Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Die Unterrichtseinheit führt in den Aufbau und die Funktionsweise von Wärmepumpen und dabei auch auf ihre verschiedenen Arten (Sole-Wasser-, Wasser-Wasser- und Luft-Wasser-Wärmepumpe) in drei Teilen ein. Kreativ festigen die Schülerinnen und Schüler das Erlernte durch Neu-Vertonung eines Erklärfilms. Lehrkräften stehen hierzu drei Arbeitsblätter mit Lösungen zur Verfügung.

Unterrichtseinheit
  • Physik / Astronomie / Technik / Sache & Technik
  • Sekundarstufe I
  • 3-4 Unterrichtsstunden
  • Arbeitsblatt, Arbeitsblatt interaktiv, Ablaufplan
  • 3 Arbeitsmaterialien

Beschreibung der Unterrichtseinheit

Erneuerbare Energien

Die Begriffe "Erneuerbare Energien", "Fossile Energien" und "Energie" kennen die Schülerinnen und Schüler bereits aus dem Alltag und eventuell anderen Schulfächern. Deswegen wird vorab das Grundwissen zum Thema "Erneuerbare Energien" abgefragt. Das kann im Plenum erfolgen. Anschließend werden die Begriffe sortiert und in eine Reihenfolge gebracht (zum Beispiel: Welche erneuerbare Energie wird am meisten genutzt, welche weniger?).

Wärmepumpen und Klimaschutz

Im nächsten Teil der Unterrichtseinheit erwerben die Schülerinnen und Schüler ein erweitertes Verständnis über die Funktion und den Aufbau einer Wärmepumpe und was eine Wärmepumpe mit nachhaltiger Energie zu tun hat.

Als Einstieg kann die Aussage des Bundesverbandes Wärmepumpe e. V. genutzt werden: "Mit der Wärmepumpe heizen Sie klimafreundlich und zukunftssicher". Hier bietet sich die Think-Pair-Share-Methode an. Die Gruppenmitglieder diskutieren abschließend ihre Aussagen und Ergebnisse. Die Aussage zum Schluss soll zum Ende der Unterrichtseinheit nochmal verglichen werden.

Im nächsten Teil des Unterrichtsverlaufes erhalten die Schülerinnen und Schüler die bereitgestellten Arbeitsblätter und erarbeiten sich das Thema Wärmepumpe mit den Aufgabenblättern und den darin enthaltenen Film-Tipps. In dieser Phase erwerben die Schülerinnen und Schüler Wissen über den Aufbau und die Wirkungsweise einer Wärmepumpe. Sie erfahren, dass zur Wirkungsweise ein geschlossener Kreislauf aus einem Verdichter, einem Verdampfer, einem Verflüssiger und einem Expansionsventil gehören. Den Lernenden wird bewusst, dass diese Technik auch bei einem Kühlschrank angewendet wird, nur andersherum.

Hintergrundinformation

Das Grundprinzip, der Joule-Thomson-Effekt, wurde bereits im 19. Jahrhundert von dem Physiker William Thomson, dem späteren Lord Kelvin gefunden. Der Joule-Thomson-Effekt bewirkt die Abnahme der Temperatur bei realen Gasen, wenn diese gegen einen geringeren Druck ausdehnen. Vorab wird das gasförmige Arbeitsmittel im Verdampfer durch eine Pumpe verdichtet, dadurch wird die Temperatur erhöht. Diese Wärme wird in einem Wärmekreislauf abgegeben, um damit ein Gebäude zu heizen. Anschließend strömt das Gas zu einem Expansionsventil, der Druck wird verringert und die Siedetemperatur sinkt. Temperatur ist also nichts anderes als Bewegungsenergie, sie nimmt zu, je wärmer es wird, da sich die Teilchen schneller bewegen müssen. Sie nimmt ab, wenn das Volumen sich vergrößert und somit die Abstände der Gasteilchen zunehmen.

Film ab! Wärmepumpe neu vertont

Im weiteren Verlauf der Unterrichtseinheit wird ein Film zur Wärmepumpe mit eigenen Worten neu vertont – per App und Schnittprogramm oder aber, indem parallel zum stummgeschalteten Film der eigens erstellte Text vorgetragen wird. Alternativ kann ein Erklärfilm (im Rahmen einer Projektarbeit oder -woche) selbst (im schulischen Computerraum) erstellt und präsentiert. Weiterhin ist auch das Produzieren eines Podcast möglich. Zur Hilfe kann dabei auf dem zweiten Arbeitsblatt der Text zur Funktionsweise einer Wärmepumpe genommen werden, der die wichtigsten Abläufe Verdampfen, Verdichten, Verflüssigen und Entspannen des Kältemittels kurz erklärt. Abschließend werden die Aussagen der Gruppenmitglieder, die am Anfang der Unterrichtseinheit festgehalten worden sind, noch einmal verglichen oder revidiert.

Unterrichtsablauf

Inhalt
Sozial- / Aktionsform

Didaktisch-methodischer Kommentar

Ein Drittel der Energie verbraucht Deutschland für das Heizen und die Warmwasserbereitung. Aktuell herrschen Öl- und Gasheizungen vor. Diese gehören noch zu den fossilen Energieträgern. Gerade jetzt, in der aktuellen Energiekrise, stellt man fest, wie abhängig Deutschland von den fossilen Energien ist.

Eine Klimawende kann aber nur mit umweltschonender Heizung gelingen. Deswegen plant die Bundesregierung die Installation von Wärmepumpen zu fördern. Hierzu werden Anlagemechaniker/-innen für Sanitär-, Heizungs- und Klimatechnik benötigt, die die Heizungstechnik auf den neuesten Stand bringen müssen, auch bei der Planung und dem Einbau von Wärmepumpen.

Im Rahmen dieser Unterrichtsreihe soll das Heizen mit der Wärmepumpe besprochen und vertieft werden. Deswegen ist es wichtig, dass die Schülerinnen und Schüler wissen, welche Aggregatzustände es gibt. Außerdem sollte bekannt sein, dass es unterschiedliche Energien gibt und wie diese auf vielfältige Weise gespeichert werden können. Energieumwandlungen treten bei allen Vorgängen in der Natur sowie in der Technik auf und tragen dadurch entscheidend zu Alltag und Umwelt bei.

In dieser Unterrichtsreihe sollen die Merkmale des guten Unterrichts umgesetzt werden. Das setzt unter anderem eine Regulierung des Lerntempos und der Methodenvielfalt voraus. Dazu gehört die Arbeit im Plenum, kooperatives Lernen wie Think-Pare-Share und Kreativitätsmethoden wie das Erstellen von Texten, Videos oder Podcasts.

Unterrichtsmaterial "Was ist eine Wärmepumpe?" zum Download

Gesamtdownload

Vermittelte Kompetenzen

Fachkompetenz

Die Schülerinnen und Schüler

  • beschreiben regenerative Wärmequellen und wie diese genutzt werden.
  • können erklären, wie eine Wärmepumpe funktioniert.
  • übertragen ihr Wissen auf nachhaltiges Handeln in der Industrie und im Haushalt.

Medienkompetenz

Die Schülerinnen und Schüler

  • lernen verschiedene digitale Werkzeuge und deren Funktionsumfang kennen und können diese kreativ und reflektiert einsetzen.
  • können Informationsrecherchen zielgerichtet durchführen und dabei Suchstrategien anwenden.

Sozialkompetenz

Die Schülerinnen und Schüler arbeiten kooperativ im Plenum und in Gruppenarbeiten.

Portalanbieter

Kooperationspartner

Anbieter der Unterrichtseinheit

Autor

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Dirk Trapphagen

Dirk Trapphagen ist ausgebildeter Bauingenieur und engagiert sich seit einigen Jahren in der beruflichen Orientierung und Perspektive für Schülerinnen und Schüler. Als freier Autor und Dozent in Naturwissenschaften erstellt er analoge Medien im Bildungsbereich.