Die Funktion einer Wärmepumpe: verständlich erklärt
Eine Wärmepumpe entzieht Energie aus der Umwelt und macht sie zum Heizen nutzbar. Koppelt man eine Wärmepumpe mit einer PV-Anlage, werden Verbraucher*innen langfristig unabhängiger von der öffentlichen Energieversorgung. Doch wie genau funktioniert eine Wärmepumpe im Detail? Alles zum Thema erfahrt ihr im Ratgeber.
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Heizen mit einer Wärmepumpe
Immer mehr Eigenheimbesitzer*innen wollen Energie aus nachhaltigen Quellen beziehen – dem Klima und dem Geldbeutel zuliebe. Eine Wärmepumpe ist hierfür eine der Optionen: Ihr Funktionsprinzip ist vergleichbar mit dem eines Kühlschranks – nur umgekehrt. Die Wärmepumpe entzieht der Umgebung Wärme, die zum Heizen oder zur Warmwassererzeugung genutzt wird. Die so erzeugte Energie ist umweltfreundlich – insbesondere dann, wenn die Pumpe mit Ökostrom betrieben wird.
Die eigene Wärmepumpe im Haus: Funktion und Aufbau
Überall in der Umgebung ist Wärme vorhanden: in der Luft, im Erdreich und auch im Grundwasser. Eine Wärmepumpe kann der Umwelt diese Energie entziehen, und sie auf ein höheres Temperaturniveau heben und zum Heizen nutzbar machen. Die Wärmepumpe arbeitet nach dem Prinzip eines physikalischen (bzw. thermodynamischen) Kreisprozesses und nutzt dabei verschiedene physikalische Prozesse wie etwa die Verdampfung und Kondensation von Kältemitteln. Die Wärmepumpe besteht aus folgenden drei Komponenten:
Wärmequellenanlage: entzieht der Umgebung die Energie
Wärmepumpe: macht die gewonnene Energie nutzbar
Wärmeverteil- und Speichersystem: verteilt und speichert die Wärme im Gebäude
Es gibt verschiedene Arten von Wärmequellen, die genutzt werden können: die Umgebungsluft, das Grundwasser oder die Erde. Die Wahl der Wärmequelle hängt von den örtlichen Gegebenheiten und den spezifischen Anforderungen ab. Die einzelnen Bestandteile der Wärmepumpe arbeiten so zusammen, dass ein Kreislauf entsteht, bei dem Wärme aus der Umgebung aufgenommen und in einem kälteren Bereich abgegeben wird. Neben Wärmepumpen, die sowohl Räume als auch Wasser erwärmen können, gibt es auch Varianten, die ausschließlich für die Aufbereitung von Warmwasser verwendet werden: Warmwasser-Wärmepumpen, auch Brauchwasser-Wärmepumpen genannt.
Die Funktion einer Wärmepumpe Schritt für Schritt erklärt
Die Funktion einer Wärmepumpe basiert auf dem Prinzip des Wärmekreislaufs und der Nutzung physikalischer Gesetze. Dabei laufen folgende Schritte kontinuierlich nacheinander ab:
Schritt 1: Die Wärmequelle – beispielsweise die Umgebungsluft, das Grundwasser oder die Erde – liefert die Wärmeenergie an den Verdampfer der Wärmepumpe. Auf diese Weise gelangt die Energie ins System.
Schritt 2: Im Verdampfer befindet sich ein Kältemittel, das diese Wärmeenergie aufnimmt. Der Temperaturunterschied bringt die Flüssigkeit zum Verdampfen.
Schritt 3: Der entstandene Dampf wird in einem strombetriebenen Kompressor, dem zentralen Bauteil der Wärmepumpe, verdichtet. Er erhöht den Druck des verdampften Kältemittels, wodurch die Temperatur ansteigt. Für diesen Vorgang braucht es zusätzlich elektrische Energie von außen.
Schritt 4: Das erhitzte und komprimierte Kältemittel gelangt nun in den Wärmetauscher, der dem Dampf die Wärme entzieht und sie auf ein Wärmeverteil- und Speichersystem überträgt.
Schritt 5: Das Wärmeleitsystem mit Speicher der Wärmepumpe versorgen die Heizkörper und Warmwasseranlagen – und ihr habt es schön warm in eurem Zuhause.
Schritt 6: Das abgekühlte gasförmige Kältemittel wird anschließend wieder flüssig und der Druck durch ein Entspannungsventil auf das Anfangsniveau (Schritt 1) reduziert. Der Prozess beginnt von vorn.
Die verschiedenen Arten von Wärmepumpen auf einen Blick
Es gibt unterschiedliche Arten von Wärmepumpen, die sich anhand ihrer genutzten Umweltenergie voneinander unterscheiden:
Luft-Wasser-Wärmepumpe
Die Luft-Wasser-Wärmepumpe – auch Luftwärmepumpe genannt – nutzt die Energie aus der Umgebungsluft. Die Wärme wird über einen Ventilator angesaugt und auf das Kältemittel übertragen. Auf diese Weise gelangt die Energie in den Wärmekreislauf. Das Ganze funktioniert sogar bei sehr niedrigen Außentemperaturen. Die Anlage lässt sich über eine Inneneinheit steuern. Durch ihre flexiblen Installationsmöglichkeiten als Splitgerät oder Monoblock gehört diese Wärmepumpe zu den meistgenutzten Systemen in Deutschland. Die Monoblock-Variante ist besonders leicht zu installieren und daher kostengünstig.
Sole-Wasser-Wärmepumpe
Das Erdreich hat das ganze Jahr über eine gleichbleibende Temperatur, die sich die Sole-Wasser-Wärmepumpe zunutze macht. Es gibt zwei Möglichkeiten, an diese Wärme zu gelangen: durch flächig verlegte Erdkollektoren, die sich nah unter der Erdoberfläche befinden oder durch eine Erdsonde, die mit einer Erdbohrung auf dem Grundstück einhergeht. Für letztere sind Genehmigungen notwendig, um Erdsonden tief genug in den Boden einzubringen. Eine Erdwärmepumpe mit Erdkollektoren ist gängiger als die Variante mit einer Erdsonde. Die Funktion der Wärmepumpe ist vergleichbar mit den anderen Systemen und ihrem Wärmekreislauf, über den die Wärme von außen ins Innere geleitet wird.
Wasser-Wasser-Wärmepumpe
Die Wasser-Wasser-Wärmepumpe nutzt das Grundwasser als Energiequelle. Auch hier herrschen das ganze Jahr über konstante Temperaturen. Wenn das Grundwasser auf dem Grundstück hoch genug steht, kann ein Brunnen gebaut werden, der mit der Wärmepumpe im Haus verbunden wird. So wird die Wärme aus dem Grundwasser über das Wärmepumpenprinzip auf die Heizungssysteme übertragen. Es gilt: Je höher Temperatur, Qualität und Menge des Grundwassers am Aufstellort, desto produktiver arbeitet die Wärmepumpe.
Zentrales Element: das Kältemittel
Das Kältemittel spielt eine entscheidende Rolle bei der Funktion einer Wärmepumpe. Es ist das Medium, das die Wärmeenergie der Energiequelle aufnimmt, sie transportiert und schließlich an das Heizsystem abgibt. Es handelt sich dabei um eine chemische Substanz mit einer sehr tiefen Siedetemperatur. Die wichtigsten Eigenschaften von Kältemitteln auf einen Blick:
Fähigkeit zur Wärmeübertragung: Kältemittel können Wärme aufnehmen und sie wieder an die Umgebung abgeben.
Optimaler Phasenwechsel: Ein Kältemittel kann seinen Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig ändern.
Niedriger Gefrierpunkt: Die meisten Kältemittel frieren selbst bei niedrigen Temperaturen nicht ein.
Druck-Temperatur-Verhalten: Kältemittel weisen ein bestimmtes Druck-Temperatur-Verhalten auf. Das bedeutet, dass bei einem gegebenen Druck eine bestimmte Temperatur vorliegt und umgekehrt.
Chemische Stabilität: Kältemittel gehen keine unerwünschten Reaktionen mit anderen Komponenten in der Wärmepumpe ein.
Gute Kältemittel sind in der Lage, selbst bei Temperaturen bis −20 °C Wärme in das Heizungssystem einzuspeisen. Auch bei niedrigen Temperaturen gibt es immer noch eine gewisse Menge an thermischer Energie in der Umgebung, die vom Kältemittel aufgenommen werden kann. Dieses Phänomen basiert auf den thermodynamischen Eigenschaften des Kältemittels. Während des Verdampfungsprozesses im Verdampfer der Kälteanlage wird das Kältemittel in Kontakt mit einem Medium gebracht, das eine niedrigere Temperatur hat als das Kältemittel selbst. Das Kältemittel nimmt die Wärmeenergie aus diesem Medium auf, was dazu führt, dass es verdampft und gasförmig wird. Als natürliches Kältemittel kann etwa R290 Propan verwendet werden.
Monoblock und Split-Bauweise
Split-Bauweise
Eine Split-Wärmepumpe besteht aus einer Außeneinheit und einer Inneneinheit, die über Leitungen miteinander verbunden sind. Vorteile sind die hohe Flexibilität in der Platzierung der Inneneinheiten und die individuelle Skalierbarkeit des Systems. Bei Splitgeräten wird das warme Wasser erst in der Inneneinheit erzeugt, das Kältemittel wird also ins Haus geleitet. Für den Einbau sind Eingriffe in die Gebäudehülle nötig, die eine Fachperson vornehmen sollte und die den Einbau aufwendiger machen.
Monoblock
Eine Monoblock-Wärmepumpe vereint alle Komponenten in einem Gehäuse. Sie wird in der Regel außerhalb des Gebäudes installiert, ähnlich wie eine Klimaanlage ‒ kann aber auch im Innenraum aufgestellt werden. In diesem Fall muss die Wärme nicht über lange Wege transportiert werden. Bei Außenaufstellung wird die Wärme über unterirdische Leitungen an den innen liegenden Wärmeverteilsystem- und Speicher abgegeben. Die Installation ist vergleichsweise einfach und günstig. Beim Monoblock-System besteht allerdings eine gewisse Einfriergefahr der Leitungen.
Warum lohnt sich eine Wärmepumpe?
Um die Energieeffizienz eures Hauses zu erhöhen, könnt ihr eine Wärmepumpe ganz einfach nachrüsten. Im Vergleich zu herkömmlichen Heizsystemen wie Öl- oder Gasheizungen sind mit Ökostrom betriebene Wärmepumpen deutlich effizienter, umweltfreundlicher und sie reduzieren euren Energieverbrauch sowie die Heizkosten.
Weitere Funktion: mit der Wärmepumpe im Sommer das Haus kühlen
Eine Wärmepumpe kann im Sommer ihre Funktionsweise umkehren und als eine Art Klimaanlage fungieren, indem sie Wärme aus dem Inneren des Gebäudes aufnimmt und nach außen abführt. Voraussetzung dafür ist, dass die Wärmepumpe reversibel gebaut wurde und der thermodynamische Prozess umgekehrt werden kann. In diesem Fall entzieht die Wärmepumpe den Wohnräumen Wärme und leitet diese über den bereits beschriebenen Prozess im Wärmegewinnungskreislauf in die Umwelt ab. Als Kühlfläche wird die Fußbodenheizung genutzt. Damit die Kondensation im Inneren des Hauses nicht zum Problem wird, muss die Luftfeuchtigkeit laufend überwacht werden.
Es gibt zwei unterschiedliche Kühlfunktionen bei einer Wärmepumpe:
| Aktive Kühlung („Active Cooling“) | • Es wird aktiv Wärme aus dem Gebäude entfernt und abgeführt. • Für den reversiblen Betrieb wird zusätzlich Strom benötigt. • Die aktive Kühlung hat eine höhere Leistung als die passive Form. • Eignet sich vorrangig bei Luft-Wasser-Wärmepumpen. |
| Passive Kühlung („Passive Cooling“) | • Wärme wird allein durch die Umwälzpumpe aus dem Gebäude geführt. • Die passive Kühlung ist energieeffizienter. • Eignet sich nur für Sole-Wasser- oder Wasser-Wasser-Wärmepumpen. |
Funktioniert eine Wärmepumpe auch bei Minusgraden?
Eine Wärmepumpe kann auch im Winter effizient arbeiten und Wärme für Heizzwecke bereitstellen. Die meisten Wärmepumpen nutzen ein Kältemittel, das auch noch bei zweistelligen Minusgraden einen gasförmigen Aggregatzustand annimmt und dadurch Energie übertragen kann. Fortschritte in der Wärmepumpentechnologie haben dazu geführt, dass moderne Geräte auch bei niedrigen Temperaturen noch sehr effizient arbeiten.
Insbesondere Wärmepumpen, die ihre Energie aus der Erde oder dem Grundwasser ziehen, arbeiten bei Minusgraden weiterhin konsequent. Die Leistung von Luftwärmepumpen kann sich gegebenenfalls verringern, sodass mehr Strom zur Erzeugung von Energie verwendet werden muss. Diese Geräte verfügen über eine Abtaufunktion, die das Einfrieren der Leitungen verhindert.
Eine Wärmepumpe kann im Winter durch ein zusätzliches Heizsystem, wie etwa eine elektrische Heizung oder eine Fußbodenheizung, unterstützt werden. Dieses System kann einspringen, wenn die Außentemperaturen sehr niedrig sind und die Wärmepumpe möglicherweise nicht genügend Wärme erzeugen kann. Diese Hybridlösung sorgt für eine zuverlässige Beheizung des Gebäudes.
Wärmepumpen-Hybridsysteme
Besonders stark sind Wärmepumpen im Verbund mit weiteren Anlagen, etwa mit Solarthermie, einer Gasheizung oder Photovoltaik. Je nach Baujahr eures Hauses können Kombi- oder Hybridsysteme sinnvoll sein, damit ihr zuverlässig mit Energie versorgt seid.
Wärmepumpe und Photovoltaik
Hier handelt es sich nicht um ein Hybrid-, sondern ein Kombisystem, denn die Wärmepumpe wird durch die Solarmodule unterstützt. Sie erzeugen den für den Betrieb der Wärmepumpe benötigten Strom – komplett klimafreundlich. Mit dem Kombipaket steigert ihr zudem die Wirtschaftlichkeit eurer PV-Anlage, indem ihr möglichst viel eures produzierten Solarstroms selbst nutzt. Mit optimal aufeinander abgestimmten Komponenten macht ihr euch unabhängiger von externer Strom- und Wärmeversorgung und schützt gleichzeitig das Klima. Win-win-Situation!
Wärmepumpe und Solarthermie
Ideal für den Neubau: Solarkollektoren auf dem Dach erzeugen Wärme, die in den Pufferspeicher der Heizung eingespeist wird. Alternativ heizt die Solarthermieanlage die Wärmequelle der Wärmepumpe auf. Die Kombi aus Solarthermie und Wärmepumpe ist jedoch meist teuer. Eine PV-Anlage kann hier die effizientere Lösung sein.
Wärmepumpe und Gasheizung
Bei sehr niedrigen Außentemperaturen kann der Wirkungsgrad der Wärmepumpe sinken. In diesem Fall schaltet sich die Gasheizung hinzu. Ist eure Gasheizung noch intakt, kann eine solche Hybridheizung eine Lösung für euch sein, klimafreundlicher zu heizen. Nachhaltiger ist jedoch der Einsatz einer Wärmepumpe als alleiniges Heizsystem.
Photovoltaik und Wärmepumpe: das perfekte Match
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Zum Komplettpaket aus WärmePumpe und SolarAnlageDie häufigsten Fragen zur Funktion einer Wärmepumpe
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Die Begriffe beziehen sich auf die Art und Weise, wie die Wärmeversorgung im Gebäude sichergestellt wird. Im monovalenten Betrieb versorgt allein die Wärmepumpe das Gebäude mit der gesamten benötigten Heizleistung. Im bivalenten Betrieb arbeitet die Wärmepumpe in Kombination mit einer anderen Heizung, etwa einer Gasheizung oder einem Ölkessel. Vereinfacht gesagt: Monovalent bedeutet, dass man nur mit einem Energiemedium heizt (z. B. Strom) und bivalent mit zwei Energiemedien (Strom und Gas).
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Der Hauptunterschied liegt hauptsächlich in der Art und Weise, wie die Systeme Wärme erzeugen. Eine Wärmepumpe nutzt Energiequellen wie Luft, Wasser oder Erdwärme, um Wärmeenergie zu gewinnen. Eine Gasheizung hingegen verbrennt fossilen Brennstoff wie Erdgas, um Wärme zu erzeugen. Deshalb ist eine Wärmepumpe nicht nur nachhaltiger als eine Gasheizung, sondern auch kostengünstiger und effizienter.
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Die Anschaffungskosten einer Wärmepumpe sind in der Regel höher als die einer konventionellen Gasheizung oder eines Ölkessels, allerdings amortisieren sich die Mehrkosten mit der Zeit durch die eingesparten Heizkosten. Eine Wärmepumpe benötigt elektrische Energie, um zu funktionieren, sie ist also von einer zuverlässigen Stromversorgung abhängig. Bei der Installation von Sole-Wasser- und Wasser-Wasser-Wärmepumpen sind aufwendigere Erdarbeiten und zum Teil Genehmigungen notwendig.
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Mit Vorlauftemperatur wird die Systemtemperatur eines gesamten Heizsystems bezeichnet. Sie muss so gewählt sein, dass ihr in eurem Zuhause abhängig von der Außentemperatur die gewünschte Wohlfühltemperatur erreichen könnt. Bei flächigen, effizienten Heizkörpern ‒ beispielsweise einer Fußbodenheizung ‒ benötigt ihr eine geringere Vorlauftemperatur. Bei alten Heizkörpern, die eher ineffizient Wärme an den Raum abgeben, muss die Vorlauftemperatur höher sein. Deshalb kann die genaue Vorlauftemperatur je nach Art der Wärmepumpe, dem Heizsystem und den Anforderungen des Gebäudes variieren. Grundsätzlich werden bei einer Wärmepumpe jedoch möglichst niedrige Vorlauftemperaturen angestrebt, um die Effizienz des Systems zu maximieren.
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Eine Hochtemperatur-Wärmepumpe ist eine spezielle Art von Wärmepumpe, die in der Lage ist, höhere Vorlauftemperaturen zu erzeugen als herkömmliche Wärmepumpen (bis zu 70 °C statt „nur“ 55 bis 60 °C). Sie werden eingesetzt, wenn ein Gebäude etwa aufgrund des Denkmalschutzes nicht gedämmt werden kann oder keine neuen Heizkörper installiert werden können. In der Regel können Vorlauftemperaturen von 55 bis 60 °C aber in jedem Wohngebäude realisiert werden.
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Grundsätzlich muss die Verfügbarkeit der Wärmequelle gegeben sein – bei Wasser-Wasser-Wärmepumpen etwa ein ausreichend hoher Grundwasserstand und eine gute Qualität. Insbesondere bei Luftwärmepumpen ist es sinnvoll, sich im Vorfeld anzuschauen, ob die Vorlauftemperatur gesenkt werden kann. Je niedriger die Vorlauftemperatur, desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe. Außerdem kann eine Luftwärmepumpe dann auch gut mit älteren Heizkörpern kombiniert werden, ohne diese austauschen zu müssen.
Darüber hinaus sollte das Haus gut und gedämmt sein, damit die erzeugte Energie auch effektiv genutzt werden kann. Da bei Luftwärmepumpen zudem Geräuschemissionen entstehen, müssen die Abstandsregeln zum Nachbargrundstück eingehalten werden. Das ist in Reihenhaussiedlungen oft schwierig.
Der einfachste Weg zur Prüfung der Voraussetzungen ist eine Heizlastberechnung. Dabei wird berechnet, ob ihr alle Voraussetzungen für eine Wärmepumpe erfüllt, und Heizungsanlage und Gebäudegegebenheiten werden optimal aufeinander abgestimmt. Lasst euch bei LichtBlick beraten.
