Wie funktioniert eine Wärmepumpe?
Die Funktionsweise einer Wärmepumpe
Die Wärmepumpe ist als umweltfreundliches Heizsystem in aller Munde. Durch seine effiziente Technologie nutzt sie die kostenlose Energie aus der Luft, dem Erdreich oder dem Grundwasser. So ermöglicht sie uns, nachhaltig und kostengünstige Wärme zu erzeugen.
Das Funktionsprinzip der Wärmepumpenheizung ist im Grunde ziemlich simpel. Doch wie funktioniert sie im Detail? Wie unterscheiden sich die einzelnen Systeme voneinander? Und wie sieht die genaue Energieeffizienz aus?
In diesem Magazinartikel finden Sie leicht verständliche Informationen rund um die Funktionsweise von Wärmepumpen.
Themen
Wie funktioniert eine Wärmepumpe?
Was ist eine Wärmepumpe überhaupt?
Eine Wärmepumpe ist eine Maschine, die zur Herstellung von Wärme genutzt wird. Da sie bestehende Umweltenergie nutzbar macht, ist ihr Funktionsprinzip sehr umweltschonend. Deshalb gehört sie zu einem der am häufigsten verbauten Energiesysteme in Deutschland. Mit ihr kann sowohl geheizt als auch Warmwasser erzeugt werden.
- Einer Energiequelle, aus der die Energie entnommen wird,
- einer Pumpe, die die Umweltenergie nutzbar macht, und
- einem Verteil- und Speichersystem, das die gewonnene Wärme verteilt und für einen späteren Zeitpunkt speichert.
Für den Betrieb ist lediglich etwas Strom nötig – deshalb ist sie im Unterhalt sehr kostengünstig. Die verschiedenen Systeme unterscheiden sich insbesondere in der Auswahl ihrer Wärmequelle. Sie nutzen die Luft, das Erdreich oder das Grundwasser.
Eine Wärmepumpe ist also dazu da, Wärmeenergie aus der Umwelt zu gewinnen und sie auf ein nutzbares Temperaturniveau anzuheben oder abzusenken. Mit der gewonnenen Wärme aus der Umwelt wird dann das Heizsystem – etwa Fußbodenheizung, Wandheizung oder traditionelle Heizkörper – betrieben.
Doch wie funktioniert das genau?
Wie funktioniert eine Wärmepumpe?
Die Funktionsweise einer Wärmepumpenheizung ist mit dem Prinzip eines Kühlschranks vergleichbar – nur, dass sie andersherum arbeitet.
- Der Kühlschrank entzieht seinem Innenraum Wärme und gibt sie nach außen ab. So wird und bleibt es im Innern des Kühlschrankes schön kalt.
- Die Wärmepumpe entzieht dem Außenraum Wärme und gibt sie nach innen ab. So wird und bleibt es im Innern des Hauses schön warm.
Die Wärmeerzeugung erfolgt innerhalb eines kontinuierlichen Ablaufs mit vier Schritten: Verdampfen, Verdichten, Verflüssigen und Entspannen. Hauptakteur ist dabei immer das Kältemittel, das einen Kältemittelkreislauf durchläuft.
Schritt 1: Verdampfen
Ein flüssiges Kältemittel wird an der Energiequelle – also Umgebungsluft, Erdreich oder Grundwasser – entlang geleitet. Dabei nimmt es die thermische Energie auf. Unter Einsatz von etwas Strom wird das Temperaturniveau so weit angehoben, dass es für das Heizsystem nutzbar ist.
Dabei ändert sich der Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig: Das Kältemittel verdampft.
Je mehr thermische Energie aus der Quelle kommt, desto weniger Strom wird dafür benötigt. Doch wo und wie entnimmt die Wärmepumpe im Winter noch Wärme? Was wir Menschen als eisige Temperaturen empfinden, ist physikalisch betrachtet gar nicht kalt.
Erst bei -273,15°C ist der absolute Nullpunkt erreicht. Bei allen Temperaturen darüber ist noch Wärmeenergie enthalten. Genau deshalb kann die Wärmepumpe auch im tiefsten Winter Wärme erzeugen – und uns so vor dem Frieren bewahren.
Schritt 2: Verdichten
Dieses Funktionsprinzip kennen Sie vielleicht von Ihrer Fahrrad-Luftpumpe. Sie wird warm, wenn Sie unter Druck neue Luft in den Reifen pumpen. Druck erzeugt also Wärme.
Genauso läuft es in der Wärmepumpe ab. Ein strombetriebener Kompressor – der sogenannte Verdichter – drückt das jetzt gasförmige Kältemittel zusammen. Dadurch erhöhen sich der Druck und die Temperatur.
Die Leistung des Verdichters passt sich flexibel an den jeweiligen Wärmebedarf an. Ist der Bedarf höher, erzeugt er mehr Druck, damit ausreichend Wärme entsteht.
Schritt 3: Verflüssigen
Das Kältemittel ist nun also gasförmig, komprimiert und erhitzt. In dieser Form wird es in den sogenannten Kondensator bzw. Verflüssiger geleitet.
Hier gibt das Kältemittel seine Wärme mithilfe eines Wärmetauschers an den Heizungskreislauf ab. Die Wärmeenergie gelangt so zum Warmwasser- und Pufferspeicher des Systems. Nun kann die gewonnene Umweltwärme zur Beheizung von Wohnräumen genutzt werden.
Durch die Abgabe der Wärme verflüssigt sich das Kältemittel erneut, jedoch bleibt der Komprimierung noch bestehen.
Schritt 4: Entspannen
Ein Expansions- bzw. Entspannungsventil übernimmt den letzten Schritt im Kreislauf. Durch das Ventil wird der Druck des flüssigen Kältemittels wieder herabgesetzt.
Dadurch kühlt das Kältemittel weiter ab, sodass es seine ursprüngliche Ausgangstemperatur erreicht. So kann es den Kreislauf von neuem bei der Energiequelle beginnen.
Welche Wärmepumpen-Typen gibt es?
Insgesamt gibt es vier Typen von Wärmepumpen, die sich in ihrer Funktionsweise und Technik nur sehr wenig unterscheiden. Der entscheidende Unterschied liegt in der Nutzung der Umweltquelle sowie in dem Medium, an das sie die gewonnene Wärme abgeben.
Dabei steht im Namen die genutzte Energiequelle an erster Stelle und das wärmeaufnehmende Medium an zweiter Stelle:
- Luft-Wasser-Wärmepumpe: Nutzt Energie aus der Umgebungsluft und gibt sie an Wasser ab.
- Wasser-Wasser-Wärmepumpe: Nutzt Energie aus dem Grundwasser und gibt sie an Wasser ab.
- Luft-Luft-Wärmepumpe: Nutzt Energie aus der Luft und gibt sie an Luft ab.
Eine Ausnahme stellt die Sole-Wasser-Wärmepumpe dar. Sie gewinnt thermische Energie aus dem Erdreich mithilfe von Sole – einem Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel – und gibt sie an Wasser ab.
Luft-Wasser-Wärmepumpe
Da die Luft-Wasser-Wärmepumpe die Umgebungsluft als Wärmequelle nutzt, kann man sie mit wenig baulichem Aufwand installieren. Dadurch sind auch die Anschaffungskosten sehr gering.
Das Gerät saugt die Luft aus der Umgebung mithilfe eines Ventilators an und leitet diese an einen Wärmeübertrager weiter. Im Wärmepumpenkreislauf wird die Umweltwärme aus der Außenluft zu Heizenergie umgewandelt, die dann an das Wasser in der Heizung oder der Warmwasseraufbereitung weitergegeben wird.
Leider hat unsere Umgebungsluft keine konstante Temperatur. Je kälter sie ist, desto schwieriger hat es die Luftwärmepumpe, genügend Wärme zu erschließen und an das Zielmedium abzugeben.
Ein weiterer Nachteil ist die Lautstärke: Da das Gerät durchgehend ansaugt, erzeugt das Gerät auch permanent Geräusche. Deshalb sollten Sie bei der Planung auf genügend Abstand zum Nachbargrundstück sowie zum eigenen Wohnraum achten.
Wasser-Wasser-Wärmepumpe / Wasserwärmepumpe
Eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe bezieht die Wärmeenergie aus dem Grundwasser. Dazu benötigt sie zwei Brunnen: Einen Saugbrunnen, aus dem sie das Grundwasser entnimmt und einen Schluckbrunnen, in die das Wasser wieder abgibt.
Zur Installation und Inbetriebnahme müssen somit Erdbohrungen vorgenommen werden, die den Installationsaufwand sowie die Kosten erhöhen. Darüber hinaus sollten Sie beachten, dass für eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe eine Genehmigung notwendig ist.
Diese Art erschließt also über sein Kältemittel die thermische Energie aus dem Grundwasser und macht sie im Kreisprozess für das Heizungswasser oder die Warmwasseraufbereitung nutzbar.
Da im Grundwasser konstant hohe Temperaturen herrschen, kann die Wasser-Wasser-Wärmepumpe gleichbleibend effizient arbeiten. Deshalb zählt sie zu den zuverlässigsten Varianten.
Sole-Wasser-Wärmepumpe / Erdwärmepumpe
Treffender für dieses Modell wäre der Name „Erd-Wasser-Wärmepumpe“, denn es erschließt Wärme aus dem Erdreich. „Sole“ meint hier das Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel, das die Erdwärme aufnimmt und an den Kreisprozess weiterleitet.
Um an die Erdwärme zu gelangen, ist entweder eine Erdbohrung samt Sonde oder eine große Erdfläche für einen Erdkollektor notwendig. Neben dem reinen Gerätepreis müssen Sie daher zusätzliche Installationskosten einberechnen.
Die weitere Funktionsweise der Erdwärmepumpe ist identisch zu anderen Modellen. Die gewonnene Energie wird im Kreislauf nutzbar gemacht und anschließend an das Heizungswasser oder die Warmwasseraufbereitung abgegeben.
Da ein Erdkollektor recht nah unter der Oberfläche liegt, ist sie den Temperaturschwankungen deutlicher ausgesetzt. Bei eine Erdsonde hingegen sinkt das Temperaturniveau weniger, weshalb sie eine konstantere Effizienz bietet.
Luft-Luft-Wärmepumpe / Luftwärmepumpe
Da Luft-Luft-Wärmepumpen ihre gewonnene Umweltwärme nicht an den Heizungswasserkreislauf abgeben, stellen sie eine Besonderheit dar. Hier wird die thermische Energie über Lüftungskanäle ohne Umwege oder Zwischenschritte zur Erwärmung von Räumlichkeiten genutzt.
Dabei wird die Wärme nicht aus der Umgebungsluft, sondern aus der abgestandenen Luft aus dem Gebäude gewonnen. Die thermische Energie wird in einem sogenannten Wärmetauscher auf die frische Außenluft von draußen abgegeben, die dann erwärmt zurück in die Wohnräume geführt wird. Reicht die gewonnene Wärmeenergie nicht aus, wird mithilfe von Strom die fehlende Wärme erzeugt.
Das bedeutet, dass ein herkömmliches Heizungssystem mit Heizkörpern und Leitungsrohren überflüssig ist – bei einem Neubau kann somit jede Menge Geld gespart werden. Luftwärmepumpen können deshalb auch ideal nachträglich eingebaut werden, da es ganz egal ist, welches Heizsystem vorhanden ist.
Ein weiterer Vorteil: Einige Luft-Wärmepumpen können ihr Funktionsprinzip umkehren. Sie kühlen dann warme Außenluft gezielt ab – und sorgen so im Hochsommer für ein angenehmes Raumklima. Daher werden sie auch vielfach als Klimaanlage bezeichnet und mit dieser Funktion verkauft.
Welche Wärmepumpe ist am besten für mich?
Fußbodenheizung, Wandheizung und traditionelle Heizkörper – welche Wärmepumpe passt eigentlich wozu?
In diesem Artikel finden Sie hilfreiche Informationen rund um die Auswahl der richtigen Wärmepumpe für Ihren Wohnraum.
Wie ist die Energieeffizienz von Wärmepumpen?
Für den Betrieb einer Wärmepumpe ist nur wenig Strom notwendig. Dadurch lässt sich eine sehr gute Kosten-Nutzen-Bilanz erzielen.
Mit einem Teil Strom kann sie 2,5 bis 6 Teile Wärmeenergie erzeugen. Die Wirtschaftlichkeit wird in der Jahresarbeitszahl, kurz: JAZ, ausgedrückt. Die JAZ bringt das Verhältnis von zugeführter Energie zu genutzter Heizwärme innerhalb eines Jahres zum Ausdruck. Eine Jahresarbeitszahl von 3 bis 4 ist erstrebenswert.
Vergleicht man die Effizienz mit gängiger Gasbrennwerttechnologie, schneidet die Wärmepumpe deutlich besser ab. Das macht sich auch im Geldbeutel bemerkbar: Laut aktuellen Berechnungen kann eine Wärmepumpe mit einer JAZ von 4 rund 39 % der Heizkosten einsparen.
Fazit
Das Wärmepumpe-Funktionsprinzip ist simpel und doch genial. Mit der Zufuhr von nur wenig elektrischer Energie lässt sich eine Menge Wärme erzeugen. Durch die hohe Effizienz bei der Wärmegewinnung können Ihre laufenden Kosten deutlich minimiert werden.
Ganz gleich, ob Sie sich für eine Wasser-, Sole-Wärmepumpe oder eine Wärmepumpe mit Luft-Luft-Prinzip entscheiden: Sie investieren in eine klimafreundliche und kosteneffiziente Zukunft.
Es lohnt sich also, die sich die Funktion der Wärmepumpe zunutze zu machen – sowohl beim Neubau als auch beim Nachrüsten von Wohnhäusern.
Faqs
Schaut man auf die Effizienz der Wärmepumpen-Typen, schneidet die Wasser-Wasser-Wärmepumpe am besten ab. Bei der Auswahl sollten jedoch auch verschiedene andere Faktoren – etwa die Bau- und Installationskosten – berücksichtigt werden.
Die Stromkosten für eine Wärmepumpe liegen – je nach Modell und Strompreis – zwischen 400 und 600 Euro jährlich.
Wärmepumpen können auch nachträglich installiert werden. Einige Modelle sind zudem als Hybridlösung nachrüstbar – etwa als Ergänzung zur bestehenden Gas- oder Ölheizung.
Wärmepumpen-Besitzer können – verglichen mit fossilen Energieträgern – bis zu 39 % an Heizkosten einsparen. Die genauen Ersparnisse sind jedoch von verschiedenen Faktoren wie z. B. der Wärmequellenanlage und der Heizleistung abhängig.