Eine Wärmepumpe (WP) funktioniert im Prinzip wie ein Kühlschrank. Er transportiert die die Wärme des Innenraums nach außen, wodurch die Temperatur im Innenraum abgesenkt wird.

Bei der WP wird einem Umwelt-Medium (Luft, Wasser, Erde) Wärme entzogen und an ein anderes Medium (Heizungswasser) weitergegeben, wobei sich dessen Temperatur erhöht.
Funktion der Wärmerpumpe
Gewinnbringender Kreislauf

Die WP besteht im Wesentlichen aus vier Bauteilen: Verdampfer, Verflüssiger (Kondensator), Expansionsventil und Kompressor. Diese Hauptbestandteile sind in einem Kreislauf miteinander verbunden. Der Kreislauf wird durch ein Medium (Kältemittel genannt) durchströmt, das bei jedem Umlauf zweimal seinen Aggregatzustand, seine Temperaturen und Drücke verändert und dabei Wärme aus der Umgebung aufnimmt bzw. an diese abgibt.

Das nebenstehende Schaubild veranschaulicht die Veränderungen während des Kreislaufprozesses.

In den Kompressor strömt das gasförmige Kältemittel mit niedrigem Druck und niedriger Temperatur. Ähnlich einer Fahrradluftpumpe saugt der Kompressor das gasförmige Kältemittel an und Komprimiert es. Durch Reibung der Moleküle erwärmt sich das Gas auf 80-90°C, wobei der Druck erheblich ansteigt.

Beim Durchströmen des Verflüssigers, der vom Heizungswasser "gekühlt" wird, überträgt das Kältemittel den größten Teil seiner Temperatur auf das Heizungswasser (Wärmeübertragung) und kondensiert dabei. Das immer noch unter hohem Druck stehende, nunmehr flüssige Kältemittel verliert im Expansionsventil schlagartig seinen Druck, strömt in den Verdampfer und wird wieder gasförmig. Seine Temperatur fällt unter den Nullpunkt ab. Dabei nimmt das Gas begierig Wärme aus seiner Umgebung auf und die Wärmequelle (z.B. die Sole) wird abgekühlt. Der Kreislauf schließt sich, wenn das Kältemittelgas wieder den Kompressor erreicht hat und der Prozess von Neuem beginnt.

Vorteil - vierfacher Gewinn: Energie wird lediglich zum Antrieb des Kompressors und damit zur Aufrechterhaltung des Kreisprozesses benötigt. Der Wärmeübertrag von der Sole zum Heizungswasser erfolgt ohne extreme Energiezufuhr, so dass mit einer Einheit Antriebsenergie zusätzlich vier Einheiten kostenlos aus der Umwelt gewonnen werden (Leistungszahl: 1+4=5).

Wärme aus der Erde: die Erdwärmepumpe

Jede Wärmepumpe benötigt eine Wärmequelle, der sie Umweltwärme entziehen kann. Besteht die Wärmequelle aus der Umgebungsluft (Außenluft), wird sie als "Luftwärmepumpe" bezeichnet, werden die Energiepotenziale des Grundwassers erschlossen, spricht man von einer "Wasserwärmepumpe".

Die Erdwärmepumpe ist demzufolge eine Wärmepumpe, welche die oberflächennahe Wärme der Erde nutzt, wobei es zwei unterschiedliche Formen gibt:

* durch horizontale Flächenkollektoren (Kunststoffrohre, ähnlich wie bei einer Fußbodenheizung), die in etwa 1,5 m Tiefe im Erdboden verlegt werden, Flächenbedarf: etwa das Zweifache der zu beheizenden Wohnfläche.
* durch senkrecht in den Boden eingelassene Erdwärme-Sonden (EWS), deren Funktionsweise im folgenden behandelt wird.

Funktionsweise einer Heizung mit Erdwärme-Sonden
Prinzipschema einer EWS-Anlage

In den Bohrungen, deren Tiefe zwar auch von den geologischen Verhältnissen, aber im wesentlichen von dem Wärmebedarf des zu beheizenden Objektes abhängig ist, werden U-förmige Doppel-Sonden eingebracht, die durch eine eingepresste Suspension fest mit dem umgebenden Erdreich verbunden sind. Durch die Sonden wird "Sole" gepumpt. Dabei handelt es sich um Wasser, das aus Frostschutzgründen mit einer umweltverträglichen Glykollösung angereichert ist.

Die aus dem Heizsystem kommende Sole ist kälter als die Rohrwandung bzw, als das die Sonde umgebende Erdreich (z.B. 5°C). so dass sie beim Herunterpumpen und Aufsteigen dem Erdreich Wärme entzieht - mit der Folge, dass die Soletemperatur z.B. auf 10°C ansteigt. Mit dieser Temperatur erreicht die Sole die Oberfläche.

Auf den Punkt gebracht: Bei Wärmepumpen mit Erdwärme-Sonden wird mit einem unbedenklichen Frostschutzmittel versetztes Wasser (sog. Sole) in die Tiefe der Bohrungen gepumpt. Die Sole nimmt dabei die Wärme des Erdreichs durch Temperaturanstieg auf und gibt sie an die Wärmepumpe ab. Durch die Wärmeabgabe sinkt die Sole-Temperatur wieder. Die abgekühlte Sole wird in die Erde hinabgepumpt und der Kreislauf beginnt von neuem. Da es sich dabei um ein geschlossenes System handelt, sind für den Sole-Kreislauf die im Heizungsbau üblichen Druck-Überwachungseinrichtungen erforderlich.