Funktionsweise der Wärmepumpe einfach erklärt

Was eine Wärmepumpe wirklich besonders macht, ist ihre Effizienz. Im Vergleich zu anderen Heizungsarten verwandelt sie eine Einheit Strom zusammen mit der Umweltenergie in eine erhebliche Menge Wärme. Dieses beeindruckende Verhältnis wird durch die Jahresarbeitszahl ausgedrückt. Im Gegensatz dazu fordern fossile Brennstoffe extrem hohe Temperaturen, um ein Haus auf angenehme 20 Grad Celsius zu erwärmen, was mit energetischen Verlusten einhergeht.

Jede Wärmepumpen-Heizungsanlage besteht aus drei Bestandteilen:

Wärmequellenanlage
In der Wärmequellenanlage wird Energie aus der Umgebung gezogen. Je nach Art Ihrer Wärmepumpen wird die Energie aus der Luft, der Erde oder dem Grundwasser genutzt. Das funktioniert selbst bei Minusgraden.

Wärmepumpe
Die Wärmepumpe macht dann die gewonnene Umweltenergie nutzbar: Sie bringt mithilfe der Umweltenergie ein Kältemittel zum Verdampfen. Danach wird das dampfförmige Kältemittel im Kompressors so lange verdichtet, bis die gewünschte Temperatur zum Heizen erreicht wird. Dafür sind 30 bis 55 Grad Celsius ausreichend.

Wärmeverteil- und Speichersystem
Mit Hilfe des Wärmeverteil- und Speichersystems wird die gewonnene Wärme ins Haus gepumpt. Beim Heizen wird die Wärmenergie an das Haus abgegeben, wodurch sich das Kältemittel abkühlt und wieder flüssig wird - und der Kreislauf beginnt aufs Neue.

Typen von Wärmepumpen

Es gibt verschiedene Arten von Wärmepumpen, die sich hauptsächlich durch ihre Wärmequelle und die Kosten für Anschaffung und Installation unterscheiden. Die am häufigsten in bestehenden Gebäuden installierte Wärmepumpe ist die Luft-Wasser-Wärmepumpe. Diese Option zeichnet sich nicht nur durch ihre kostengünstige Anschaffung im Vergleich zu anderen Wärmepumpen aus, sondern ist auch besonders geeignet, um ältere Heizungssysteme in bestehenden Gebäuden zu ersetzen. Aus diesem Grund ist sie für die meisten Haushalte eine äußerst attraktive Wahl.

Die Luft-Wasser-Wärmepumpe

Wärmequelle: Umgebungsluft
Funktionsweise: Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe zieht Luft mit einem Ventilator an und entzieht dieser ihre natürliche Wärme, um sie für die Heizung aufzubereiten. Im Winter, wenn die Außenluft weniger Wärmeenergie liefert, benötigt die Wärmepumpe etwas mehr Energie und arbeitet etwas weniger effizient als im Sommer. Luft-Wasser-Wärmepumpen lassen sich innerhalb oder außerhalb des Gebäudes aufstellen und eigenen sich gut für die Modernisierung von Bestandsgebäuden. Moderne Wärmepumpen sind so leise, dass sie auch bei dichter Bebauung zum Einsatz kommen können. Besondere Genehmigungen sind nicht erforderlich.

Wärmepumpe mit Kollektoren im Boden betreiben

Die Sole-Wasser-Wärmpumpe durch eine Erdsonde

Wärmequelle: Erdwärme
Funktion: Sole-Wasser-Wärmepumpen nutzen die konstante Wärme im Erdboden und werden daher auch Erdwärmepumpen genannt. Zur Installation einer Sole-Wasser-Wärmepumpe erfolgt mindestens eine vertikale Bohrung in die Erde. In einem geschlossenen Kunststoffrohr zirkuliert eine frostsichere Flüssigkeit, die die Erdwärme aufnimmt. Ab einer Tiefe von 10 Metern verändert sich die Bodentemperatur nicht mehr. Dadurch kann die angeschlossene Wärmepumpe besonders effizient arbeiten. Für die Bohrung der Sonde ist eine besondere Genehmigung erforderlich und auch Ihr Gebäudestandort muss dafür geeignet sein.

Die Sole-Wasser-Wärmpumpe durch Erdkolletoren

Wärmequelle: Erdwärme
Funktionsweise: Ähnlich wie bei der Sole-Wasser-Wärmepumpe, die die Erdwärme durch Tiefenbohrungen nutzt, basiert das Prinzip hier auf dem Einsatz von Kollektoren, die im Erdreich verlegt werden. Allerdings handelt es sich hierbei um ein horizontales Rohrsystem, das schlangenförmig in einer Tiefe von etwa 1,5 Metern installiert wird. Die benötigte Fläche für diese Kollektoren variiert je nach zu beheizender Wohnfläche und dem Wassergehalt des Bodens. Als Faustregel gilt, dass man mit etwa dem Eineinhalbfachen der Heizfläche rechnet. Wichtig ist, dass die Fläche über den Kollektoren nicht bebaut oder versiegelt werden darf, damit Sonneneinstrahlung und Regenwasser ungehindert eindringen können. Ein offensichtlicher Nachteil dieser Methode ist der hohe Flächenverbrauch. Es gibt jedoch alternative Lösungen wie Erdwärmekörbe und Grabenkollektoren, die wesentlich weniger Fläche benötigen. Diese Optionen bieten eine praktische Alternative für Situationen, in denen der Platz begrenzt ist. Für die Installation ist, wie auch bei der Tiefenbohrung, eine spezielle Genehmigung notwendig.

Die Wasser-Wasser-Wärmepumpe

Wärmequelle: Grundwasser
Funktionsweise: Die Wasser-Wasser-Wärmepumpe nutzt die konstante Temperatur des Grundwassers, das sich in der Nähe der Oberfläche befindet. Dazu wird auf dem Grundstück ein Brunnen installiert, der mit der Wärmepumpe im Haus verbunden ist. Es gibt zwei gängige Arten von Brunnen: Schluckbrunnen und Saugbrunnen. Ein Schluckbrunnen entnimmt Grundwasser und leitet es zurück in einen Saugbrunnen, während ein Saugbrunnen das Grundwasser direkt entnimmt. Der Kreislauf beginnt mit der Aufnahme der Kälteenergie aus dem Grundwasser im Verdampfer. Hierbei wird das Kältemittel verdampft. Anschließend erfolgt die Komprimierung des Kältemittels, wodurch es erhitzt wird. Die gewonnene Wärme wird im Verflüssiger abgegeben und kann zur Beheizung des Gebäudes verwendet werden. Die Effizienz dieser Wärmepumpe hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter die Qualität und Temperatur des Grundwassers. Die Nutzung einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe ist somit stark von der verfügbaren Grundwassermenge und der Wasserqualität am Standort abhängig. Zudem ist eine separate Genehmigung notwendig.

Ihre häufigsten Fragen

Was unterscheidet eine Wärmepumpe von einer herkömmlichen Heizung?

Die meisten deutschen Haushalte verwenden Gas- oder Ölheizungen, die, ähnlich wie viele Wärmepumpen, Wasser in einem Heizkreislauf erhitzen. Diese Systeme erzeugen Wärme, indem sie Gas oder Erdöl verbrennen. Moderne Geräte sind zwar effizient, haben jedoch einen bedeutenden Nachteil: Die verwendeten Brennstoffe sind begrenzt, kosten Geld und verursachen CO2-Emissionen, die die Umwelt belasten.

Im Gegensatz dazu benötigt eine Wärmepumpe lediglich elektrischen Strom zur Energiegewinnung. Wenn dieser Strom beispielsweise aus einer Solaranlage stammt, arbeitet die Wärmepumpe emissionsfrei. Anstatt auf fossile Brennstoffe angewiesen zu sein, nutzt dieses Heizsystem Umweltwärme aus der umgebenden Luft (Luft-Wasser-Wärmepumpe), der Erde (Sole-Wasser-Wärmepumpe) oder Grundwasser (Wasser-Wasser-Wärmepumpe).
Was passiert im inneren einer Wärmepumpe um Energie zu gewinnen?
Eine Wärmepumpe funktioniert, indem sie Wärme aus einer Quelle niedrigerer Temperatur aufnimmt und sie auf eine höhere Temperatur anhebt, um Gebäude zu heizen oder kühlen. Dies geschieht durch einen Kreislaufprozess, der im Wesentlichen aus vier Hauptkomponenten besteht:

Verdampfer:
Im Verdampfer wird die Wärme aus der Umgebung, sei es aus der Luft, dem Wasser oder dem Erdreich, aufgenommen. Ein Kältemittel verdampft bei niedriger Temperatur, indem es Wärme aus der Quelle aufnimmt.

Verdichter:
Der verdampfte Kältemittel-Dampf wird in den Verdichter geleitet, der den Druck und die Temperatur des Gases erhöht. Dies führt dazu, dass das Kältemittel sehr heiß wird.

Verflüssiger:
Das heiße, komprimierte Kältemittel strömt in den Verflüssiger, wo es seine Wärme an das Heizsystem abgibt. Dadurch kondensiert es wieder zu einem flüssigen Zustand.

Expansionsventil:
Das flüssige Kältemittel durchläuft ein Expansionsventil, das den Druck und die Temperatur des Kältemittels reduziert und es erneut in den Verdampfer führt, um den Kreislauf von vorne zu beginnen: Verdampfen, Verdichten, Verflüssigen, Entspannen.
Warum verbraucht eine Wärmepumpe Strom?

Eine Wärmepumpe verwendet Strom, um Wärme aus der Luft, dem Grundwasser oder dem Erdreich zu nehmen und sie für das Heizen zu nutzen. Der Strom betreibt den Kompressor, der die Wärme auf ein höheres Temperaturniveau bringt. Zudem wird Strom für den laufenden Betrieb von Pumpen, Ventilatoren und weiteren Hilfsaggregaten benötigt.

Obwohl die Wärmepumpe Strom benötigt, ist sie sehr effizient, da sie mehr Heizenergie erzeugt, als sie Strom verbraucht. Das macht sie nachhaltig und sparsam beim Heizen.