Wärmepumpe - Funktionsweise, Erklärung und Vergleich

Das Funktionsprinzip von Wärmepumpen ist es, über einen Wärmetauscher der Umwelt Wärme zu entziehen und in einem Flüssigkeits-Kreislauf auf ein höheres Temperaturniveau zu bringen. 

Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Wärmepumpen nutzen die in der Luft, der Erde oder dem Grundwasser gespeicherte Sonnenenergie.Dabei wird die Wärme über einen Verdampfer aus der Umwelt aufgenommen und über einen Verflüssiger dem Heizsystem, also in der Regel der Fußbodenheizung, zugeführt. Wärmepumpen benötigen zwar Strom als Antriebsenergie, erzeugen jedoch je Kilowattstunde Strom bis zu vier Kilowattstunden Wärme. Drei Viertel der Energie für Heizung, Warmwasserbereitung sowie zur Kühlung im Sommer bezieht eine solche Anlage aus der Umwelt.

Da die Umwelt­energie auf einem für das Heiz­- und Warmwassersystem zu niedrigen Temperaturniveau ist, muss die Wärmepumpe dieses Niveau erhöhen. Dafür arbeitet sie mit einem Kreislauf, in dem ein Kältemittel mit sehr niedrigem Siedepunkt zirkuliert und fortlaufend dieselben Schritte durchläuft.

 

Foto: Vaillant

  1. Verdampfen: In einem Verdampfer nimmt das Kälte­mittel die Energie aus der Wärmequelle (Erde, Luft, Wasser) auf und verdampft dabei. Das Kältemittel wechselt also seinen Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig.
     
  2. Verdichten: Im Kompressor wird der Dampf verdichtet, wodurch sich die Temperatur stark erhöht. Diese Wärme wird über einen weiteren Wärmetauscher in den Heizkreis­ lauf übertragen.
     
  3. Verflüssigen: Im Kondensator verflüssigt sich das Kältemittel wieder — die dabei frei werdende latente und thermische Energie wird an das Heizsystem abgegeben.
     
  4. Entspannen: Im Expansionsventil wird das Kälte­ mittel entspannt, wodurch der Druck stark abfällt und das Kältemittel sich signifikant abkühlt, sodass wieder Energie aufgenommen werden kann. Damit beginnt der Kreislauf von vorn.

Wie macht eine Wärmepumpe Erdwärme nutzbar?

Die Temperaturdifferenz zwischen der Umgebung (Erde, Luft , Wasser) und dem – vom Druck des Kompressors gesteuerten – (niedrigeren) Siedepunkt der Spezialflüssigkeit im Verdampfer führt dazu, dass Wärme entzogen und auf die Flüssigkeit übertragen wird. Diese siedet und verdampft. Dieser Dampf wird abgesaugt und durch Druck verdichtet. Dabei steigt seine Temperatur an. Im Verflüssiger wird der heiße Dampf vom Wasser- oder Luftstrom des Heizungssystems umflossen und erwärmt diesen. Der Dampf im Wärmetauscher hat sich nach Abgabe der Wärme wieder verflüssigt, der Druck wird wieder angepasst, und der Kreislauf der Flüssigkeit kann im Verdampfer von vorne beginnen.

Wärmepumpen können auch kühlen

Im Hochsommer und bei Hitzeperioden entfalten Wärmepumpen besondere Stärken. Denn die Umweltenergie kann nicht nur zum Heizen genutzt werden, sondern im Sommer auch zum Kühlen. Ihre Funktionsweise wird einfach umgekehrt, die Fließrichtung der Flüssigkeit im Kreislauf von Verdampfen und Verdichten umgedreht. Dabei wird Wärme aus dem Gebäude an die Umwelt abgegeben. Die Folge: Die Wärmepumpe gibt Wärme aus dem Haus in die Außenluft oder den Boden ab, die Innentemperatur sinkt. Man unterscheidet hierbei zwei Varianten.

Bei Sole / Wasser­-Wärmepumpen kann ein zusätzliches Kühlmodul installiert werden. Um das Haus umweltschonend zu kühlen, umgeht dieses den Kältekreislauf, entzieht den Wohnräumen über eine Flächenheizung Wärme und gibt sie über die Erdsonde ans Erdreich ab: Das nennt man passive Kühlung.


Besitzt eine Luft / Wasser­-Wärmepumpe eine aktive Kühlfunktion, kann bei entsprechender Anlagen­ auslegung der Kältekreislauf umgekehrt werden. Mithilfe des Kompressors wird dann die Wärme aus dem Gebäude an die Außenluft abgegeben — und die Raumtemperatur sinkt um einige Grad.

1 Wärmequelle Luft

Bei einer Luft / Wasser­-Wärmepumpe wird ent­weder eine Kombination aus Inneneinheit und Luftkollek­tor oder eine kompakte platzsparende Außeneinheit installiert.

Foto: Vaillant

2 Wärmequelle Erde (Erdsonde)

Eine Erdsonde wird vertikal ca. 100 m tief in den Boden eingebracht und mit der Wärmepumpe verbunden. Ob Kollektor oder Sonde: Sole / Wasser­-Wärmepumpen arbeiten besonders effizient.

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3 Wärmequelle Erde (Kollektor)

Für die Nutzung der Wärmequelle Erde wird ein groß­flächiger Kollektor horizontal 1,5 — 2 m tief in den Boden eingebracht und mit der Wärmepumpe verbunden.

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4 Wärmequelle Wasser

Ist das Grundstück für einen Saug-­ und Schluckbrunnen geeignet, kann das Grundwasser als Wärmequelle genutzt werden. Für den Brunnen ist in aller Regel eine Genehmigung erforderlich.

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Wunderwerk Wärmepumpe - So funktioniert ein Erdwärmetauscher

Viele Wärmepumpen für Eigenheime arbeiten mit Erdwärmetauschern. Sie werden als vertikale Sonden in 50 bis 100 Meter tiefe Bohrlöcher oder als horizontale Kollektoren in ein bis zwei Meter tiefen Gräben verlegt. Die benötigte Fläche bzw. die Anzahl der Bohrlöcher hängt davon ab, wie viel Heizenergie erzeugt werden soll. Je größer der Energiebedarf, desto höher der Aufwand. Die Erdarbeiten sollten erfahrene Partner ausführen. Viele Fertighaushersteller erschließen die Wärme aus der Erde für ihre Kunden, inklusive Genehmigung, Bohrung und Anlagentechnik. 

Vor- und Nachteile der Wärmepumpen Arten

Eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe nutzt die Temperatur des Grundwassers. Diese ist ganzjährig konstant, die Pumpe gewinnt bis zu 80 Prozent der Wärme. Entscheidend für die Effizienz ist, wie viel Grundwasser vorhanden ist.

Luft -Wasser-Wärmepumpen nutzen die Energie der Außenluft . Sie sind leicht zu installieren, wartungsarm und können platzsparend aufgestellt werden. Bei niedrigen Außentemperaturen lässt allerdings die Leistung nach, so dass eine Zusatzheizung einspringen muss.

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