fest, dass diese Flüssigkeit sofort aus unserem Küchentopf entweicht. Also basteln wir uns einen druckfesten Topf und bauen ein Ventil an den Topf um die Flüssigkeit nach Bedarf entweichen zu lassen.
Öffnen wir das Ventil so verdampft die Flüssigkeit und es entsteht ein kaltes Gas. Dieses Gas wird sofort von der Umgebungsluft aufgewärmt. Damit haben wir zwar den Wärmefluss von der Umgebungsluft zu unserem Gas erfolgreich in Gang gebracht. Einen Nachteil hat die Sache aber, das Gas entweicht in die Atmosphäre und ist damit weg. Damit das nicht passiert nehmen wir ein Kupferrohr und montieren außen Bleche. Das eine Ende des Rohrs wird am Ventil des Topfes mit der Zauberflüssigkeit befestigt.
Wenn wir jetzt das Ventil öffnen, dann verdampft die Flüssigkeit im Rohr. Das Rohr wird kalt und die Wärme aus der Umgebungsluft wandert von alleine durch das Rohr in das Gas. Leider entweicht das warme Gas (Temperatur = ca. Umgebungstemperatur) weiterhin durch das offene Rohr in die Atmosphäre. Das Rohr nennen wir “Verdampfer”.
Schritt 2 Die Wärme soll ins Haus
Das von der Natur kostenlos “erwärmte” Gas muss uns jetzt irgendwie helfen das Haus zu erwärmen. Wir nehmen uns einen Verdichter der das Gas ansaugt und auf einen höheren Druck verdichtet. Das verdichtete Gas erwärmt sich. Der Verdichter wird elektrisch betrieben.
Unser Ziel ist es die Wärme, die uns die Natur kostenlos in das kalte Gas gepumpt hat irgendwie zu nutzen um das Heizungswasser zu erwärmen.
Wir leiten das Gas also in ein weiteres Rohr, welches in Wasser getaucht ist um seine Wärme an das Heizungswasser abzugeben. Plötzlich stellen wir fest, daß am Ende dieses Rohrs kein Gas austritt sondern eine Flüssigkeit. Da die Rohre dicht sind, muss es sich um die ursprüngliche Flüssigkeit aus unserem Topf handeln. Wir nennen das von Wasser umflossene Rohr in dem das Gas plötzlich kondensiert “Kondensator”. Die Flüssigkeit leiten wir wieder in unseren Topf.
Die Wärme, die an das Heizungswasser abgegeben wurde ist viel höher als das was der Verdichter an Energie aufgenommen hat. Wir folgern, dass es sich um die Wärme handeln muss, die aus der Umgebungsluft stammt.
Fazit
Wir haben es geschafft, wie unser Bauer aus dem Beispiel, mit wenig Aufwand die Kräfte der Natur zu nutzen um unsere Ziele zu erreichen. Die kalte Umgebungsluft hat unser Haus erwärmt.