Wärmepumpe leicht erklärt: So funktioniert sie!

Die Funktionsweise einer Wärmepumpe

Eine Wärmepumpe stellt ein hocheffizientes Heizsystem dar, das Umweltwärme nutzt, um Gebäude zu heizen oder Warmwasser bereitzustellen. Die Funktionsweise einer Wärmepumpe lässt sich in einen thermodynamischen Prozess mit vier Hauptschritten unterteilen.

1. Wärmeaufnahme: Der Prozess beginnt mit der Aufnahme von Wärme aus der Umgebung, welche über Luft, Erdreich oder Grundwasser gewonnen wird. In einem Verdampfer zirkuliert ein spezielles Kältemittel, das bereits bei niedrigen Temperaturen verdampfen kann. Dabei absorbiert das Kältemittel die Wärme aus der Umwelt und geht in den gasförmigen Zustand über.
2. Verdichtung: Nachdem die Wärme aufgenommen wurde, gelangt das gasförmige Kältemittel in den Kompressor, der den Verdichter darstellt. In diesem Schritt wird der Druck und die Temperatur des Kältemittels erhöht. Diese Verdichtung ist entscheidend, da die Temperatur des Kältemittels so stark ansteigt, dass sie ausreicht, um das Heizsystem zu speisen.
3. Wärmeübertragung: Im dritten Schritt wird das hoch erhitzte, gasförmige Kältemittel in den Verflüssiger geleitet. Dort gibt es seine Wärme, meist in Form von warmem Wasser, an das Heizsystem ab. Während dieses Vorgangs kühlt das Kältemittel ab und wird wieder flüssig.
4. Druckreduzierung: Schließlich gelangt das flüssige Kältemittel durch ein Expansionsventil. In diesem Schritt wird der Druck verringert, was zu einer weiteren Abkühlung des Kältemittels führt, bis es wieder seine ursprüngliche flüssige Form erreicht. Danach beginnt der Kreislauf von vorne.

Die effiziente Nutzung von Umweltwärme ermöglicht es einer Wärmepumpe, für den Heizprozess lediglich einen kleinen Anteil an externer elektrischer Energie zu benötigen, während sie gleichzeitig ein Vielfaches an Wärme aus der Umwelt nutzt. Dies macht Wärmepumpen besonders umweltfreundlich und kosteneffizient, besonders wenn sie mit Strom aus erneuerbaren Energien betrieben werden.

Die verschiedenen Wärmepumpenarten

Wärmepumpen differenzieren sich in mehrere Kategorien, abhängig von der Energiequelle, aus der sie Wärme gewinnen. Jede Art bringt spezifische Vorzüge und Anforderungen mit sich, die bei der Auswahl eines Systems berücksichtigt werden sollten.

1. Luft-Wasser-Wärmepumpe

Diese Systeme nutzen die Außenluft als Wärmequelle. Sie erfordern im Vergleich zu anderen Wärmepumpenarten geringere bauliche Maßnahmen, da keine Erdarbeiten oder Brunnenbohrungen notwendig sind. Die Energie wird über eine Außeneinheit aufgenommen und zur Inneneinheit transportiert, wo die Wärme an das Heizsystem abgegeben wird. Luft-Wasser-Wärmepumpen gibt es sowohl als Monoblock- als auch als Split-Version, wobei erstere alle Komponenten in einer Einheit vereint und letztgenannte die Komponenten in zwei getrennten Einheiten unterbringt.

2. Erdwärmepumpe (Sole-Wasser-Wärmepumpe)

Diese Art von Wärmepumpe nutzt die konstante Temperatur des Erdreichs. Dazu kommen entweder horizontale Erdkollektoren oder vertikale Erdsonden zum Einsatz, um Wärme aus den oberen oder tiefer liegenden Erdschichten zu entziehen. Diese Systeme sind besonders effektiv, da die Temperatur im Erdreich das ganze Jahr über stabil bleibt. Allerdings kann die Installation komplex und kostspielig sein.

3. Wasser-Wasser-Wärmepumpe

Diese Variante, auch als Grundwasser-Wärmepumpe bekannt, gewinnt Wärme aus dem Grundwasser oder aus stehenden sowie fließenden Gewässern. In der Regel sind zwei Brunnen erforderlich: ein Saugbrunnen zur Entnahme des Grundwassers und ein Schluckbrunnen zur Rückführung des gekühlten Wassers. Ihre Effizienz ist aufgrund der konstanten Temperaturen im Grundwasser hoch, doch die Installation benötigt spezielle Genehmigungen und ist nicht überall möglich.

4. Luft-Luft-Wärmepumpe

Diese weniger verbreitete Variante nutzt die Luft als Wärmequelle, um diese direkt an die Luftverteilungssysteme im Innenraum abzugeben. Diese Systeme sind hauptsächlich als Heiz- und Kühlalternative in Neubauten oder ergänzend in Bestandsgebäuden nützlich. In der Regel können sie die Funktion von Klimaanlagen übernehmen.

Die Auswahl der geeigneten Wärmepumpenart hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie den baulichen Gegebenheiten, den individuellen Heizbedürfnissen und den finanziellen Möglichkeiten. Zudem sollten Sie sich über lokale Bedingungen informieren, da diese die Zugänglichkeit und Effizienz der jeweiligen Art beeinflussen können.

Der Kältekreisprozess: Das Herzstück der Wärmepumpe

Der Kältekreisprozess bildet den zentralen Mechanismus jeder Wärmepumpe, unabhängig von der genutzten Wärmequelle. Der Prozess kann in vier Schritte unterteilt werden, die sicherstellen, dass die Umweltenergie effizient in Wärme umgewandelt wird.

1. Wärmeaufnahme: Im Verdampfer absorbiert das flüssige Kältemittel Wärme aus der Umgebung. Der Kontakt mit warmer Luft oder Erde führt dazu, dass das Kältemittel verdampft und in den gasförmigen Zustand übergeht.
2. Verdichtung: Das gasförmige Kältemittel gelangt in einen Kompressor, welcher den Druck und die Temperatur signifikant erhöht. Dieser Schritt ist entscheidend, um die Wärmeenergie auf ein Niveau zu bringen, das für die Beheizung ausreichend ist.
3. Wärmeabgabe: Das heiße Kältemittel strömt in den Verflüssiger. Hier gibt es die Wärme an das Heizsystem ab, meist in Form von heißem Wasser. Während dieser Wärmeübertragung kühlt das Kältemittel ab und wechselt zurück in den flüssigen Zustand.
4. Druckreduzierung: Das abgekühlte, flüssige Kältemittel fließt zu einem Expansionsventil. Dort wird der Druck abgesenkt, wodurch das Kältemittel weitere abkühlt. Mit dieser Drucksenkung kehrt es in seinen ursprünglichen Zustand zurück und der Kreislauf beginnt erneut.

Durch diese ständigen Zyklen wird Wärme sowohl für die Beheizung von Räumen als auch für die Warmwasserbereitung bereitgestellt. Eine gut dimensionierte Wärmepumpe kann etwa 75 % Umweltenergie verwerten und benötigt lediglich 25 % elektrische Energie, was sie zu einer nachhaltigen Heizlösung macht.

Wärmepumpen im Winter

Im Winter stellen Wärmepumpen eine verlässliche und effiziente Heizlösung dar, sogar bei extremen Kältebedingungen. Besonders effektiv sind Erd- und Grundwasserwärmepumpen, die konstant Temperaturen in der Erde und im Grundwasser nutzen. Sie behalten ihre Effizienz auch bei frostigen Außentemperaturen.

Die Luft-Wasser-Wärmepumpe wird häufig als beliebteste Option in Haushalten gewählt, da ihre Installation vergleichsweise unkompliziert ist. Allerdings kann die Effizienz dieser Systeme bei stark gesunkenen Außentemperaturen abnehmen. In solchen Fällen können zusätzliche Heizstäbe eingeschaltet werden, um eine konstante Raumtemperatur aufrechtzuerhalten.

Wichtige Faktoren für den Betrieb im Winter

• Temperaturgrenzen: Viele Wärmepumpen können bis zu -20°C effizient arbeiten.
• Stromverbrauch: In den kalten Monaten kann der Stromverbrauch erheblich ansteigen, oft zwischen 10 und 30 kWh pro Tag. In der Regel machen die Wintermonate 50 bis 75 % des jährlichen Stromverbrauchs der Wärmepumpe aus.
• Wartung: Regelmäßige Wartung ist entscheidend für die Leistungsfähigkeit der Wärmepumpe im Winter. Wartungsarbeiten sollten an das Heizsystem angepasst und Frostschutzmaßnahmen sollten in Betracht gezogen werden.
• Kombination mit erneuerbaren Energien: Durch den Einsatz von Solarstrom kann die Effizienz der Wärmepumpe deutlich gesteigert werden, was sowohl Kostenvorteile als auch Umweltvorteile bietet.

Die Entscheidung für eine Wärmepumpe als Heizsystem kann nicht nur Ihre Energiekosten senken, sondern auch einen bedeutenden Beitrag zum Umweltschutz leisten, indem sie den Verbrauch fossiler Brennstoffe reduziert. Durch die Wahl einer passenden Wärmepumpentechnologie kann auch in den kältesten Monaten eine angenehme Wärme in Ihrem Zuhause gewährleistet werden.

Kühlen mit der Wärmepumpe

Die Anwendung von Wärmepumpen beschränkt sich nicht nur auf die Beheizung von Wohnräumen; sie bieten auch eine effektive Methode, um im Sommer kühlere Temperaturen zu erreichen. Dies geschieht durch die Umkehrung des Kälteprozesses der Wärmepumpe: Anstelle von Wärmeentnahme für das Heizen wird bei der Kühlung die Wärme aus dem Innenraum des Hauses nach draußen abgeführt.

Durch das Kühlen mit der Wärmepumpe können Sie zwischen zwei Hauptmethoden wählen:

1. Aktive Kühlung: Bei dieser Methode wird der Kältekreislauf der Wärmepumpe umgeschaltet. Die Wärmepumpe funktioniert ähnlich einer Klimaanlage und kann mit geringem Aufwand umgebaut werden, um die Wärme aus dem Raum abzuleiten. Diese Methode erweist sich als besonders effizient, wenn Fußbodenheizungen eingesetzt werden, da diese das System optimal zur Kühlung nutzen können.
2. Passive Kühlung: Diese Methode lässt die Wärmepumpe im Wesentlichen im Heizmodus, ohne sie aktiv zu betreiben. Stattdessen wird die überschüssige Wärme, die möglicherweise in der Wohnung entsteht, durch das vorhandene Kühlsystem abgeleitet. In gut isolierten Gebäuden kann dieser Ansatz ebenfalls effektiv sein.

Die Kühlung mit einer Wärmepumpe bringt zahlreiche Vorteile mit sich, darunter:

• Energieeffizienz: Wärmepumpen sind in der Regel energieeffizienter als herkömmliche Klimaanlagen, da sie auch die Umweltwärme zur Kühlung nutzen.
• Umweltfreundlichkeit: Sie tragen zur Reduzierung von CO₂-Emissionen bei, da sie keine fossilen Brennstoffe konsumieren. Die Nachhaltigkeit erhöht sich zusätzlich, wenn Strom aus erneuerbaren Energiequellen verwendet wird.
• Kosteneffizienz: Obwohl die anfänglichen Investitionen für eine Wärmepumpe höher sein können, amortisieren sich die Kosten in der Regel über die Jahre durch niedrigere Betriebskosten im Vergleich zu herkömmlichen Klimaanlagen.

Vor der Entscheidung für die Kühlfunktion einer Wärmepumpe sollten einige Voraussetzungen beachtet werden:

• Geeignetes Heizsystem: Achten Sie darauf, dass Ihre Heizkörper oder das Fußbodenheizungssystem auf die Kühlbedürfnisse ausgerichtet sind, um eine effektive Temperaturregulierung sicherzustellen.
• Isolierung: Ein gut isoliertes Gebäude optimiert die Effizienz des Kühlprozesses, sodass die Raumtemperatur konstant gehalten werden kann.

In Zeiten extremer Temperaturen und anhaltender Sommerhitze kann die Kühlfunktion einer Wärmepumpe sowohl für den Wohnkomfort als auch für die Energieeinsparung von großem Nutzen sein. Es ist sinnvoll, bereits bei der Planung einer Wärmepumpe deren Kühlfunktion zu berücksichtigen, um eine ganzjährige Nutzung zu ermöglichen.