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Wie funktioniert eine Wärmepumpe?
Die Wärmepumpenheizung ist nicht nur aus ökologischer Sicht eine gute Wahl: Sie benötigt keine fossilen Brennstoffe, weist geringe Betriebskosten auf und es gibt für sie sehr gute Fördermöglichkeiten. Aus diesen Gründen setzen immer mehr Verbraucher auf den Einsatz einer Wärmepumpe. Bei Neubauten sind die umweltfreundlichen Heizsysteme fast ein Muss. Aber auch bei der Sanierung von Altbauten können sie infrage kommen. Doch wie funktioniert eine Wärmepumpe eigentlich und welche Wärmequelle können genutzt werden? Das erfährst du hier.
Die Funktionsweise einer Wärmepumpe
Die Funktionsweise einer Wärmepumpe ist die Gleiche wie bei einem Kühlschrank – nur in umgekehrter Richtung. Denn während der Kühlschrank Kälte erzeugt, sorgt die Wärmepumpe für wohlige Wärme im Haus. Sie besteht aus 3 Komponenten: der Wärmequellenanlage, der Wärmepumpe und einem Verteil- und Speichersystem. Dementsprechend funktioniert der sogenannte Kältekreisprozess einer Wärmepumpe in 3 Schritten.
- Schritt 1: Wärmegewinnung aus einer Wärmeenergiequelle
In der Wärmequellenanlage wird beispielsweise dem Erdreich oder Grundwasser Wärme entzogen und an einen Flüssigkeitskreislauf im Inneren der Wärmequellenanlage abgegeben. Die erwärmte Flüssigkeit wird anschließend zur Wärmepumpe weitergeleitet.
- Schritt 2: Erhöhung des Temperaturniveaus
Die Wärmepumpe verfügt über einen eigenen Kältemittelkreislauf. Zunächst wird die Wärme aus dem ersten Kreislauf über einen Verdampfer an den Kältemittelkreislauf abgegeben. Das Kältemittel verdampft durch die aufgenommene Wärme. Anschließend wird der Druck des jetzt gasförmigen Kältemittels in einem Verdichter erhöht. In einem weiteren Wärmetauscher, dem Verflüssiger, kondensiert das heiße Kältemittelgas wieder. Dabei gibt das Kältemittel die gespeicherte Wärme an das Verteil- oder Speichersystem. In einem letzten Schritt durchströmt das Kältemittel ein Expansionsventil, wodurch Temperatur und Druck weiter sinken. Danach wird das Kältemittel wieder dem Verdampfer zugeführt.
- Schritt 3: Wärmenutzung
Die im Verflüssiger vom Kältemittel abgegebene Wärme wird entweder direkt in den Kreislauf der Heizung eingespeist oder in einem Heizungspuffer- bzw. Warmwasserspeicher für eine spätere Nutzung zwischengespeichert.
Die verschiedenen Wärmequellen
Es gibt verschiedene Arten einer Wärmepumpe: Luft-Luft-Wärmepumpe, Wasser-Wasser-Wärmepumpe, Sole-Wasser-Wärmepumpe und die Luft-Wasser-Wärmepumpe. Wärmepumpen können je nach Funktionsprinzip auf unterschiedliche Wärmequellen für die Heizung von Räumen oder die Warmwasserbereitung zurückgreifen. Grundsätzlich kommen als Wärmequellen die Umgebungsluft, das Erdreich und das Grundwasser infrage. Spezielle Wärmepumpen können auch die warme Abluft aus einem Gebäude oder die Wärme im Abwasser nutzen.
- Das Erdreich als Quelle für Wärmeenergie
Ab einer gewissen Tiefe ist die Temperatur im Boden das ganze Jahr hinweg konstant. Über Flächenkollektoren, die in einer Tiefe von etwa 1,5 Meter im Boden verlegt werden, oder mittels sogenannter Erdwärmesonden kann diese Wärme genutzt werden. Erdsonden reichen etwa 30 bis 100 Meter tief in den Boden. Der Vorteil von Erdwärmesonden ist, dass sie nur wenig Platz auf dem Grundstück benötigen. Die dafür erforderlichen Tiefbohrungen sind jedoch genehmigungspflichtig.
- Wärmeenergie aus dem Grundwasser
Das Grundwasser hat, wie das Erdreich, das ganze Jahr über eine gleichbleibende Temperatur. Voraussetzung für die Nutzung als Wärmeenergiequelle ist, dass genügend Grundwasser auf dem Grundstück vorhanden ist, das mit einer bestimmten Geschwindigkeit fließt. Auch die Qualität des Wassers muss bestimmten Anforderungen entsprechen. Beides kannst du nur durch kostspielige Analysen und Probebohrungen feststellen lassen. Wenn die Wärme aus dem Grundwasser also für Wärmepumpen genutzt werden soll, muss dies die Wasserbehörde genehmigen.
- Luft als Quelle für Wärmeenergie
Die am einfachsten zugängliche Wärmequelle für Wärmepumpen ist die Umgebungsluft. Hierfür sind keine aufwendigen technischen Anlagen erforderlich. Die Umgebungsluft wird von der Wärmequellenanlage der Wärmepumpe einfach nach Bedarf angesaugt. Der Nachteil ist jedoch, dass die Lufttemperatur im Laufe des Jahres stark schwankt und immer dann am kältesten ist, wenn der Wärmebedarf für die Heizung am größten ist.
Prinzip der Wärmepumpe am Beispiel einer Luft-Wasser Wärmepumpe
Die Luft-Wasser-Wärmepumpe entzieht der Umgebungsluft Wärme. In einem ersten Schritt wird die Umgebungsluft von einem Ventilator angesaugt und direkt zum Verdampfer geleitet. Das im Verdampfer der Luft-Wasser-Wärmepumpe zirkulierende Kältemittel erwärmt sich durch die zugeführte Luft so lange, bis es verdampft. Der Dampf wird weiter zu einem Verdichter geleitet. Der Verdichter erhöht den Druck des Dampfes. Dadurch steigt die Dampftemperatur weiter. Sobald der Dampf das gewünschte Temperaturniveau erreicht hat, wird er zu einem zweiten Wärmeübertrager weitergeleitet. Hier wird die aufbereitete Wärme an das Heizungswasser abgegeben. Dabei kühlt der Dampf ab und kondensiert wieder zur Flüssigkeit. Bevor das weitestgehend abgekühlte Kältemittel erneut erwärmt werden kann, durchströmt es das Expansionsventil. Dabei sinken die Temperatur und der Druck wieder auf das ursprüngliche Niveau und der Kreislauf kann von vorn beginnen.
Wie funktioniert eine Wärmepumpe im Winter?
Für Wärmepumpen, die das Erdreich oder Grundwasser als Wärmequelle nutzen, spielt es keine Rolle, wenn es im Winter eisig kalt wird. Luft-Wasser-Wärmepumpen funktionieren bei Außentemperaturen von bis zu -20 Grad Celsius. Bei Außentemperaturen von -7 Grad Celsius oder weniger wird ein elektrischer Heizstab zugeschaltet. Dadurch steigt zwar der Stromverbrauch, der Anteil des Heizstabes am Gesamtwärmebedarf beträgt jedoch weniger als 5 Prozent. (Quelle: Energie-Lexikon)
Wärmepumpen sind umweltfreundlich und energiesparend
Ob im Neubau oder nachgerüstet im Altbau: Wärmepumpen sorgen umweltfreundlich und energiesparend für angenehme Raumtemperaturen. Die Funktionsweise ist seit vielen Jahren bewährt. Sie erzeugen mehr Wärmeenergie für die Raumheizung als sie selbst an elektrischer Energie verbrauchen. Die Umweltbilanz ist optimal, wenn sie mit Strom aus erneuerbaren Energien oder der Photovoltaikanlage auf dem eigenen Dach betrieben werden.
