Wärmepumpe: Funktion einfach und im Detail erklärt.

Die Wärmepumpe gilt als Heizsystem der Zukunft und ist in aller Munde. Mit einer Wärmepumpe können Sie effizient, umweltfreundlich und zukunftssicher heizen. Aber wie genau funktioniert das Heizsystem Wärmepumpe eigentlich? In diesem Ratgeber finden Sie Antworten zur Funktionsweise verschiedener Arten von Wärmepumpen.

Die Funktion einer Wärmepumpe kann in drei verschiedenen Ausführungen betrachtet werden, abhängig von der genutzten Umweltquelle. Wärmepumpen beziehen ihre Energie entweder aus der Luft, dem Wasser oder dem Erdreich. Die Anforderungen für die Installation der jeweiligen Wärmepumpe variieren je nach Art.

Wie ein Kühlschrank, nur umgekehrt

Die generelle Funktionsweise einer Wärmepumpe lässt sich vereinfacht mit der eines Kühlschranks beschreiben, nur umgekehrt. Ein Kühlschrank entzieht dem Innenraum Wärme und gibt sie an die Umwelt ab, um die Lebensmittel zu kühlen. Eine Wärmepumpe entzieht der Umweltquelle Wärme und gibt sie in die Innenräume Ihres Hauses ab, um zu heizen. Für eine genauere Erklärung können Sie den Joule-Thomson-Effekt näher betrachten. Dieses physikalische Prinzip liegt der Funktionsweise von beiden Geräten zugrunde und besagt, dass ein reales Gas sich bei einer Druckerhöhung (Kompression) erwärmt und umgekehrt bei Druckverminderung abkühlt. In der Wärmepumpe wird dieser Effekt genutzt, um das Kältemittel auf das gewünschte nutzbare Niveau anzuheben bzw. abzusenken.

1. Verdampfung:

Im Verdampfer der Wärmepumpe wird Wärme aus der Umwelt aufgenommen und an das Kältemittel abgegeben. Das Kältemittel befindet sich dabei unter niedrigem Druck und beginnt zu verdampfen. Während des Verdampfungsprozesses bleiben Druck und Temperatur konstant. Es ist wichtig, dass die Umgebungstemperatur höher ist als die Temperatur des Kältemittels. Dadurch kühlt sich die Umgebung beim Verdampfen ab, erreicht jedoch niemals eine niedrigere Temperatur als die Verdampfungstemperatur des Kältemittels. In diesem Schritt wandelt der Verdampfer das ursprünglich flüssige Kältemittel in einen gasförmigen Zustand um, welches dann zum Verdichter der Wärmepumpe geleitet wird.

2. Kompression:

Der Verdichter der Wärmepumpe saugt das gasförmige Kältemittel an und verdichtet es. Dadurch steigt der Druck an und der Dampf erwärmt sich. Die mechanische Energie für diesen Kompressionsprozess wird von einem elektrisch betriebenen Motor bereitgestellt. Die Verdichtung des Kältemittels ist ein entscheidender Schritt für die Funktionsweise der Wärmepumpe, da die aufgenommene Umgebungswärme nur durch die Komprimierung das erforderliche Temperaturniveau für das Heizen erreicht. Durch die Erhöhung des Drucks eines Gases wird auch sein Siedepunkt angehoben. Nach der Verdichtung ist der Druck so hoch, dass der Siedepunkt des Gases noch nicht erreicht ist. Aus diesem Grund verflüssigt sich das Kältemittel wieder und gibt seine Kondensationswärme an den Heizkreislauf ab.

Der Verdichter ist der Teil der Wärmepumpe, der elektrischen Strom benötigt, um das gasförmige Kältemittel zu komprimieren. Grundsätzlich gilt: Je größer die Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und der Vorlauftemperatur ist, desto mehr Arbeit muss der Verdichter leisten.

3. Kondensation:

Nachdem die Wärme im Verdampfer aufgenommen wurde, muss sie nun an das Heizungswasser abgegeben werden. Hierfür ist der Verflüssiger oder Kondensator in Kombination mit einem Wärmetauscher zuständig. Der überhitzte Dampf gelangt in den Verflüssiger, wo er auf Verflüssigungstemperatur abgekühlt wird und kondensiert. Anschließend wird das Kondensat weiter abgekühlt, um mögliche Dampfblasen vor dem Expansionsventil zu verhindern, da dies die Funktionsfähigkeit beeinträchtigen könnte.

4. Expansion:

Das letzte Bauteil, um den Kältemittelkreislauf zu schließen, ist das Expansionsventil. Nachdem das Kältemittel wieder verflüssigt wurde, muss es nun auf ein niedrigeres Druck- und Temperaturniveau entspannt werden. Durch den Entspannungsprozess kühlt das Kältemittel hinter dem Ventil stark ab und erreicht beim Eintritt in den Verdampfer wieder den ursprünglichen Druck und die ursprüngliche Temperatur. Dieser Entspannungsprozess entspricht einer isenthalpen Drosselung mit einem positiven Joule-Thomson-Effekt. Nun beginnt der Kältekreislauf der Wärmepumpe von vorne.

Wie funktionieren die unterschiedlichen Bauarten der Wärmepumpe?

Die grundlegende Funktionsweise zur Nutzung von Umweltenergie ist bei jeder Art von Wärmepumpe gleich. Doch wie gelangt die Energie aus Luft, Wasser oder Erdreich in den Wärmepumpenkreislauf?

Luft/Wasser-Wärmepumpe:

Die beliebteste Variante ist die Luft/Wasser-Wärmepumpe, da sie vergleichsweise kostengünstig und einfach zu installieren ist. Ein Ventilator im Außengerät saugt die warme Luft an und lässt das Kältemittel verdampfen. Die Funktionsweise einer Luft/Wasser-Wärmepumpe ist also recht simpel.

Integrierte Heizstäbe für extrem kalte Temperaturen

Einige Wärmepumpen sind mit integrierten Heizstäben ausgestattet, die bei extrem niedrigen Temperaturen zusätzliche Wärme erzeugen können. Diese Heizstäbe sorgen dafür, dass auch bei sehr kalten Außentemperaturen die gewünschte Raumtemperatur erreicht werden kann, falls die Wärmepumpe allein nicht ausreichend Leistung erbringen kann.

Entfrostungsfunktion der Luft/Wasser-Wärmepumpe

Bei Luft/Wasser-Wärmepumpen kann es bei sehr niedrigen Außentemperaturen zu einer Vereisung des Verdampfers kommen. Daher verfügen diese Wärmepumpen über eine Entfrostungsfunktion, die automatisch aktiviert wird. Hierbei wird der Kreislauf kurzzeitig umgekehrt, um den Verdampfer zu erwärmen und das Eis zu schmelzen, sodass die Effizienz nicht beeinträchtigt wird.

Sole/Wasser-Wärmepumpe:

Die Funktionsweise einer Erdwärmepumpe bzw. einer Sole/Wasser-Wärmepumpe zielt darauf ab, kostenlose Energie aus dem Erdreich für den Heizbetrieb zu nutzen. Das Erdreich speichert die Energie, die von der Sonne auf die Erde trifft, sei es durch direkte Sonneneinstrahlung oder durch aufgenommene Wärme aus Luft oder Regen. Unterhalb der Frostgrenze liegen die Temperaturen das ganze Jahr über relativ konstant zwischen 7 und 12 Grad Celsius. Diese Temperaturen sind ausreichend, um sie mithilfe einer Wärmepumpe für Heizzwecke zu nutzen. Dies kann entweder mittels Erdsonden erfolgen, die je nach Wärmebedarf des Hauses in Tiefen von 50 bis 100 Metern reichen, oder durch flächendeckende Verlegung von Erdkollektoren. Letztere benötigen nur eine geringe Tiefe von etwa 1,5 Metern, erfordern jedoch eine größere Fläche. Die Kunststoffrohre werden von einem Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel durchflossen und leiten die Erdwärme zur Wärmepumpe. Dank der ganzjährig hohen Bodentemperaturen ist dies äußerst effizient, umweltfreundlich und kostensparend. Auf der anderen Seite erfordert die Planung einen höheren Aufwand, und die Kosten einer Erdwärmepumpe sind deutlich höher als die einer Luft/Wasser-Wärmepumpe.

Wasser/Wasser-Wärmepumpe:

Eine Wasser/Wasser-Wärmepumpe nutzt die in Grundwasser enthaltene Wärme, um Wärme für Ihr Zuhause zu erzeugen. Hierfür werden zwei Brunnen gebohrt. Der Förderbrunnen fördert das Grundwasser zur Wärmepumpe, wo ihm die Wärme entzogen wird. Anschließend wird das abgekühlte Grundwasser über Rohre in den Schluckbrunnen zurückgeleitet. Dieser nimmt das Wasser auf und leitet es zurück ins Erdreich. Diese Methode ist ebenfalls äußerst effizient, erfordert jedoch einen hohen Aufwand und geht mit vergleichsweise höheren Kosten einher.

Brauchwasserwärmepumpe:

Eine Brauchwasserwärmepumpe, auch als Trinkwasserwärmepumpe oder Warmwasserwärmepumpe bekannt, funktioniert ähnlich wie eine Luft/Wasser-Wärmepumpe, jedoch ausschließlich für die Warmwasserbereitung und nicht für das Heizen. Je nach Aufstellungsort und örtlichen Bedingungen kann die Energiequelle Raumluft, Außenluft oder Abluft einer Lüftungsanlage sein.

Funktioniert eine Wärmepumpe im Sommer auch zur Kühlung?

Möchten Sie es im Winter warm und im Sommer angenehm kühl haben? Mit einer Wärmepumpe können Sie beide Funktionen in einem Gerät erhalten, vorausgesetzt, die Wärmepumpe ist reversibel ausgelegt. Das bedeutet, dass der thermodynamische Prozess umgekehrt wird und die Wärmepumpe Wärme aus Ihren Wohnräumen entzieht und nach draußen leitet. Hierbei wird zwischen aktiver und passiver Kühlung unterschieden. Aktive Kühlung erfordert zusätzlichen Strom und wird normalerweise bei Luft/Wasser-Wärmepumpen verwendet. Passive Kühlung ist energieeffizienter, kann jedoch nur bei Sole/Wasser- oder Wasser/Wasser-Wärmepumpen durchgeführt werden. Die Wärme wird mittels einer Umwälzpumpe zurück zur Energiequelle geführt.

Die Funktionsweise einer Wärmepumpe in Monoblock-Bauweise

Wärmepumpen sind entweder in kompakter Monoblock-Bauweise oder in Split-Bauweise erhältlich. Bei Monoblock-Wärmepumpen sind alle Komponenten, einschließlich des Kältemittelkreislaufs, in einem Gerät untergebracht. Dies ermöglicht eine einfache und kostengünstige Installation, und es ist keine regelmäßige Kontrolle des Kältemittelkreislaufs erforderlich. Der Wärmetransport erfolgt über gut isolierte Leitungen zu einem Wärmespeicher im Gebäudeinneren.

Die Funktionsweise einer Wärmepumpe in Split-Bauweise

Wie der Name schon vermuten lässt, sind bei der Split-Bauweise die Hauptkomponenten auf eine Innen- und eine Außeneinheit aufgeteilt. Die Außeneinheit enthält den Verdichter, den Verdampfer und das Expansionsventil. Beide Einheiten sind über Kältemittelleitungen miteinander verbunden. Die Split-Bauweise bietet Flexibilität bei der Aufstellung, jedoch ist bei mehr als 3 kg Kältemittel (z. B. bei langen Kältemittelleitungen mit großer Entfernung zwischen Innen- und Außeneinheit) eine regelmäßige Kontrolle des Kältemittelkreislaufs durch einen Fachmann erforderlich.

Monovalent oder bivalent? Die zwei unterschiedlichen Betriebsarten einer Wärmepumpe

Neben den beiden Bauweisen gibt es bei Wärmepumpen auch zwei Betriebsarten. Die Auswahl hängt von der baulichen Situation vor Ort ab. Der monovale Betrieb bedeutet, dass die Wärmepumpe der einzige Wärmeerzeuger ist. Dies ist jedoch nur möglich, wenn das Gebäude einen optimalen energetischen Zustand aufweist. Je niedriger die erforderliche Vorlauftemperatur, desto energieeffizienter arbeitet die Wärmepumpe. Im Gegensatz dazu wird von einer bivalenten Betriebsweise gesprochen, wenn die Wärmepumpe mit anderen Wärmeerzeugern wie einer Öl- oder Gasheizung kombiniert wird. Besonders in älteren Gebäuden, die nicht den neuesten energetischen Standards entsprechen, ist der bivalente Betrieb oft die richtige Wahl, da hier in der Regel höhere Vorlauftemperaturen benötigt werden.

Wie funktionieren Wärmepumpen mit Inverter-Technologie?

Wärmepumpen mit Inverter-Technologie können ihre Leistung kontinuierlich an den aktuellen Wärmebedarf des Hauses anpassen. Durch den Inverter wird ein modulierender Betrieb ermöglicht, wodurch die Wärmepumpen längere Zeiträume bei Teillastbetrieb arbeiten können und eine höhere Effizienz erreichen.

Expertentipp von Marko Gürtler

"Die Funktion einer Wärmepumpe basiert auf einem cleveren Zusammenspiel verschiedener physikalischer Prozesse: Verdampfung, Kompression, Kondensation und Expansion. Ein optimal abgestimmter Verdichter sorgt dafür, dass der Druck und die Temperatur des Kältemittels genau die richtigen Werte erreichen, um effizient zu heizen. Achten Sie daher bei der Auswahl Ihrer Wärmepumpe auf einen hochwertigen Verdichter und eine präzise Steuerungstechnik, um die bestmögliche Effizienz zu erzielen."

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