Wie funktioniert die Wärmepumpe – Einfach erklärt

Wärmepumpen entziehen ihrer Umwelt Wärmeenergie und wandeln diese durch einen physikalischen Kältemittel-Prozess in Heizwärme um. Diese Wärmeenergie wird entweder der Umgebungsluft, dem Grundwasser oder dem Erdreich entnommen. Damit funktionieren sie ähnlich wie Kühlschränke, nur umgekehrt.

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So funktionieren Kältemittel in Wärmepumpen

Wärmepumpen arbeiten immer nach dem Prinzip des sogenannten Kältemittelkreislaufs, unabhängig davon, ob Wasser, Erde oder Luft als Wärmequelle dient. Dieser Prozess findet in einem geschlossenen Kreislauf statt und wiederholt sich kontinuierlich. Er erfolgt in vier Schritten:

Schritt 1: Verdampfen der Flüssigkeit

Ein Verdampfer überträgt die Wärme aus der Umwelt an die Wärmepumpe. Dort nimmt das flüssige Kältemittel die Wärmeenergie auf, verdampft und geht in einen gasförmigen Zustand über. Der Kältemittelkreislauf wird auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen in Gang gesetzt, da selbst im Winter ausreichend Umweltwärme vorhanden ist, um das spezielle Kältemittel zum Verdampfen zu bringen. Wärmepumpen funktionieren daher das ganze Jahr über, sowohl im Winter als auch im Sommer.

Schritt 2: Gasverdichtung

Das gasförmige Kältemittel wird durch einen Kompressor verdichtet. Durch diese Verdichtung steigen der Druck sowie das Temperaturniveau stark an. Der Kompressor wird in der Regel elektrisch betrieben, weshalb Wärmepumpen für ihren Antrieb anteilig Strom benötigen. Für die Verdichtung des Kältemittels wird durchschnittlich nur ein Viertel der Gesamtenergie benötigt, während der Großteil weiterhin aus kostenloser Umweltenergie stammt, was Wärmepumpen zu einer äußerst effizienten Methode zur Wärmegewinnung macht.

Schritt 3: Verflüssigung des Gases

Das verdichtete und erhitzte Kältemittel wird an den Heizkreislauf übertragen. Dort kühlt es ab und kehrt in einem Kondensator in seinen ursprünglichen, flüssigen Zustand zurück. Wärmepumpen nutzen für die Verflüssigung einen Wärmetauscher. Die dabei entstandene Wärme kann zur Raumheizung genutzt werden. Wärmepumpen sind in der Regel mit einem Pufferspeicher ausgestattet, um die Wärme zu speichern.

Schritt 4: Entspannung

Um den Druck des flüssigen Kältemittels wieder zu senken, wird ein Expansionsventil genutzt. Dadurch kühlt das Kältemittel weiter ab, bis die Ausgangstemperatur erreicht wird. Der Kreislauf beginnt dann von vorne.

Wie funktioniert eine Luft-Wasser-Wärmepumpe?

Luft-Wasser-Wärmepumpen nutzen die Umweltwärme aus der Außenluft und bestehen aus ein oder zwei Einheiten. Oftmals werden sie als Monoblock-Variante installiert, es gibt jedoch auch Split-Versionen. Sie werden in der Regel vor dem Haus installiert, wo der direkte Zugang zur Wärmequelle gegeben ist. Ein Ventilator saugt die Außenluft an, und die Temperatur der Außenluft reicht auch im Winter aus, um das Kältemittel zum Verdampfen zu bringen. Luft-Wasser-Wärmepumpen funktionieren daher auch bei sehr niedrigen Temperaturen zuverlässig.

Luft-Wasser-Wärmepumpen sind die beliebtesten Wärmepumpen in Deutschland, vor allem wegen der flexiblen und günstigeren Installation. Sie eignen sich besonders für Altbauten und kleinere Eigenheime, da auf dem bereits bebauten Grundstück keine Arbeiten zur Erschließung der Wärmequelle durchgeführt werden müssen. Unsere Firma ist auf die Installation und Inbetriebnahme von Luft-Wasser-Wärmepumpen der Marke DEFRO GmbH spezialisiert.

Weitere Informationen finden Sie unter folgendem Link: https://www.panamsolar.de/waermepumpe

Die Funktionsweise einer Erdwärmepumpe

Erdwärmepumpen, auch als Sole-Wasser-Wärmepumpen bekannt, gewinnen Umweltwärme aus dem Erdreich. Die Temperaturen im Erdreich liegen in der Regel zwischen 7 und 13 Grad Celsius, je nach Bodenqualität und Erdtiefe. Selbst wenn die obere Erdschicht gefroren ist, bleiben diese Temperaturen konstant. Die gewonnene Umweltwärme wird durch einen Kreislauf mit Kältemittel geleitet und zum Heizen genutzt.

Erdwärme lässt sich mittels Erdkollektoren gewinnen, die nah unter der Erdoberfläche verlegt werden. Eine andere Methode ist die Verlegung von Erdsonden, die bis zu 100 Meter tief in der Erde liegen können. Diese Variante erfordert Erdgrabungen oder Bohrungen, kann jedoch notwendig sein, wenn die Bodenqualität in geringer Tiefe nicht ausreicht, um die Effizienz der Erdwärmepumpe zu gewährleisten.

So funktioniert eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe

Wasser-Wasser-Wärmepumpen, auch Grundwasserwärmepumpen genannt, nutzen die im Grundwasser enthaltene Wärmeenergie. Dafür werden ein oder zwei Brunnen gegraben, durch die das Grundwasser mittels Rohren zur Wärmepumpe gelangt. Die Wärme aus dem Grundwasser wird durch den Verdichter aufgenommen, das Kältemittel verdampft, und der Wärmepumpenkreislauf wird in Gang gesetzt. Die Tiefe der Bohrung richtet sich nach der Höhe des Grundwasserspiegels.

Die Funktion von Grundwasserwärmepumpen kann durch zunehmende Dürreperioden beeinträchtigt werden. Dieses Phänomen trat beispielsweise im Sommer 2023 vermehrt in einigen Regionen Deutschlands auf, in denen der Grundwasserspiegel zu niedrig war. Dadurch funktionierten einige Grundwasserwärmepumpen nicht mehr ordnungsgemäß und fielen zeitweise aus. Dieses Problem ist jedoch behoben, sobald die Grundwasserspiegel wieder aufgefüllt sind. Zum Defekt einer Anlage kommt es dadurch in der Regel nicht.

Wie funktioniert die Wärmepumpe bei Minusgraden?

Auch an kalten Wintertagen geben Grundwasser, Außenluft und Erdreich ausreichend Wärme ab, um Ihr Haus zu heizen und mit warmem Frischwasser zu versorgen. Selbst bei Außentemperaturen von bis zu minus 20 Grad sind Wärmepumpen technisch in der Lage, ausreichend Wärmeenergie zu produzieren. Bei sehr niedrigen Temperaturen arbeitet die Anlage lediglich etwas weniger effizient.

Wärmepumpen können vereisen, was jedoch kein Grund zur Sorge ist und den Betrieb nicht einschränkt. Anlagen, die außerhalb des Hauses installiert sind, verfügen immer über eine automatische Abtaufunktion.

Ein weitverbreiteter Irrglaube ist, dass Wärmepumpen bei sehr niedrigen Temperaturen ausfallen. Dies widerlegt die hohe Wärmepumpendichte in skandinavischen Ländern, wo im Jahr 2022 zehnmal mehr Wärmepumpen installiert wurden als in Deutschland – trotz deutlich härterer Winter.

Welche Funktion hat der Heizstab in der Wärmepumpe?

Luft-Wasser-Wärmepumpen arbeiten im sogenannten monoenergetischen Betrieb, bei dem zur Heizungsunterstützung ein zweiter Wärmeerzeuger eingebaut ist – in der Regel ein elektrisch betriebener Heizstab. Dieser kommt nur zum Einsatz, wenn die Temperaturen auf ein sehr niedriges Niveau sinken und die Wärmepumpe alleine nicht mehr effizient heizen kann. Solche Temperaturen gibt es in unseren Breitengraden jedoch immer seltener, weshalb der Anteil des Heizstabs weniger als fünf Prozent des jährlichen Heizbedarfs ausmacht. Das Zu- und Abschalten übernimmt die Wärmepumpe automatisch.

Ein Heizstab kann auch zum Erhitzen von Flüssigkeiten eingesetzt werden. Dabei wird durch elektrische Energie eine Metallkomponente erhitzt, die ihre Wärme z. B. auf Wasser überträgt. Solche Heizstäbe finden sich in Pufferspeichern von Wärmepumpenheizungen und dienen auch zur Warmwasserbereitung. Sie können mit Solarlösungen wie Photovoltaik oder Solarthermie betrieben werden.

Wärmepumpe mit Photovoltaik kombinieren

Die Kombination aus Wärmepumpe und Photovoltaikanlage (PV-Anlage) ist besonders effizient. Wärmepumpen nutzen rund 75 Prozent kostenlose Umweltenergie zur Wärmegewinnung. Lediglich zur Verdichtung des Kältemittels benötigt der Kompressor Strom, was etwa 25 Prozent des Energiebedarfs ausmacht. So kann eine Wärmepumpe aus einer Kilowattstunde Strom drei bis fünf Kilowatt Wärme produzieren, was einen Wirkungsgrad von 300 bis 500 Prozent ergibt.

Der Wirkungsgrad anderer Heizsysteme – wie Öl- oder Gasheizungen mit Brennwerttechnik – beträgt in der Praxis maximal 100 Prozent.

Der Stromverbrauch einer Wärmepumpenheizung hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter das verwendete Kältemittel, die korrekte Dimensionierung der Wärmepumpe und eine gute Dämmung von Fenster und Türen. Eine aufwändige Fassadendämmung ist bei Altbauten in der Regel nicht notwendig, damit Wärmepumpen effizient funktionieren.

Wichtig ist, dass die Warmwasserleitungen gut isoliert sind, um Energieverluste zu reduzieren und den Wärmebedarf zu minimieren. Dies beeinflusst die Vorlauftemperatur der Wärmepumpe positiv. Wer im Winter etwas geringere Raumtemperaturen akzeptiert, kann zusätzlich Energie und Heizkosten sparen.

Mit einer Photovoltaikanlage wird der benötigte Strom zum Großteil kostenlos gewonnen, weshalb sich eine solche Kombination besonders lohnt. Eine Solaranlage produziert auch im Winter ausreichend Strom für die Wärmepumpe. Eine ausführliche Erklärung, wie Photovoltaik funktioniert, finden Sie in einem unserer anderen Artikel unter folgendem Link: https://panamsolar.de/was-ist-photovoltaik-ein-leitfaden-fuer-angehende-solaranlagenbesitzer/

Lohnt sich der Umstieg auf eine Wärmepumpe im Altbau?

Aufgrund steigender Heizkosten und der CO₂-Bepreisung ab 2021 ist der Betrieb einer Wärmepumpenheizung günstiger als der einer Gas- oder Ölheizung. Der Einsatz von Wärmepumpen ist daher auch im Gebäudebestand sinnvoll.

Für Luft-Wasser-Wärmepumpen eignen sich moderne Niedertemperatur-Heizkörper oder vorhandene Heizkörper, die größer dimensioniert werden. Diese können Vorlauftemperaturen bis zu 55 Grad Celsius effizient verarbeiten.  Alte Gebäude sind äußerst vielfältig. Einige wurden modernisiert, aber um genau zu bewerten, ob eine Wärmepumpe geeignet ist, ist eine energetische Analyse erforderlich. In manchen Fällen bieten wir unseren Kunden vollautomatisierte Pelletöfen als hervorragende Alternative zur Wärmepumpe an.

Funktionieren Wärmepumpen auch ohne Fußbodenheizung?

Die Kombination aus Wärmepumpe und Fußbodenheizung ist nicht notwendig. Zwar sind viele Neubauten mit Fußbodenheizungen ausgestattet, was für Wärmepumpen ideal ist, da beide Systeme mit ähnlichen Vorlauftemperaturen arbeiten. Doch Wärmepumpen funktionieren auch mit normalen Heizkörpern sehr gut. Wichtig ist die korrekte Dimensionierung der Wärmepumpe durch einen Fachbetrieb, unabhängig vom Gebäudealter.

In welchen Gebäuden funktioniert die Wärmepumpe am besten?

Wärmepumpen funktionieren durch technischen Fortschritt auch im Altbau sehr effektiv und sind für die Nachrüstung im Gebäudebestand wirtschaftlich sinnvoll. Rund 40 Prozent aller Bestandsbauten in Deutschland können ohne zusätzliche Sanierungsmaßnahmen effizient mit einer Wärmepumpe beheizt werden, was etwa 30 Prozent Heizkostenersparnis bringt. Rund 60 Prozent aller Neubauten werden von Anfang an mit Wärmepumpen ausgestattet und heizen ohne fossile Brennstoffe.

Luft-Wasser-Wärmepumpen haben sich durch ihre kompakte Bauweise und flexible Installation für Einfamilienhäuser bewährt.

Funktioniert die Wärmepumpe auch zum Kühlen?

Wärmepumpen werden primär zum Heizen und zur Warmwasserversorgung genutzt, können aber auch als Klimaanlage dienen. Grundwasser- und Erdwärmepumpen eignen sich ebenfalls zur Kühlung, basierend auf demselben Funktionsprinzip wie Luft-Wasser-Wärmepumpen. Hierbei wird zwischen aktiver und passiver Kühlung unterschieden:

Funktionsprinzip der Wärmepumpe bei der aktiven Kühlung

Bei der aktiven Kühlung invertiert die Wärmepumpe ihren Kältemittelkreislauf, nimmt Wärme aus dem Innenraum auf und gibt sie an die Umgebung ab. Diese Methode ist sehr effizient, benötigt jedoch den strombetriebenen Kompressor, was den Stromverbrauch erhöht.

So funktionieren Wärmepumpen mit passiver Kühlung

Um den Energieverbrauch zu minimieren, kann die passive Kühlung genutzt werden. Dabei wird die Wärme aus dem Raum über das Heizwasser aufgenommen, durch den Wärmetauscher gekühlt und dann an die Heizkörper zurückgeführt, wobei der strombetriebene Kompressor umgangen wird. Diese Kühlungsart ist weniger effektiv, aber besonders sparsam.

Luft-Wasser-Wärmepumpen können nur aktiv kühlen, während Grundwasser- und Erdwärmepumpen je nach Anlage beide Kühlvarianten bieten.

Eine Sonderform sind Luft-Luft-Wärmepumpen, die Wärme auf die Raumluft übertragen und als Klimageräte dienen, jedoch kein Frischwasser erwärmen können.

Wärmepumpe richtig einstellen

Eine korrekte Dimensionierung und fachgerechte Installation sind für die Effizienz von Wärmepumpen entscheidend. Heizungsinstallateure berechnen die Heizlast des Gebäudes, berücksichtigen den Wärmebedarf und mögliche Wärmeverluste, um die Leistung der Wärmepumpe optimal anzupassen. Eine optimal dimensionierte Wärmepumpe sollte den Wärmebedarf knapp, aber ausreichend decken können.

Moderne Wärmepumpen erkennen die Umgebungstemperatur und stellen sich automatisch auf Sommer- oder Winterbetrieb um. Eine regelmäßige Wartung gewährleistet den reibungslosen Betrieb. Wichtig ist, zwischen dem Betrieb einer Gasheizung und einer Wärmepumpe zu unterscheiden, da beide Systeme auf unterschiedlichen Funktionsprinzipien basieren.

Welche Wärmepumpe ist für mich am besten geeignet?

Die Wahl der passenden Wärmepumpe hängt von den individuellen Gegebenheiten des Hauses ab. Luft-Wasser-Wärmepumpen sind oft die beste Wahl für Bestandsgebäude und Altbauten, da sie einfach vor dem Haus installiert werden können. Erd- oder Grundwasserwärmepumpen erfordern teure und aufwändige Installationen, die bis zu acht Monate dauern können und Genehmigungen benötigen. Sie sind häufig besser für Neubauten geeignet.

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