Wie funktioniert eine Wärmepumpe? Einfach erklärt

Mein Name ist Michael Schneider und ich bin seit über 15 Jahren als Experte im Bereich Heizungstechnik und erneuerbare Energien tätig. In dieser Zeit habe ich mich intensiv mit der Funktionsweise und den Vorteilen von Wärmepumpen beschäftigt. Wussten Sie, dass eine Wärmepumpe bis zu 75% der benötigten Energie aus der Umwelt gewinnen kann? Diese beeindruckende Effizienz macht sie zu einer der umweltfreundlichsten Heizungslösungen auf dem Markt.

In diesem Artikel werde ich Ihnen erklären, wie eine Wärmepumpe funktioniert und welche Vorteile sie bietet. Wir werden uns ansehen, wie die verschiedenen Wärmepumpenarten wie Luft-Wasser-Wärmepumpen und Sole-Wasser-Wärmepumpen arbeiten und was bei der Installation und Wartung zu beachten ist. Am Ende werden Sie verstehen, warum eine Wärmepumpe eine effiziente und nachhaltige Wahl für Ihr Zuhause sein kann.

Was ist eine Wärmepumpe?

Eine Wärmepumpe ist ein innovatives und umweltfreundliches Heizsystem, das die kostenlose Energie aus unserer Umgebung nutzt, um unsere Wohnräume zu beheizen und uns mit warmem Wasser zu versorgen. Durch ihre effiziente Funktionsweise ist die Wärmepumpe in der Lage, bis zu 75% der benötigten Heizenergie aus erneuerbaren Quellen zu gewinnen, wodurch sie einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz leistet.

Umweltfreundliches Heizsystem

Im Gegensatz zu herkömmlichen Heizungsanlagen, die fossile Brennstoffe wie Öl oder Gas verbrennen, arbeitet eine Wärmepumpenheizung mit einem umweltschonenden Prinzip. Sie entzieht der Umgebungsluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser Wärme und macht diese für das Heizen von Wohnräumen und die Erwärmung von Brauchwasser nutzbar. Dadurch reduziert sich der CO2-Ausstoß deutlich, was nicht nur der Umwelt zugutekommt, sondern auch den Geldbeutel schont.

Nutzung von Energie aus der Umwelt

Das Herzstück einer Wärmepumpe ist der Kältemittelkreislauf, der es ermöglicht, die in der Umwelt gespeicherte Wärmeenergie zu nutzen. Dabei wird ein Kältemittel durch die Wärmequelle (Luft, Erdreich oder Grundwasser) geleitet, wo es die vorhandene Wärme aufnimmt und verdampft. Anschließend wird das gasförmige Kältemittel komprimiert, wodurch sich seine Temperatur erhöht. Diese gewonnene Wärme wird dann über einen Wärmetauscher an das Heizungssystem abgegeben und kann so zum Heizen und zur Warmwasserbereitung verwendet werden.

Funktionsprinzip einer Wärmepumpenheizung

Das Funktionsprinzip einer Wärmepumpe basiert auf dem Entziehen von Energie aus der Umgebung und dem anschließenden Transport der gewonnenen Wärme in die Wohnräume. Dabei kann die Wärmepumpe die benötigte Energie aus verschiedenen Quellen beziehen, wie beispielsweise der Umgebungsluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser.

Entziehen von Energie aus Umgebungsluft, Erdreich oder Grundwasser

Je nach Art der Wärmepumpe wird die Energie aus unterschiedlichen Umweltquellen entzogen. Luft-Wasser-Wärmepumpen nutzen die in der Umgebungsluft gespeicherte Wärme, während Erdwärmepumpen die im Erdreich vorhandene Energie anzapfen. Wasser-Wasser-Wärmepumpen wiederum entziehen die Wärme aus dem Grundwasser. Obwohl sich die Energiequellen unterscheiden, bleibt das grundlegende Funktionsprinzip der Wärmepumpe stets gleich.

Transport der gewonnenen Wärme in Wohnräume

Nachdem die Wärmepumpe die Energie aus der Umgebung entzogen hat, macht sie die gewonnene Wärme nutzbar für Heizung und Warmwasser. Durch den Einsatz eines Kältemittels, das einen niedrigen Siedepunkt aufweist, kann die Wärmepumpe die Energie effizient aufnehmen und auf ein höheres Temperaturniveau anheben. Anschließend wird die Wärme über ein Wärmeverteilsystem, wie beispielsweise eine Fußbodenheizung oder Heizkörper, in die Wohnräume transportiert.

Durch die Nutzung der kostenlosen Umweltenergie kann eine Wärmepumpe auf einfache und effiziente Weise einen hohen Wärmekomfort im Haus erzielen. Das Funktionsprinzip der Wärmepumpe ermöglicht es, die in der Umgebung vorhandene Energie optimal zu nutzen und somit einen wertvollen Beitrag zur Reduzierung des Energieverbrauchs und der CO2-Emissionen zu leisten.

Vergleich mit einem Kühlschrank

Die Funktionsweise einer Wärmepumpe lässt sich am besten mit der eines Kühlschranks vergleichen. Beide Geräte basieren auf dem gleichen Prinzip, jedoch mit unterschiedlichen Zielen. Während ein Kühlschrank das Wärmepumpe Kühlschrankprinzip nutzt, um Kälte zu erzeugen und den Innenraum zu kühlen, verwendet eine Wärmepumpe dasselbe Prinzip, um Wärme zu erzeugen und Wohnräume zu beheizen.

Der Hauptunterschied liegt darin, dass ein Kühlschrank die Wärme aus seinem Inneren nach außen abführt, um die Lebensmittel kühl zu halten. Eine Wärmepumpe hingegen entzieht die Wärme aus der Umgebung außerhalb des Hauses und leitet sie in die Wohnräume, um diese zu beheizen. Obwohl das Ziel unterschiedlich ist, bleibt das zugrunde liegende Prinzip gleich.

Hier ist ein Vergleich der Funktionsweise von Kühlschrank und Wärmepumpe:

Während ein Kühlschrank speziell darauf ausgelegt ist, Kälte zu erzeugen, ist eine Wärmepumpe in der Lage, effizient Wärme zu erzeugen. Beide Geräte nutzen das Wärmepumpe Kühlschrankprinzip, um ihre jeweilige Aufgabe zu erfüllen, indem sie Wärme von einem Ort zum anderen transportieren.

Aufbau einer Wärmepumpen-Heizungsanlage

Der Aufbau einer Wärmepumpen-Heizungsanlage besteht aus drei wesentlichen Komponenten, die im Zusammenspiel die effiziente Nutzung von Umweltenergie ermöglichen. Jeder Bestandteil der Wärmepumpe erfüllt dabei eine spezifische Funktion, um ein umweltfreundliches und kostensparendes Heizsystem zu gewährleisten.

Wärmequelle

Die Wärmequelle bildet das Fundament einer jeden Wärmepumpe. Sie entzieht der Umgebung, sei es Luft, Erde oder Grundwasser, die benötigte Energie. Diese natürlichen Wärmequellen stehen in der Regel kostenlos und in ausreichender Menge zur Verfügung, wodurch der Einsatz einer Wärmepumpe besonders wirtschaftlich ist.

Wärmepumpe

Das Herzstück der Anlage ist die Wärmepumpe selbst. Sie macht die gewonnene Umweltwärme durch ein ausgeklügeltes System, bestehend aus Verdampfer, Kompressor, Verflüssiger und Expansionsventil, nutzbar. Durch die Wärmepumpen-Technologie wird die niedertemperierte Energie auf ein höheres, für Heizzwecke geeignetes Temperaturniveau angehoben.

Wärmeverteil- und Speichersystem

Das Wärmeverteil- und Speichersystem übernimmt schließlich die Aufgabe, die gewonnene Wärme zu speichern und bedarfsgerecht in die Wohnräume zu verteilen. Hierfür kommen häufig Pufferspeicher und Fußbodenheizungen zum Einsatz, die eine gleichmäßige und angenehme Wärmeabgabe sicherstellen.

Nur im perfekten Zusammenspiel aller Bestandteile kann eine Wärmepumpe ihr volles Potenzial entfalten und zu einer nachhaltigen und effizienten Wärmeversorgung beitragen.

Wie funktioniert eine Wärmepumpe? Der Kältemittelkreislauf erklärt

Das Herzstück einer Wärmepumpe ist der Kältemittelkreislauf, der durch vier Hauptkomponenten gekennzeichnet ist: Verdampfer, Verdichter, Verflüssiger und Expansionsventil. In diesem geschlossenen System zirkuliert ein Kältemittel, das die Wärme aus der Umgebung aufnimmt und ins Haus transportiert. Schauen wir uns die einzelnen Schritte genauer an, um zu verstehen, wie eine Wärmepumpe funktioniert.

Verdampfen

Im Verdampfer nimmt das flüssige Kältemittel die Wärme aus der Umgebung (Luft, Erdreich oder Wasser) auf. Durch diese Wärmeaufnahme verdampft das Kältemittel und geht in den gasförmigen Zustand über. Die Verdampfungstemperatur liegt dabei unter der Umgebungstemperatur, was die Wärmeaufnahme ermöglicht.

Verdichten

Das gasförmige Kältemittel gelangt nun in den Verdichter, auch Kompressor genannt. Hier wird das Gas zusammengedrückt, wodurch sich der Druck und die Temperatur stark erhöhen. Das Kältemittel erreicht dabei Temperaturen von bis zu 80°C, was deutlich über der benötigten Heizungstemperatur liegt.

Verflüssigen

Im nächsten Schritt fließt das heiße, gasförmige Kältemittel in den Verflüssiger, auch Kondensator genannt. Hier gibt das Kältemittel seine Wärme an das Heizungssystem ab und kühlt dabei ab. Durch die Abkühlung kondensiert das gasförmige Kältemittel und wird wieder flüssig.

Entspannen

Das flüssige Kältemittel gelangt nun zum Expansionsventil. Hier wird der Druck des Kältemittels schlagartig gesenkt, wodurch es stark abkühlt und teilweise verdampft. Das kalte, teilweise gasförmige Kältemittel fließt zurück zum Verdampfer, wo der Kreislauf von vorne beginnt.

Der Kältemittelkreislauf einer Wärmepumpe lässt sich anhand der folgenden Tabelle zusammenfassen:

Durch diesen kontinuierlichen Kreislauf kann eine Wärmepumpe effizient Wärme aus der Umgebung aufnehmen und für die Beheizung von Gebäuden nutzbar machen. Die Wahl des Kältemittels spielt dabei eine entscheidende Rolle für die Effizienz und Umweltverträglichkeit des Systems.

Funktion einer Luft-Wasser-Wärmepumpe

Die Luft-Wasser-Wärmepumpe nutzt die thermische Energie der Außenluft als Wärmequelle. Durch das einfache Aufstellen des Gerätes wird die Luft erschlossen, was einen geringen baulichen Aufwand erfordert. Die Funktion einer Luft-Wasser-Wärmepumpe basiert auf folgenden Schritten:

1. Die Außeneinheit der Wärmepumpe saugt die Umgebungsluft durch einen Ventilator an.
2. Das in der Wärmepumpe enthaltene Kältemittel nimmt die Wärme aus der angesaugten Luft auf und verdampft.
3. Der Kompressor verdichtet das gasförmige Kältemittel, wodurch sich dessen Temperatur erhöht.
4. Das erhitzte Kältemittel gibt seine Wärme im Verflüssiger an das Heizungswasser ab und kondensiert dabei.
5. Das Expansionsventil entspannt das flüssige Kältemittel, wodurch es wieder verdampft und der Kreislauf von Neuem beginnt.

Da die Lufttemperatur nicht konstant ist, sondern sich mit der Jahreszeit verändert, muss das Wärmepumpensystem diese Temperaturunterschiede ausgleichen. Je kälter die angesaugte Außenluft ist, desto stärker muss das Kältemittel erhitzt werden, damit das Heizungswasser die benötigte Vorlauftemperatur erreicht.

Die Effizienz einer Luft-Wasser-Wärmepumpe hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie der Außentemperatur, der Vorlauftemperatur des Heizungssystems und der Qualität der Wärmepumpe selbst.

Die Tabelle zeigt, wie sich die Leistungszahl (COP) einer Luft-Wasser-Wärmepumpe in Abhängigkeit von der Außentemperatur und der Vorlauftemperatur des Heizungssystems verändert. Je höher die Außentemperatur und je niedriger die Vorlauftemperatur, desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe.

Wie funktioniert eine Erdwärmepumpe?

Eine Erdwärmepumpe nutzt die im Erdreich gespeicherte Wärme, um Gebäude zu heizen und mit Warmwasser zu versorgen. Die Funktionsweise einer Erdwärmepumpe basiert auf dem Prinzip der Geothermie, bei dem die thermische Energie aus dem Erdboden genutzt wird.

Prinzip der Geothermie

Die Erdwärmepumpe geothermie macht sich zunutze, dass die Temperaturen im Erdreich ab einer bestimmten Tiefe das ganze Jahr über relativ konstant bleiben. Diese gespeicherte Wärme kann mithilfe von Erdsonden oder Erdkollektoren erschlossen und zum Heizen genutzt werden. Durch die konstanten Temperaturen im Erdreich arbeitet eine Erdwärmepumpe besonders effizient und erreicht hohe Jahresarbeitszahlen.

Erdsonden oder Erdkollektoren

Um die Wärme aus dem Erdreich zu gewinnen, kommen bei einer Erdwärmepumpe erdsonden oder Erdkollektoren zum Einsatz. Erdsonden werden in vertikale Bohrlöcher eingebracht, die bis zu 100 Meter tief sein können. In den Sonden zirkuliert eine Sole, die die Wärme aus dem Erdreich aufnimmt und zur Wärmepumpe transportiert. Erdkollektoren hingegen werden horizontal in einer Tiefe von etwa 1,5 Metern verlegt. Sie bestehen aus einem Netz von Rohren, durch das ebenfalls eine Sole fließt, um die Wärme aus dem Erdreich aufzunehmen.

Die gewonnene Wärme wird im Wärmepumpen-Kreisprozess in nutzbare Energie zum Heizen und zur Warmwasserbereitung umgewandelt. Dank der effizienten Funktion einer Erdwärmepumpe lassen sich hohe Einsparungen bei den Heizkosten erzielen und gleichzeitig die Umwelt schonen.

Funktion einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe

Eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe, auch als Grundwasser-Wärmepumpe bekannt, nutzt die thermische Energie des Grundwassers als Wärmequelle. Die wasser-wasser-wärmepumpe funktion basiert auf dem Prinzip, dass Grundwasser eine konstant hohe Temperatur aufweist, die für den effizienten Betrieb der Wärmepumpe genutzt werden kann.

Für den Betrieb einer wasser-wasser-wärmepumpe grundwasser werden zwei Brunnen benötigt: ein Saugbrunnen und ein Schluckbrunnen. Der Saugbrunnen entnimmt das Grundwasser, das dann durch die Wärmepumpe geleitet wird. Dort wird die Wärmeenergie aus dem Wasser entzogen und auf ein höheres Temperaturniveau angehoben. Das abgekühlte Wasser wird anschließend über den Schluckbrunnen wieder in das Erdreich zurückgeführt.

Dank der konstant hohen Temperaturen im Grundwasser gilt die Wasser-Wasser-Wärmepumpe als die effizienteste Art von Wärmepumpen. Die wasser-wasser-wärmepumpe effizienz liegt in der Regel höher als bei Luft-Wasser- oder Erdwärmepumpen, da die Temperaturunterschiede zwischen Wärmequelle und Heizungssystem geringer sind.

Allerdings ist die Installation einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe nicht überall möglich, da ausreichend Grundwasser verfügbar sein muss. Zudem sind die Investitionskosten durch die notwendigen Brunnenbohrungen höher als bei anderen Wärmepumpentypen. Auch müssen behördliche Genehmigungen für die Nutzung des Grundwassers eingeholt werden.

Wärmepumpen im Winter

Eine häufig gestellte Frage lautet, ob Wärmepumpen auch im Winter effizient arbeiten können, wenn die Außentemperaturen sinken. Die gute Nachricht ist, dass moderne Wärmepumpen selbst bei niedrigen Temperaturen zuverlässig funktionieren und das Haus mit ausreichend Wärme versorgen.

Konstante Temperaturen im Erdreich und Grundwasser

Erdwärmepumpen und Wasser-Wasser-Wärmepumpen profitieren von den konstanten Temperaturen im Erdreich und Grundwasser. Unabhängig von der Jahreszeit bleibt die Temperatur in einer bestimmten Tiefe relativ stabil, sodass die Wärmepumpe auch im Winter genügend Energie aus diesen Quellen gewinnen kann. Dies gewährleistet eine kontinuierliche und effiziente Wärmeversorgung, selbst wenn die Außenluft deutlich kälter ist.

Einsatz eines elektrischen Heizstabs bei extremen Minusgraden

Luft-Wasser-Wärmepumpen, die ihre Energie aus der Umgebungsluft beziehen, können bei extrem niedrigen Temperaturen bis zu -20 °C an ihre Grenzen stoßen. Um die Leistung der Wärmepumpe in solchen Fällen zu unterstützen, wird häufig ein elektrischer Heizstab als Zusatzheizung eingesetzt. Dieser schaltet sich automatisch zu, wenn die Außentemperatur einen bestimmten Wert unterschreitet, und sorgt dafür, dass die Wärmepumpe weiterhin effektiv arbeiten kann.

Der Einsatz des Heizstabs ist jedoch nur in Ausnahmefällen notwendig, da moderne Wärmepumpen auch bei Minusgraden noch eine hohe Effizienz aufweisen. Durch die Kombination aus leistungsstarker Wärmepumpe und unterstützendem Heizstab bleibt das Heizsystem selbst bei strengem Frost zuverlässig und sorgt für angenehme Temperaturen im Haus.

Kühlen mit einer Wärmepumpe

Eine Wärmepumpe mit Kühlfunktion, auch als reversible Wärmepumpe bekannt, ermöglicht es Ihnen, Ihre Räume nicht nur zu heizen, sondern auch zu kühlen. Diese innovative Technologie macht den Einsatz einer separaten Klimaanlage überflüssig und bietet eine umweltfreundliche Lösung für ganzjährigen Komfort in Ihrem Zuhause.

Die Kühlung mit einer Wärmepumpe funktioniert nach demselben Prinzip wie die Wärmeerzeugung, jedoch mit einem umgekehrten Kältemittelkreislauf. Anstatt Wärme aus der Umgebung aufzunehmen und in den Wohnraum zu transportieren, entzieht die Wärmepumpe als Klimaanlage die Wärme aus den Räumen und gibt sie nach außen ab. Dadurch kühlt sich das Heizsystem ab und sorgt für ein angenehmes Raumklima an heißen Sommertagen.

Es ist wichtig zu beachten, dass der Kühleffekt einer reversiblen Wärmepumpe nicht so stark ist wie bei einer herkömmlichen Klimaanlage. Um eine optimale Kühlleistung zu erzielen, sollte das Heizsystem perfekt auf die Wärmepumpe abgestimmt sein. Fußbodenheizungen eignen sich besonders gut für die Kühlung mit einer Wärmepumpe, da sie eine große Fläche für den Wärmeaustausch bieten.

Bei vielen Wärmepumpenmodellen lässt sich die Kühlfunktion auch nachträglich installieren. So können Sie Ihr bestehendes Heizsystem um die Möglichkeit der Kühlung erweitern und von den Vorteilen einer reversiblen Wärmepumpe profitieren, ohne gleich eine komplett neue Anlage anschaffen zu müssen.

Wärmepumpen-Kältemittel

Das Kältemittel spielt eine entscheidende Rolle für die effiziente Funktionsweise einer Wärmepumpe. Es ist verantwortlich für den Transport der Wärmeenergie von der Umwelt in die Wohnräume. Dabei muss das Kältemittel bestimmte Eigenschaften aufweisen, um den Anforderungen einer Wärmepumpe gerecht zu werden.

Niedriger Siedepunkt

Eine wichtige Eigenschaft des Kältemittels in einer Wärmepumpe ist der niedrige Siedepunkt. Dieser ermöglicht es dem Kältemittel, bereits bei sehr niedrigen Temperaturen von der flüssigen in die gasförmige Phase überzugehen. So kann die Wärmepumpe selbst bei Außentemperaturen von bis zu minus 20 Grad Celsius noch effektiv arbeiten und genügend Wärme für die Beheizung der Wohnräume bereitstellen.

Natürliches Kältemittel Propan (R290)

In modernen Wärmepumpen kommt vermehrt das natürliche Kältemittel Propan (R290) zum Einsatz. Es zeichnet sich durch hervorragende thermodynamische Eigenschaften aus und steht den herkömmlichen synthetischen Kältemitteln in nichts nach. Propan hat einen sehr niedrigen Siedepunkt und eignet sich daher ideal für den Einsatz in Wärmepumpen.

Wie die Tabelle zeigt, zeichnet sich Propan durch einen besonders niedrigen Siedepunkt aus, der es für den Einsatz in Wärmepumpen prädestiniert. Namhafte Hersteller wie Viessmann setzen in ihren neuesten Wärmepumpen-Generationen auf dieses umweltfreundliche und effiziente Kältemittel.

Fazit

Wärmepumpen bieten eine effiziente und umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen Heizsystemen. Durch die Nutzung von Energie aus der Umgebung, wie Luft, Erdreich oder Grundwasser, können sie Wärme für Wohnräume bereitstellen und gleichzeitig den CO₂-Ausstoß reduzieren. Die Vorteile von Wärmepumpen liegen nicht nur in ihrer Wirtschaftlichkeit und den dauerhaft niedrigen Heizkosten, sondern auch in ihrem Beitrag zum Klimaschutz.

Im Vergleich zu fossilen Energieträgern wie Erdgas oder Erdöl, die bei der Verbrennung CO₂ freisetzen, arbeiten Wärmepumpen umweltfreundlich und emissionsfrei. Durch den Einsatz von erneuerbaren Energien und der effizienten Nutzung von Umweltwärme leisten Wärmepumpen einen wertvollen Beitrag zur Reduktion von Treibhausgasen und zum Erreichen der Klimaziele.

Ein weiterer Pluspunkt ist die staatliche Förderung für Wärmepumpen. Da die Bundesregierung die Wichtigkeit von erneuerbaren Energien und energieeffizienten Heizsystemen erkannt hat, werden Hausbesitzer beim Kauf und der Installation einer Wärmepumpe finanziell unterstützt. Diese Fördermaßnahmen machen die Investition in eine zukunftsorientierte Heizungstechnologie noch attraktiver und tragen dazu bei, dass immer mehr Menschen auf Wärmepumpen setzen.

Quellenverweise

• https://www.bosch-homecomfort.com/de/de/wohngebaeude/wissen/heizungsratgeber/waermepumpe/waermepumpe-funktion/
• https://www.bosch-homecomfort.com/at/de/wohngebaeude/wissen/heizungsratgeber/waermepumpe/waermepumpe-funktion/
• https://www.viessmann.de/de/wissen/technik-und-systeme/waermepumpe/funktion.html