Funktionsweise einer Wärmepumpe

In einer Zeit, in der nachhaltige und effiziente Heizsysteme immer wichtiger werden, gewinnen Wärmepumpen zunehmend an Bedeutung. Doch was ist eine Wärmepumpe eigentlich, und wie funktioniert sie? Dieser Leitfaden erklärt Ihnen die Funktionsweise einer Wärmepumpe auf eine einfache und verständliche Weise. Er vermittelt, welche Vorteile sie bieten und unter welchen Voraussetzungen das Heizen mit einer Wärmepumpe besonders empfehlenswert ist. Gleichzeitig gibt er Aufschluss darüber in welchen Fällen eine Wärmepumpe weniger gut geeignet sein kann.

Eine Wärmepumpe ist ein Gerät, das Wärmeenergie von einem Ort mit niedrigerer Temperatur (z. B. Außenluft, Erdreich, Grundwasser) zu einem Ort mit höherer Temperatur (z. B. Gebäudeinneren) transportiert. Die Wärmepumpe funktioniert dabei nach dem gleichen Prinzip wie ein Kühlschrank nur in umgekehrter Reihenfolge.

Das wichtigste Element hierbei ist das sogenannte Kältemittel. Diese spezielle Flüssigkeit hat die Eigenschaft, schon bei niedrigen Temperaturen zu verdampfen. Im Kreislauf der Wärmepumpe durchläuft das Kältemittel verschiedene Zustandsänderungen, die es ermöglichen, Wärme effizient von außen nach innen zu transportieren.

Es gibt verschiedene Arten von Wärmepumpen, sie unterscheiden sich vorrangig, dahingehend welchem Medium die Wärme entzogen wird. Das Wirkungsprinzip ist dabei bei allen Wärmepumpen Arten identisch.

Das Herzstück der Wärmepumpe, das Kältemittel verdampft schon bei sehr niedrigen Temperaturen. Im Kreislauf der Wärmepumpe durchläuft es an unterschiedlichen Stationen Änderungen seines Aggregatzustandes. Es gibt folgende Stationen:

1. Wärmeaufnahme im Verdampfer: Im Verdampfer nimmt das flüssige Kältemittel Umgebungswärme (z. B. aus der Außenluft ) auf und verdampft. Anschließend wird es weiter zur nächsten Station transportiert
2. Druckerhöhung im Kompressor: Der Kompressor verdichtet das gasförmige Kältemittel, wodurch die Temperatur des Mittels ansteigt. Das Kältemittel wird nun in den nächsten Bereich geleitet.
3. Wärmeabgabe im Kondensator: Im Kondensator gibt das Kältemittel die aufgenommene Wärme an das Heizsystem des Gebäudes ab und kondensiert dabei wieder zu Flüssigkeit. Nun geht es zur letzten Station des Kreislaufs.
4. Druckreduzierung im Expansionsventil: Das Expansionsventil reduziert den Druck des Kältemittels, wodurch es abgekühlt und erneut im Verdampfer verdampfen kann.

Dieser Vorgang wiederholt sich kontinuierlich. Abschließend lässt sich noch sagen, dass eine Wärmepumpe mehr Energie aufbringen muss, um einem Medium die Wärme zu entziehen, je kälter das Medium ist. Das bedeutet, dass Wärmepumpen bei extremer Kälte weniger effizient arbeiten als bei gemäßigteren Temperaturen. Doch auch in dieser ungünstigen Situation besitzen sie in der Regel einen besseren Wirkungsgrad als fossile Heizsysteme.

Auf dem oben beschriebenen Wirkungsprinzip aufbauend funktionieren alle Wärmepumpen Arten. Es gibt folgende Wärmepumpen Systeme

• Luft-Wasser-Wärmepumpe, auch Luftwärmepumpe genannt. Das erste Medium, hier Luft, bezeichnet die Wärmequelle, der die Temperatur entzogen wird. Das zweite Medium, hier Wasser, bezeichnet das Medium, in das die Wärme eingetragen wird und über das geheizt wird. Da es sich bei diesem Medium fast immer um Wasser handelt, wird das zweite Medium häufig in der Bezeichnung weggelassen. Zum Beispiel bei der:
• Erd-Wasser-Wärmepumpe, häufig auch Erd-Wärmepumpe genannt. Diese nutzt die Wärme aus dem Erdreich, hier wird direkt Wasser als Wärmeträgermedium verwendet. Ein System aus Brunnen oder horizontalen Rohren im Erdreich entzieht die Wärme dem Boden und leitet sie direkt an die Wärmepumpe weiter.
• Sole-Wasser-Wärmepumpe. Auch sie entzieht dem Boden die Wärme. Der Unterschied zur Erd-Wasser-Wärmepumpe ist das Medium, über das die Wärme aufgenommen und an die Wärmepumpe transportiert wird. Sie nutzt in der Regel ein geschlossenes System aus Rohren, das mit einer Sole (einem Frostschutzmittel, Gemisch, typischerweise Wasser und Glykol) gefüllt ist. Diese Rohre werden entweder horizontal in flachen Gräben (horizontal verlegt) oder vertikal in tiefen Bohrlöchern (vertikal verlegt) im Boden eingebettet. Die Wärme wird aus der umgebenden Erde über diese Sole entzogen und dann in das Heizsystem des Gebäudes eingespeist.
• Wasser-Wasser-Wärmepumpe, häufig auch Wasser-Wärmepumpe genannt. Sie funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie die Erd-Wärmepumpe, als wärme-transportierendes Medium wird Wasser genutzt, jedoch wird die Wärme nicht der Erde, sondern dem Grundwasser entnommen.

Während Wasser-Wasser und Erd-Wasser Wärmepumpen meist effizienter sind, erfordern sie zusätzlich erhebliche Investitionen in Tiefbauarbeiten und einen großen bürokratischen Aufwand für die Genehmigungen dieser Arbeiten.

Da die Luft-Wasser-Wärmepumpe mit ca 90 % Marktanteil das dominierende System ist und die anderen Varianten in Bezug auf Kosten ähnliche Werte sowie Vor- und Nachteile aufweisen, unterteilen wir unsere Betrachtung der Einfachheit halber in diese beiden Bereiche und listen hier noch einmal die wichtigsten Punkte auf:

Luft-Wärmepumpe:

+    Geringe Installationskosten, allgemein günstiger in der Anschaffung
+    keine Genehmigung erforderlich
+    überall einsetzbar
+    Größere Auswahl an Modellen und Montageunternehmen

-    meist schwächerer Wirkungsgrad (weniger effizient)
-    Geräuschentwicklung höher
-    gerade bei größerer Kälte erhöhter Strombedarf

Erd-Wärmepumpe, Sole-Wärmepumpe, Wasser-Wärmepumpe:

+    wirtschaftlicher im Betrieb
+    leiser im Betrieb
+    konstanterer Energieverbrauch unabhängiger von der Außentemperatur
+    dadurch allgemein etwas umweltfreundlicher

-    zusätzlicher Tiefbau Aufwand bei der Installation
-    zusätzliche Genehmigungen erforderlich
-    Einsatzmöglichkeiten von Bodenbeschaffenheit abhängig
-    weniger Auswahl an Anbietern und Montagepartnern

Wärmepumpen bieten eine effiziente, umweltfreundliche Lösung für Heizung und Warmwasser in Wohngebäuden. Durch die Nutzung erneuerbarer Energiequellen wie Luft, Erdreich oder Grundwasser tragen sie dazu bei, den CO2-Ausstoß zu reduzieren und den Weg in eine nachhaltigere Zukunft zu ebnen. Obwohl die Anschaffungskosten höher sein können als bei herkömmlichen Heizsystemen, machen die niedrigen Betriebskosten und die lange Lebensdauer eine Wärmepumpe zu einer lohnenden Investition. Besonders in Kombination mit einer Photovoltaikanlage kann sich eine Wärmepumpe innerhalb weniger Jahre amortisieren.