Bild 1. Idealer Wärmepumpenprozess (Quelle: Universität Duisburg-Essen, Lehrstuhl Energietechnik)
Für eine auf erneuerbare Energien basierende Wärmeerzeugung bietet es sich u. a. an, Großwärmepumpen zu nutzen, mit denen das Wärmepotenzial von Niedertemperaturabwärmequellen auf ein technisch nutzbares Niveau gehoben werden kann. Im Idealprozess wird hierzu zunächst das Kältemittel der Wärmepumpe mit der Niedertemperaturwärmequelle im Verdampfer isobar verdampft (Bild 1, 4 – 1). Das gerade siedende Kältemittel wird anschließend im Verdichter isentrop auf einen höheren Druck und eine höhere Temperatur gebracht (Bild 1, 1 – 2). Somit kann durch die folgende isobare Enthitzung und Kondensation (Bild 1, 2 – 3) die Wärme auf die Wärmesenke bzw. das Wärmenetz übertragen werden. Der Idealprozess endet mit der Entspannung des kondensierten Kältemittels in einer isenthalpen Drossel (Bild 1, 3 – 4).
Die Abweichungen des Realprozesses vom Idealprozess werden in Bild 2 deutlich. In den Wärmeübertragern treten Druckverluste auf, die Zustandsänderungen reichen bis in den unterkühlten respektive überhitzten Bereich und die Drossel verhält sich nicht ideal. Die Effizienz des Wärmepumpenprozesses ist im Wesentlichen von der für den Betrieb des Verdichters eingesetzten elektrischen Energie abhängig. Je größer das Verhältnis zwischen thermischer Nutzleistung und nötiger elektrischer Leistung (coefficient of performance, COP) ist, desto effizienter ist der Betrieb der Wärmepumpe.
Die Auswahl des Kältemittels kann ebenso einen großen Einfluss auf den Wärmepumpenbetrieb haben. Hier greift eine Vielzahl von Herstellern auf Ammoniak (NH3) zurück, da dieses besonders geeignete Stoffeigenschaften offeriert. Eine hohe Wärmekapazität und Verdampfungsenthalpie von Ammoniak führen dazu, dass ein vergleichsweise kleiner Massenstrom verwendet werden kann, der wiederum unmittelbar zu einer geringeren aufzubringenden Leistung des Verdichters führt. Außerdem ist von Vorteil, dass Ammoniak ein Treibhauspotenzial und Ozonabbaupotenzial von Null zugewiesen wird.
Um trotz hohen Temperaturhubs einen effizienten Betrieb realisieren zu können, ist der zuvor beschriebene Aufbau der Wärmepumpe entsprechend anzupassen. In diesem Fall eignet sich beispielsweise eine kaskadierte Wärmepumpe. Diese besteht im Prinzip aus zwei Wärmepumpen (ein Niederdruck- sowie ein Hochdruckkreislauf), die durch einem Wärmeübertrager verbunden sind. Der Wärmeübertrager nimmt im Fall des Niederdruckkreises die Funktion des Kondensators und im Fall des Hochdruckkreises die Funktion des Verdampfers ein. Ebenso ist die Realisierung eines Kreislaufs mit zwei Verdichterstufen möglich. Letztere Ausführung wirkt sich auf den Platzbedarf der Anlage positiv aus, da nur ein Kreislauf realisiert werden muss. Ebenso können Grädigkeitsverluste, die mit der Nutzung eines weiteren Wärmeübertragers einhergehen, vermieden und so höhere COP realisiert werden.