Wie funktioniert eine Wärmepumpe
Immer wieder hört man, wie umweltfreundlich und günstig Wärmepumpen sind. Doch wie genau funktionieren sie? Weshalb sind sie so sparsam? Und sind sie für jeden geeignet?
Wärmepumpen funktionieren wie Kühlschränke
Das Prinzip ist ganz einfach erklärt! Wärmepumpen arbeiten im Prinzip wie Kühlschränke, nur eben umgekehrt.
Ein Kühlschrank entzieht den Lebensmitteln Wärme und gibt diese über Lamellen (ungenutzt) an seine Umgebung ab. Eine Wärmepumpe wiederum entzieht ihrer Umwelt außerhalb des Hauses Wärme (Wärmequelle) und macht diese Wärmeenergie für die Heizung nutzbar.
Das heißt, für die Heizung und die Warmwasseraufbereitung nutzt die Wärmepumpe natürliche Wärmequellen wie Luft, Grundwasser oder das Erdreich.
Wie funktioniert der Wärmeprozess?
Unabhängig davon, ob die Wärmepumpe als Wärmequelle Luft, Wasser oder das Erdreich nutzt, wird ein Kältekreisprozess benötigt, um Warmwasser aufzubereiten oder zu heizen. Der wiederkehrende Arbeitsprozess einer Wärmepumpe besteht immer aus 4 Schritten:
- Verdampfen
- Verdichten
- Kondensieren
- Entspannen
Sehen wir uns die einzelnen Schritte nun genauer an:
- 1
Verdampfen
Wärmepumpen nutzen die Wärme ihrer Umgebung, also die in der Luft, im Boden oder im Grundwasser, als Hauptenergiequelle.
Um diese Umgebungswärme von einem relativ niedrigen, auf das für Heizung und Warmwasser erforderliche Temperaturniveau zu bringen, nutzt die Wärmepumpe ein Kältemittel. Das Kältemittel nimmt die Umweltwärme im flüssigen Zustand auf und verdampft aufgrund seines niedrigen Siedepunktes – das Kältemittel wird gasförmig.
In einem Wärmetauscher, dem sogenannten Verdampfer, wird die Umgebungsenergie vom Kältemittel aufgenommen, welches dann verdampft und die dabei aufgenommene Energie speichert.
- 2
Verdichten
Der strombetriebene Kompressor (Verdichter saugt das verdampfte Kältemittel an). Durch Antriebsenergie in Form von Strom wird das dampfförmige Kältemittel verdichtet, dadurch steigt die Temperatur auf das benötigte Niveau.
- 3
Verflüssigen
In einem weiteren Wärmetauscher, dem sogenannten Verflüssiger, wird das unter hohem Druck stehende heiße Kältemittelgas nun kondensiert, wodurch es seine Wärme an das Heizungsmedium (Luft, Wasser) wieder abgibt.
- 4
Entspannen
Das verflüssigte Kältemittel wird im Anschluss in eine Drossel geleitet, wo der Druck des Kältemittels wieder gesenkt wird (Expansions- bzw. Entspannungsventil).
Das flüssige Kältemittel wird schließlich zum Verdampfer zurückgeführt und der Kreislauf beginnt von vorne.
Leistung und Effizienz einer Wärmepumpe
Der sogenannte COP-Wert (Coefficient of Performance oder Leistungszahl) hilft dabei, verschiedene Modelle von Wärmepumpen miteinander zu vergleichen. Der COP-Wert zeigt, wie effizient eine Wärmepumpe als Heizquelle arbeitet.
- Tipp COP-Wert: Verhältnis der eingesetzten Energie zur erzeugten Energie (Energiegewinn)
Moderne Wärmepumpen erreichen dabei COP-Werte von 4 bis 5. Sie erzeugen also das 4- bis 5-Fache der eingesetzten Energie. Das heißt, mit 1 Kilowatt Strom wird das bis zu 5fache an Heizwärme erzeugt.
Diese Werte werden am ehesten erreicht, wenn:
- der Heizwärmebedarf durch Dämmung des Gebäudes möglichst gering gehalten wird
- das Heizsystem eine niedrige Vorlauftemperatur benötigt (Flächenheizung wie Fußboden- oder Wandheizungen)
- das ganze Jahr über eine von der Temperatur her gleichmäßige Wärmequelle vorhanden ist (Erdboden oder Grundwasser).
Generell gilt: Je geringer die Temperaturdifferenz, desto weniger Antriebsenergie wird benötigt und umso höher ist die Effizienz. Daher ist bei einer Luft-Wasser-Wärmepumpe der COP-Wert niedriger als bei einer Erdboden- oder Grundwasser Wärmepumpe.
Beim Kauf der Wärmepumpe hilft ein Blick auf das Energielabel. Auf diesem wird die Energieeffizienzklasse für Mittel- und Niedrigtemperaturanwendungen angegeben. Neue Wärmepumpen erreichen sehr gute Energieeffizienzklassen.
Kann man mit einer Wärmepumpe kühlen?
Die kurze Antwort dazu lautet, Ja. Voraussetzung ist aber, dass eine reversible Wärmepumpe zum Einsatz kommt. Wenn die Wärmepumpe in den Kühlbetrieb geschaltet wird, wird die Fließrichtung des Kältemittels umgekehrt. Durch die Fußbodenheizung strömt dann kaltes Wasser, dass die Wärme aus den Räumen aufnimmt. Da warme Luft nach oben steigt, kann mit einer "Fußbodenheizung" nur leicht gekühlt werden. Wenn ein Kühlkreis hingegen an der Decke montiert wird, kann die Raumtemperatur um einige Grade gesenkt werden.
Kühlung mit Erdwärme- oder Grundwasserpumpen
Die Temperatur im Erdreich ist im Sommer geringer als die Raumtemperatur und ermöglicht somit eine Kühlung des Gebäudes. Somit können Erd- oder Grundwasser-Wärmepumpen die Kühle des Erdreiches direkt nutzen.
Diese Art der Kühlung ist sehr energieeffizient, da nur die Pumpe im Betrieb ist und diese nur einen sehr geringen Energieaufwand verursacht. Diese Variante wird auch als passive Kühlung bezeichnet.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die im Sommer abgegebene Wärme im Boden gespeichert ist. Dadurch verbraucht die Wärmepumpe im Winter weniger Strom. Eine vergleichbare Technologie verwenden wir auch im neuen Stadtentwicklungsgebiet Village im Dritten.
Kühlung mit Luftwärmepumpe
Auch mit einer Luft-Wasser-Wärmepumpe kann durch Kreislaufumkehr gekühlt werden (= aktive Kühlung). Allerdings braucht diese Art der Kühlung mehr Strom als Erd- oder Grundwasser-Wärmepumpen.
Wärmepumpe im Sommer ausschalten?
Obwohl im Sommer mit der Wärmepumpe nicht geheizt wird, stellt sie das Warmwasser bereit. Also kann sie nicht ganz abgedreht werden. Auf alle Fälle sollte der Heizbetrieb im Sommer deaktiviert werden.
Während dem Sommerurlaub kann die Wärmepumpe ausgeschaltet werden - schließlich wird kein Warmwasser und keine Heizung benötigt. Bei der Rückkehr sollte aber unbedingt die thermische Warmwasserdesinfektion aktiviert werden!
Wann ist eine Wärmepumpe sinnvoll?
Wärmepumpen sind dann sinnvoll, wenn man von fossilen Energieträgern unabhängig sein möchte. Die Nutzung einer Wärmepumpe in Kombination mit Ökostrom ermöglicht einen CO₂-freien Betrieb. In Kombination mit einer Photovoltaikanlage ist man von Preisentwicklungen am Markt fast unabhängig.
Bei Wärmepumpen ist im Vergleich zu anderen Wärmesystemen mit höheren Anschaffungskosten zu rechnen. Dafür gibt es aber auch oft gute Förderungen. Der Betrieb der Wärmepumpe ist besonders günstig, die Betriebskosten liegen etwa bei der Hälfte von anderen Heizsystemen.
Ob eine Wärmepumpe eingesetzt werden kann, hängt auch stark von den Gegebenheiten wie z.B. Dämmungsgrad des Gebäudes, vorhandenen Wärmeabgabesysteme (z.B. Fußbodenheizung oder Radiatoren) ab.
