Funktionsweise einer Wärmepumpe - Alles Wissenswerte
Das Grundprinzip einer Wärmepumpe?
Wie funktioniert eine Wärmepumpe?
Eine Wärmepumpe funktioniert wie ein Kühlschrank, nur umgekehrt: Sie entzieht der Umwelt Wärme aus Luft, Boden oder Wasser, verdampft das Kältemittel, komprimiert den Dampf, wodurch die Temperatur steigt, und gibt die Wärme an das Heizsystem ab. So kann sie auch bei Minusgraden Heizwärme liefern.
Funktionsprinzip Schritt für Schritt
Die vier Schritte des Wärmepumpenzyklus.
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Die Wärmepumpe entzieht der Umwelt Wärme – entweder aus der Luft, dem Erdreich oder dem Grundwasser. Ein spezielles Kältemittel nimmt diese Energie auf und beginnt bereits bei sehr niedrigen Temperaturen zu verdampfen.
Moderne Wärmepumpen funktionieren auch bei kalten Wintertemperaturen bis -20 °C und sind damit ideal für das österreichische Klima geeignet.
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Ein elektrisch betriebener Kompressor verdichtet das gasförmige Kältemittel. Dabei steigen Druck und Temperatur stark an.
Die zuvor gewonnene Umweltenergie wird auf ein für Heizung und Warmwasser nutzbares Temperaturniveau gebracht – perfekt für Niedertemperatur-Heizsysteme wie Fußbodenheizung.
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Das erhitzte Kältemittel gibt die Energie im Wärmetauscher (Kondensator) an das Heizsystem im Haus ab. Dabei kondensiert das Gas wieder zu Flüssigkeit.
Das bedeutet:
- effiziente Raumheizung
- zuverlässige Warmwasserbereitung
- ideal kombinierbar mit Photovoltaik-Anlagen in Österreich
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Über ein Expansionsventil wird der Druck des Kältemittels wieder reduziert. Dadurch kühlt es stark ab und ist bereit, erneut Umweltwärme aufzunehmen. Ein geschlossener Kreislauf, der kontinuierlich und energieeffizient arbeitet.
Monovalenter und Bivalenter Betrieb
Was ist unter monovalentem und bivalentem Betrieb einer Wärmepumpe zu verstehen?
Eine Wärmepumpe kann allein für die Erzeugung von Wärme verantwortlich sein; dann spricht man von monovalentem Betrieb. Bei Hybridsystemen, in denen eine Wärmepumpe zusätzlich zu einem konventionellen Wärmerzeuger (z.B. Gasheizung) installiert wird, handelt es sich um bivalenten Betrieb.
Der monovalente Betrieb hat den Vorteil, dass keine Emissionen anfallen. Allerdings muss die Wärmepumpe dann besonders effizient arbeiten. Ein gut gedämmtes Haus und eine Region, in der die Temperaturen auch im Winter nicht zu tief fallen, ist für den monovalenten Betrieb ideal.
Wenn diese idealen Bedingungen nicht erreicht werden können oder der Wärmebedarf höher ist, dann bietet sich der bivalente Betrieb an. In solchen Fällen schaltet sich der konventionelle Heizkessel ein, um zusätzliche Wärme bereitzustellen und die gewünschte Raumtemperatur aufrechtzuerhalten. Der bivalente Betrieb ermöglicht es, die Effizienz der Wärmepumpe beizubehalten, auch wenn die Bedingungen nicht ideal sind.
Die zentralen Komponenten einer Wärmepumpe erklärt
Aufbau einer Wärmepumpe
Eine Wärmepumpe besteht im Prinzip aus 4 Grundkomponenten: Dem Verdampfer, dem Verdichter, dem Verflüssiger und dem Expander. Mit diesen Elementen lässt sich die Funktionsweise anschaulich in 4 Schritten erklären:
- Die aufgenommene Umweltwärme wird mithilfe eines Wärmetauscher im Verdampfer an das Kältemittel übertragen. Da dieses einen sehr niedrigen Siedepunkt hat, verdampft es augenblicklich.
- Das nun gasförmige Kältemittel wird danach in einem Verdichter komprimiert; dabei erwärmt es sich weiter.
- Im Verflüssiger – auch Kondensator genannt – wird über einen weiteren Wärmetauscher dem Gas die Wärme entzogen und an den Wärmespeicher des Heizsystems übertragen. Von hier gelangt sie dann als Heizungswärme in die Räumlichkeiten. Dabei kühlt das Kältemittel ab und verflüssigt sich wieder.
- Die Flüssigkeit gelangt in den Expander; hier wird ihr über das Expansionsventil der Druck entzogen. Dadurch wird das Kältemittel wieder auf die ursprüngliche Temperatur runtergekühlt und der Kreislauf beginnt von Neuem.
Die verschiedenen Wärmepumpentypen
Die Funktionsweisen der unterschiedlichen Wärmepumpenarten.
- Funktion einer LuftwärmepumpenMehr über Luftwärmepumpen erfahren
Luftwärmepumpen entziehen der Umgebungsluft Wärme und leiten diese an das Heizsystem Ihres Hauses weiter. Sie sind aufgrund ihrer einfachen Installation und Vielseitigkeit besonders beliebt. Je nach Ausführung kann der Kühlkreislauf entweder vollständig in einem Gerät integriert oder auf ein Innen- und ein Außengerät aufgeteilt sein.
- Funktion einer ErdwärmepumpeMehr über Erdwärmepumpen erfahren
Die Erdwärmepumpe nutzt die die thermische Energie des Bodens, die über Kollektoren oder Sonden in Heizenergie umgewandelt wird. Dazu wird eine Trägerflüssigkeit („Sole“) genutzt, die aus einem Frostschutzmittel und Wasser besteht. Diese wird über Leitungen von der Wärmepumpe durch das Erdreich und wieder zurück in die Wärmepumpe transportiert. Dabei erwärmt die thermische Energie der Erde die Sole, bis sie schließlich verdampft. In der Wärmepumpe wird dieser Dampf verdichtet und so weiter erhitzt, bevor der Kreislauf im Verflüssiger und im Expander weitergeht.
- Funktion einer Wasser-WärmepumpeMehr über Wasser-Wärmepumpen erfahren
Die Wasser-Wärmepumpe funktioniert über zwei separate Brunnen: Zum einen der Saugbrunnen, der das warme Grundwasser in die Anlage pumpt; zum anderen der Schluckbrunnen, der das abgekühlte Wasser wieder zurück transportiert. Über den Verdampfer wird die Grundwasserwärme an das Kältemittel abgegeben, das dann den bekannten Kreislauf durch die 4 Komponenten antritt.
Wärmepumpen bei kalten Temperaturen
Wie funktionieren Wärmepumpen im Winter?
Für Erd-Wasser- und Wasser-Wasser-Wärmepumpen ist der Betrieb im Winter kaum anders als im Sommer: Das Erdreich kühlt in der kalten Jahreszeit in der Tiefe, aus der die Wärme entnommen wird, nur wenig ab; und auch die Grundwassertemperatur, mit der die Wasser-Wasser-Wärmepumpe arbeitet, schwankt nur ganz minimal.
Anders sieht es dagegen bei der Luft-Wasser-Wärmepumpe aus: Hier kann die Lufttemperatur schon mal über einen längeren Zeitraum auf oder sogar unter den Gefrierpunkt fallen. Und trotzdem kann die Wärmepumpe mit der oben beschriebenen Funktionsweise – Kältemittel mit niedrigem Siedepunkt und zusätzlicher Verdichtung – aus dieser eiskalten Luft Heizungswärme erzeugen. Dabei gilt aber der Grundsatz: Je höher die Außentemperatur, desto effizienter arbeitet die Luft-Wasser-Wärmepumpe.
Kühlung mit einer Wärmepumpe
Wie eine Wärmepumpe Ihr Zuhause im Sommer kühlen kann.
Ein angenehmer Nebeneffekt der Wärmepumpe: Im Sommer kann diese die Räumlichkeiten kühlen. Dazu muss die Funktionsweise umgedreht werden, damit den Räumen die warme Luft entzogen und an die Umwelt abgegeben kann. Diesen Kühlbetrieb nennt man aktive Kühlung. Mit der Erdwärmepumpe (auch Sole-Wasser-Wärmepumpe genannt) und der Wasser-Wasser-Wärmepumpe ist zusätzlich auch die passive Kühlung möglich. Diese ist besonders umweltschonend, da der Verdichter der Wärmepumpe ausgeschaltet ist und so nur wenig Strom verbraucht wird. Die passiven Kühlung hat aber den Nachteil, dass mehr als 3° Temperaturabsenkung nicht möglich ist. Zudem dauert der Abkühlprozess erheblich länger.
Erfahren Sie in unserem Leitfaden alles über aktive und passive Kühlung mit einer Wärmepumpe.
Effizienzvorteil
Die Effizienz einer Wärmepumpe.
Wärmepumpen sind bemerkenswert effizient, da sie keine Wärme erzeugen, sondern diese lediglich von einem Ort zum anderen transportieren. Dieser grundlegende Unterschied ermöglicht es ihnen, pro verbrauchter Stromeinheit 3 bis 5 Einheiten Wärmeenergie zu liefern. Dieses Verhältnis macht diese Technologie sogar deutlich effizienter als die besten herkömmlichen Heizsysteme.
Es gibt verschiedene Parameter für die Effizienz, die auf unterschiedliche Weise gemessen werden. Der Leistungskoeffizient (COP) ist der bekannteste und wird unter Laborbedingungen gemessen. Aber auch der saisonale Leistungskoeffizient (SCOP) und der jährliche Leistungsfaktor (APF) sind wichtige Kennzahlen, denen Sie häufig begegnen werden. Weitere Informationen hierzu finden Sie in unserem Leitfaden.
