Die Funktionsweise einer Wärmepumpe

Wärmepumpen sind eine umweltfreundliche und effiziente Alternative zu Heizungen, die mit Gas, Öl oder Strom betrieben werden. Sie nutzen erneuerbare Energie aus der Umwelt, um Gebäude zu heizen oder mit Warmwasser zu versorgen. Dabei arbeiten Wärmepumpen nach einem natürlichen physikalischen Prinzip: Sie entziehen der Umgebungsluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser Wärmeenergie und übertragen sie in das zu beheizende Objekt.

Der Mechanismus der Wärmeübertragung

Der Kern einer Wärmepumpe ist ein geschlossener Kältekreislauf, durch den ein Kältemittel zirkuliert. Im Außengerät wird dieses Kältemittel verdampft, indem es Wärmeenergie aus der Umgebung aufnimmt. Dabei wird die Temperatur des Kältemittels von etwa 0-10°C auf 3-7°C erhöht. Anschließend wird der Dampf mithilfe eines Verdichters in einen höheren Druck- und Temperaturbereich versetzt, wobei seine Temperatur auf 30-70°C ansteigt.

Nun befindet sich das Kältemittel in der Position, Wärmeenergie an das Heizsystem abzugeben. Es gelangt in das Innengerät, wo es wieder kondensiert und seine gespeicherte Wärme an die Heizkörper oder die Warmwasserbereitung abgibt. Danach wird es im Innengerät wieder verflüssigt und gelangt zurück ins Außengerät, wo der Kreislauf von vorne beginnt. Mithilfe dieses natürlichen Vorgangs kann die Wärmepumpe also kostenlos Energie aus Luft, Wasser oder Erde nutzen.

Unterschiedliche Arten von Wärmepumpen

Es existieren verschiedene Arten von Wärmepumpen, die sich in ihrer Bauweise und ihrer Wärmequelle unterscheiden:

• Luft-Wasser-Wärmepumpen entziehen der Außenluft ihre Wärmeenergie. Sie sind platzsparend und einfach zu installieren.
• Wasser-Wasser-Wärmepumpen nutzen Grundwasser oder Oberflächenwasser als Wärmequelle. Sie sind sehr effizient, jedoch aufwändiger zu installieren.
• Sole-Wasser-Wärmepumpen funktionieren mit einer wassergefüllten Erdsonde als Wärmequelle. Auch sie sind sehr effizient, aber kostenintensiv in der Installation.
• Monoblock-Wärmepumpen vereinen Außen- und Innengerät in einer Einheit. Sie eignen sich besonders für den Neubau oder die Sanierung.

Die Vorteile von Wärmepumpen im Detail

Wärmepumpen bieten viele ökologische und ökonomische Vorteile als Heizsystem. Sie gewinnen die Energie aus der Umgebungsluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser und können so einen großen Teil des Heizbedarfs eines Hauses decken. Im Vergleich zu herkömmlichen Heizsystemen wie Öl- oder Gasheizungen sind Wärmepumpen sehr energieeffizient, da sie die Umgebungsenergie nutzen und diese verstärken. So können mit einer Kilowattstunde Strom bis zu 4 oder 5 Kilowattstunden Heizwärme erzeugt werden. Dieser außergewöhnlich hohe Wirkungsgrad macht Wärmepumpen zum derzeit umweltfreundlichsten Heizsystem auf dem Markt.

Die Effizienz einer Wärmepumpe wird durch den sogenannten Jahresarbeitszahl (JAZ) angegeben. Dieser Wert gibt an, wieviel Energie die Wärmepumpe im Jahresdurchschnitt liefert im Vergleich zur eingesetzten Strommenge. Moderne Luft-Wasser-Wärmepumpen erreichen hier Werte von bis zu 5. Das heißt, sie liefern aus 1 kWh Strom 5 kWh Wärmeenergie. Dadurch sind die Betriebskosten vergleichsweise gering, da nur die verbrauchte Strommenge gezahlt werden muss.

Weiterer Vorteil von Wärmepumpen sind die niedrigen Investitionskosten. Durch verschiedene Förderprogramme des Staates sind die Anschaffung und Installation einer Wärmepumpen heute oft günstiger als der Einbau einer herkömmlichen Gas- oder Ölheizung. Zudem müssen bei Wärmepumpen auf lange Sicht kaum Service- und Wartungskosten einkalkuliert werden. Im Vergleich zu Gas- und Ölheizungen sind Wärmepumpen sehr standfest und robust. Dies kommt ebenfalls der Kostenseite zugute.

Abschließend bieten Wärmepumpen auch einige klimatechnische Vorteile. Da ihre Energiegewinnung auf dem Prinzip nutzt, enthält ihr Betrieb weder Abgase noch Feinstaub. Sie heizen angenehm sauber und gesund. Angesichts des Klimawandels und der Notwendigkeit, fossile Brennstoffe einzusparen, stellen Wärmepumpen eine nachhaltige Lösung für mehr Klimaschutz im Gebäudebereich dar. Dank ihres hohen Wirkungsgrads sind sie ein zukunftsträchtiger Ersatz für überholte Heizsysteme.

Woltair erklärt’s - das Prinzip einer Wärmepumpe

Karel Náprstek, Wärmepumpenexperte und Mitbegründer von Woltair, erklärt die Funktionsweise einer Wärmepumpe ausführlich: 

"Das Wärmeträgermedium (Kältemittel) wird an der Stelle verdampft, an der die Wärme entzogen wird (Verdampfer). Dies geschieht durch Druckreduzierung (im Expansionsventil), so dass die Verdampfungstemperatur unter die Außenlufttemperatur fällt. Beim Verdampfen nimmt das Kältemittel Energie aus der Umgebung auf und speichert sie ein. Das Kältemittel befindet sich nun in einem gasförmigen Zustand mit gespeicherter Energie. 

 

Damit das Gas kondensiert und seine Energie an das Heizungswasser abgibt, müssen wir seine Temperatur über die Kondensationstemperatur und auch über die Temperatur des Heizungswassers, das wir erwärmen wollen, anheben. Dies geschieht im Kompressor, wo wir den Druck und damit die Temperatur des Kältemittels erhöhen. Dadurch wird Sattdampf erzeugt. In diesem Stadium speisen wir Strom in den Kreislauf ein. Der Verflüssiger kondensiert das Kältemittelgas und erwärmt das Heizungswasser. Von hier aus gelangt die gesättigte Flüssigkeit wieder zum Expansionsventil und der Prozess wiederholt sich."

Die unterschiedlichen Bauweisen der Wärmepumpen

Bei Wärmepumpen gibt es verschiedene Varianten, die sich hinsichtlich Bauweise und Aufstellung unterscheiden. Die häufigsten Systeme sind Monoblock-Wärmepumpen, Split-Wärmepumpen sowie Innen- und Außenaufstellung.

Monoblock-Wärmepumpen vereinen alle Komponenten wie Verdampfer, Verflüssiger und Umformer in einem einzigen Gehäuse. Sie werden in der Regel außen am Haus oder im Keller installiert. Monoblock-Geräte sind platzsparend und einfach in der Installation, da nur ein Gerät aufgestellt und an das Heizungs- und Brauchwassersystem angeschlossen werden muss.

Bei Split-Wärmepumpen sind die Komponenten getrennt in Innen- und Außeneinheit aufgeteilt. Der Verdampfer mit Ventilator und Kältemittelkreislauf befindet sich in der wetterfesten Außeneinheit. Die Innengeräte mit Wärmetauscher, Reglern und Pumpen werden in Räumen aufgestellt. Der Vorteil von Split-Systemen ist, dass die platzraubende Außeneinheit frei stehend im Garten oder auf dem Dach installiert werden kann, während die compacte Innengeräte flexibel positioniert werden.

Innen-Wärmepumpen haben sowohl die Außen- als auch die Innenkomponenten im Hausinneren untergebracht. Sie werden bevorzugt in Neubauten oder kernsanierten Häusern eingesetzt. Außenwärmepumpen verlagern mit Ausnahme der Regelung sämtliche Komponenten nach außen. Sie kommen häufig bei Bestandsbauten zum Einsatz, wenn im Inneren kein Platz für die Anlagentechnik ist.

Der hohe Wirkungsgrad einer Wärmepumpe

Ein großer Vorteil von Wärmepumpen ist ihr hoher energetischer Wirkungsgrad. Dieser gibt das Verhältnis der bereitgestellten Heizenergie zur aufgewendeten Antriebsenergie an. Moderne Wärmepumpen erreichen Werte von 300 bis 600 Prozent. Dabei nutzen sie zu einem großen Teil erneuerbare Energie aus der Umgebungsluft, dem Grundwasser oder dem Erdreich. Der eigene Stromverbrauch beschränkt sich im Wesentlichen auf den Betrieb von Verdichter und Umwälzpumpen.

Durch die hohe Effizienz sind Wärmepumpen bereits ab etwa 1500 Heizungsbetriebsstunden gegenüber Öl- oder Gasheizungen kostengünstiger. Zudem profitiert die Umwelt durch den großflächigen Einsatz dieser klimafreundlichen Heiztechnologie. Wärmepumpen tragen so ihren Teil zur Reduzierung klimaschädlicher CO2-Emissionen bei.

Begriffe und Vorgänge rund um die Wärmepumpe erläutert

• Wärmequelle: Medium (Erdreich, Grundwasser, Luft), aus dem die Wärmeenergie durch die Wärmepumpe gezogen wird.
• Kältekreislauf: Geschlossener Kreislauf mit Kältemittel, der die Wärme von der Quelle zum Verbraucher transportiert.
• Kältemittel: Stoff (z.B. Propan), der im geschlossenen Kältekreislauf die Wärme transportiert.
• Verdichter: Bauteil, das das Kältemittel im Kältekreislauf verdichtet und damit auf höhere Temperatur bringt.
• Kondensator: Bauteil, über das die Wärme des kondensierenden Kältemittels an den Verbraucher abgegeben wird.
• Expansionsventil: Drosselt den Druck des Kältemittels und sorgt für Übergang in gasförmigen Zustand.
• Verdampfer: Bauteil, in dem das Kältemittel durch Wärmeaufnahme aus der Umwelt verdampft.
• Wärmetauscher: Übergabestelle zwischen Kältekreislauf und Heizungs-/Brauchwasserkreislauf.
• JAZ/COP-Wert: Kennzahl für Effizienz (Heizleistung geteilt durch Stromverbrauch).
• Brutto-/Netto-Wirkungsgrad: Verhältnis produzierter zu aufgewendeter Energie vor/nach Abzug Eigenstrombedarf.
• Regler: Steuert Komponenten wie Verdichter oder Umwälzpumpen.
• Frostschutz: Schutz vor Einfrieren z.B. der Erdsonde oder des Außengeräts bei Kälte.

Rentabilität der Wärmepumpe

Dank der niedrigen Betriebskosten amortisiert sich die Investition in eine Wärmepumpe, obwohl sie nicht gering ist, innerhalb weniger Jahre. Darüber hinaus kann ein Anteil des Kaufpreises durch staatliche Förderungen für Wärmepumpen abgedeckt werden. Sie können auch ein günstiges Wärmepumpendarlehen in Anspruch nehmen.

Weitere wichtige Informationen über Wärmepumpen

Es gibt viele verschiedene Arten von Heizungen. Wie schneidet eine Wärmepumpe im Vergleich zu anderen Heizungsarten ab? Lesen Sie den Vergleich zwischen einer Wärmepumpe und einem Gas-Brennwertkessel.

Wie können Sie das Beste aus Ihrer Wärmepumpe herausholen und so viel Energie sparen wie möglich? Schließen Sie sie an eine Fußbodenheizung an und kombinieren Sie sie idealerweise mit einer Photovoltaikanlage.

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Eine Wärmepumpe können Sie sogar ohne Anfangsinvestition bekommen, dank eines günstigen Kredits. Die Rückzahlung erfolgt dann über die monatlichen Energieeinsparungen durch die Wärmepumpe - gerne informieren wir Sie umfangreich dazu.

Fazit: Effiziente Nutzung erneuerbarer Energien

Zusammenfassend nutzen Wärmepumpen auf umweltfreundliche Weise die im Erdreich, im Grundwasser oder in der Außenluft gespeicherte Energie, um Gebäude zu beheizen oder mit Warmwasser zu versorgen. Durch ihren hohen Wirkungsgrad sind sie besonders energieeffizient und überwiegend klimaneutral im Betrieb. Wärmepumpen stellen somit eine zukunftsträchtige Alternative zu fossilen Heizsystemen dar und leisten einen wertvollen Beitrag zum Klimaschutz. Mit steigender Effizienz und sinkenden Kosten dürften sie in den kommenden Jahren weiter an Bedeutung gewinnen.