Die Wärmepumpe ist schon ein erstaunliches Gerät, wenn man bedenkt, dass Sie in der Lage ist, die thermische Energie der Umwelt zu nutzen, um daraus Heizwärme zu gewinnen. Und das funktioniert sogar bei Außentemperaturen um oder unter den Gefrierpunkt. Wie ist das möglich? Diese Frage – und noch ein paar mehr – wollen wir in diesem Beitrag beantworten.
Wie funktioniert eine Wärmepumpe?
Die grundsätzliche Funktionsweise lässt sich am einfachsten erklären, wenn man das Beispiel des Kühlschranks heranzieht: Der funktioniert nämlich so, dass die Wärme im Inneren nach außen abgeleitet und so die richtige Kühltemperatur erzeugt wird. Die Technik der Wärmepumpe funktioniert ähnlich, nur umgekehrt: Sie entzieht der Umwelt die thermische Energie aus Luft, Boden oder Grundwasser und leitet diese – in Heizwärme umgewandelt – in Haus oder Wohnung weiter. Die Umweltwärme Wärme wird dabei in ein Leitungssystem eingespeist. In diesem zirkuliert ein Kältemittel, das kälter als die Außentemperatur ist. Mit der gewonnene Umweltwärme wird dieses Kältemittel zum Verdampfen gebracht. Im sogenannten Verdichter der Wärmepumpe wird der erzeugte Dampf wie in einem Schnellkochtopf komprimiert. Das erhöht die Temperatur weiter, bis die Wärme des Dampfes schließlich an den Heizkreislauf des Gebäudes abgegeben wird. So kann auch bei kalten Außentemperaturen – ja sogar bei Minusgraden – Heizungswärme gewonnen werden.
Was ist unter monovalentem und bivalentem Betrieb einer Wärmepumpe zu verstehen?
Eine Wärmepumpe kann allein für die Erzeugung von Wärme verantwortlich sein; dann spricht man von monovalentem Betrieb. Bei Hybridsystemen, in denen eine Wärmepumpe zusätzlich zu einem konventionellen Wärmerzeuger (z.B. Gasheizung) installiert wird, handelt es sich um bivalenten Betrieb.
Der monovalente Betrieb hat den Vorteil, dass keine Emissionen anfallen. Allerdings muss die Wärmepumpe dann besonders effizient arbeiten. Ein gut gedämmtes Haus und eine Region, in der die Temperaturen auch im Winter nicht zu tief fallen, ist für den monovalenten Betrieb ideal.
Wenn diese idealen Bedingungen nicht erreicht werden können oder der Wärmebedarf höher ist, dann bietet sich der bivalente Betrieb an. In solchen Fällen schaltet sich der konventionelle Heizkessel ein, um zusätzliche Wärme bereitzustellen und die gewünschte Raumtemperatur aufrechtzuerhalten. Der bivalente Betrieb ermöglicht es, die Effizienz der Wärmepumpe beizubehalten, auch wenn die Bedingungen nicht ideal sind.
Aufbau einer Wärmepumpe
Eine Wärmepumpe besteht im Prinzip aus 4 Grundkomponenten: Dem Verdampfer, dem Verdichter, dem Verflüssiger und dem Expander. Mit diesen Elementen lässt sich die Funktionsweise anschaulich in 4 Schritten erklären:
- Die aufgenommene Umweltwärme wird mithilfe eines Wärmetauscher im Verdampfer an das Kältemittel übertragen. Da dieses einen sehr niedrigen Siedepunkt hat, verdampft es augenblicklich.
- Das nun gasförmige Kältemittel wird danach in einem Verdichter komprimiert; dabei erwärmt es sich weiter.
- Im Verflüssiger – auch Kondensator genannt – wird über einen weiteren Wärmetauscher dem Gas die Wärme entzogen und an den Wärmespeicher des Heizsystems übertragen. Von hier gelangt sie dann als Heizungswärme in die Räumlichkeiten. Dabei kühlt das Kältemittel ab und verflüssigt sich wieder.
- Die Flüssigkeit gelangt in den Expander; hier wird ihr über das Expansionsventil der Druck entzogen. Dadurch wird das Kältemittel wieder auf die ursprüngliche Temperatur runtergekühlt und der Kreislauf beginnt von Neuem.
Funktionsweise der Luft-Luft-Wärmepumpe
Diese weniger gebräuchliche Variante der Luft-Wärmepumpe funktioniert etwas anders. Über einen Plattenwärmetauscher wird die Luft, die aus der Umwelt angesaugt wird, mit der Wärme der Abluft aufgeheizt und über ein Lüftungssystem im Haus verteilt. Heizkörper sind bei dieser Variante also unnötig.
Funktionsweise der Luft-Luft-Wärmepumpe
Diese weniger gebräuchliche Variante der Luft-Wärmepumpe funktioniert etwas anders. Über einen Plattenwärmetauscher wird die Luft, die aus der Umwelt angesaugt wird, mit der Wärme der Abluft aufgeheizt und über ein Lüftungssystem im Haus verteilt. Heizkörper sind bei dieser Variante also unnötig.
Funktion einer Erdwärmepumpe
Die Erdwärmepumpe nutzt die die thermische Energie des Bodens, die über Kollektoren oder Sonden in Heizenergie umgewandelt wird. Dazu wird eine Trägerflüssigkeit („Sole“) genutzt, die aus einem Frostschutzmittel und Wasser besteht. Diese wird über Leitungen von der Wärmepumpe durch das Erdreich und wieder zurück in die Wärmepumpe transportiert. Dabei erwärmt die thermische Energie der Erde die Sole, bis sie schließlich verdampft. In der Wärmepumpe wird dieser Dampf verdichtet und so weiter erhitzt, bevor der Kreislauf im Verflüssiger und im Expander weitergeht.
Funktion einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe
Die Wasser-Wärmepumpe funktioniert über zwei separate Brunnen: Zum einen der Saugbrunnen, der das warme Grundwasser in die Anlage pumpt; zum anderen der Schluckbrunnen, der das abgekühlte Wasser wieder zurück transportiert. Über den Verdampfer wird die Grundwasserwärme an das Kältemittel abgegeben, das dann den bekannten Kreislauf durch die 4 Komponenten antritt.
Wie funktioniert eine Wärmepumpe im Winter?
Für Erd-Wasser- und Wasser-Wasser-Wärmepumpen ist der Betrieb im Winter kaum anders als im Sommer: Das Erdreich kühlt in der kalten Jahreszeit in der Tiefe, aus der die Wärme entnommen wird, nur wenig ab; und auch die Grundwassertemperatur, mit der die Wasser-Wasser-Wärmepumpe arbeitet, schwankt nur ganz minimal.
Anders sieht es dagegen bei der Luft-Wasser-Wärmepumpe aus: Hier kann die Lufttemperatur schon mal über einen längeren Zeitraum auf oder sogar unter den Gefrierpunkt fallen. Und trotzdem kann die Wärmepumpe mit der oben beschriebenen Funktionsweise – Kältemittel mit niedrigem Siedepunkt und zusätzlicher Verdichtung – aus dieser eiskalten Luft Heizungswärme erzeugen. Dabei gilt aber der Grundsatz: Je höher die Außentemperatur, desto effizienter arbeitet die Luft-Wasser-Wärmepumpe.
Wärmepumpe im Sommer als Kühlung nutzen
Ein angenehmer Nebeneffekt der Wärmepumpe: Im Sommer kann diese die Räumlichkeiten kühlen. Dazu muss die Funktionsweise umgedreht werden, damit den Räumen die warme Luft entzogen und an die Umwelt abgegeben kann. Diesen Kühlbetrieb nennt man aktive Kühlung. Mit der Erdwärmepumpe (auch Sole-Wasser-Wärmepumpe genannt) und der Wasser-Wasser-Wärmepumpe ist zusätzlich auch die passive Kühlung möglich. Diese ist besonders umweltschonend, da der Verdichter der Wärmepumpe ausgeschaltet ist und so nur wenig Strom verbraucht wird. Die passiven Kühlung hat aber den Nachteil, dass mehr als 3° Temperaturabsenkung nicht möglich ist. Zudem dauert der Abkühlprozess erheblich länger.
Mit Vaillant zur optimalen Wärmepumpe
Die Wärmepumpe ist eine erstaunliche Technologie, die unsere Art zu heizen grundlegend verändert. Sie verbraucht wenig Energie und erzeugt im Betrieb keine schädlichen Emissionen – das ist gut für die Umwelt. Deshalb ist Vaillant schont seit vielen Jahren in diesem Bereich aktiv und entwickelt leistungsfähige und effiziente Wärmepumpen in verschiedenen Leistungsstärken. Egal, ob Luft-Wasser-, Erd-Wasser- oder Wasser-Wasser-Wärmepumpe: Vaillant hat das passende Gerät für jede Wohnsituation.
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