Die Funktion der Wärmepumpe
Alle Abläufe und Funktionen der Wärmepumpe erklärt
Die Zahl der verbauten Wärmepumpen wächst seit Jahren stetig an. Besonders hoch ist der Zuwachs bei Neubauten, wo eine Heizung mit Wärmepumpe mittlerweile zum Baustandard geworden ist. Doch auch in Bestandsgebäuden werden immer häufiger Wärmepumpen nachgerüstet. Grund genug, die Funktion der Wärmepumpe etwas genauer unter die Lupe zu nehmen.
Die Funktion der Wärmepumpe folgt einem einfachen Prinzip. Grundsätzlich besteht der Aufbau einer Wärmepumpenheizung aus drei Hauptkomponenten, die unabhängig von der gewählten Wärmequelle und Wärmepumpen-Art vorhanden sein müssen:
- Wärmequellenanlage
- Wärmepumpe
- Wärmeverteilungs- und Speichersystem
Wärmequellenanlage
Ein großer Vorteil der Wärmepumpe ist, dass sie die Energie über die Wärmequellenanlage kostenlos aus der Umwelt bezieht. Die Wärmequellen unterscheiden sich je nach Wärmepumpen-Typ.
Die gängigsten Wärmepumpen-Arten sind dabei die Luft/Wasser-Wärmepumpe (Luftwärmepumpe), die Wasser/Wasser-Wärmepumpe (Grundwasserwärmepumpe) und die Sole/Wasser-Wärmepumpe (Erdwärmepumpe). Je nach Art der Wärmepumpe bezieht die jeweilige Wärmequellenanlage die Wärmeenergie also aus der Luft, dem Grundwasser oder dem Erdreich.
Die Installation der Luftwärmepumpe können Sie dabei einfacher und flexibler gestalten als bei den anderen Wärmepumpen-Arten, weil keine aufwendigen Bohrungen erforderlich sind. Stattdessen saugt ein Ventilator die Umgebungsluft an und nutzt deren Wärme. Moderne Wärmepumpen wie die kompakte CHA-Monoblock von WOLF lassen sich nahezu überall aufstellen.
Die Wärmequellenanlage einer Grundwasserwärmepumpe nutzt ein System aus zwei Brunnen, um das Wasser zu transportieren. Für eine Erdwärmepumpe werden als Wärmequellenanlage Rohre im Erdreich installiert, durch die Sole (eine Mischung aus Frostschutz und Wasser) fließt, welche die Wärme der Erde aufnimmt und zur Pumpe führt.
Wärmepumpe
Die Wärmepumpe ist das Element, das aus der Umweltwärme die tatsächlich nutzbare Wärmeenergie für die Heizung gewinnt und an den Wasserkreislauf des Wärmeverteilungs- und Speichersystems weiterleitet.
Wärmeverteil- und Speichersystem
Die Energie der Wärmequelle wird von der Wärmepumpe auf das Wärmeverteil- und Speichersystem übertragen. Dieses verteilt die Wärme durch den Wasserkreislauf im Heizsystem über Heizkörper oder Flächenheizungen (zum Beispiel Fußbodenheizungen). Pufferspeicher sichern die überschüssige Wärme und dienen als Zwischenspeicher für die Warmwasserbereitung oder Heizung.
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Wenn Sie eine effiziente Wärmepumpe für Ihr Bestandsgebäude oder einen Neubau suchen, sollten Sie sich eingehend beraten lassen. Die richtige Dimensionierung und eine sorgfältige Planung sind entscheidend für eine effiziente Heizung. Die Experten von WOLF Heiztechnik helfen Ihnen gerne weiter.
02. Funktion der Wärmepumpe im Detail
Um die Umweltwärme in nutzbare Heizenergie umzuwandeln, nutzt die Wärmepumpe einen elementaren Kältemittelkreislauf. Dieser besteht aus dem Wärmeträgermedium, einem Verdampfer, einem Verdichter, einem Verflüssiger und einem Expansionsventil.
Das Wärmeträgermedium bildet ein Kältemittel, welches bereits bei geringen Temperaturen verdampft und sich ebenso einfach wieder verflüssigen lässt. Je nach Aggregatzustand kann das Kältemittel die Wärme über Wärmetauscher daher besonders gut aufnehmen beziehungsweise an das Heizsystem abgeben.
Die Energiegewinnung in der Wärmepumpe läuft immer gleich ab: Verdampfen, Verdichten, Verflüssigen, Entspannen. Anschließend beginnt der Kreislauf von vorn.
Verdampfen
Der Verdampfer ist der erste Wärmetauscher im Wärmepumpenkreislauf und nutzt die aus der Wärmequelle gewonnene Umweltenergie, um das Kältemittel zu erhitzen. Vor dem Wärmetausch besitzt das Kältemittel eine Temperatur von zirka -5°C bis -10°C. Durch die Übertragung der Wärmeenergie verdampft es unter dem Einfluss von geringem Druck, wird gasförmig und dehnt sich aus.
Die Energie wird dabei an den Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe übertragen, ohne dass ein direkter Kontakt zwischen Umweltmedium und Kälteflüssigkeit entsteht. Es erfolgt also auch keine Kontamination von Umgebungsluft, Grundwasser oder Sole. Luft, Sole und Grundwasser strömen nach Entnahme der Wärmeenergie aus der Wärmequellenanlage zu ihren Quellen zurück.
Verdichten
Das nun gasförmige Kältemittel wird vom Kompressor, auch Verdichter genannt, stetig angesaugt. Der Kompressor verdichtet den Dampf unter hohem Druck. Dabei erzeugt er Wärme und steigert die Temperatur des Kältemittels bis auf rund 70°C.
Bei diesem Vorgang fällt der Hauptteil des Stromverbrauchs der Wärmepumpe an.
Verflüssigen
Im nächsten Schritt wird der erhitzte Dampf dem Verflüssiger zugeführt. Dieser enthält einen Wärmetauscher, welcher die gespeicherte Wärmeenergie des Kältemittels an den Heizwasserkreislauf überträgt. Dabei kühlt sich das unter Druck stehende Kältemittel ab, bis es wieder in den flüssigen Aggregatzustand übergeht.
Entspannen
Damit der Kreislauf problemlos weiterlaufen kann, muss das flüssige Kältemittel nicht nur an Temperatur verlieren, sondern auch auf seinen ursprünglichen Druck gebracht werden. Diese Entspannung erfolgt durch das Expansionsventil. Am Ende hat das Kältemittel wieder das Druck- und Temperaturniveau, das es zu Beginn des Kreislaufs hatte und wird erneut zum Verdampfer geleitet.
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Eine besondere Funktion der Wärmepumpe liegt in der Möglichkeit, ihren Betrieb quasi umzukehren. Dann können Sie Ihre Wärmepumpe wie eine Klimaanlage verwenden und im Sommer die Wohnräume kühlen.
Dies geht jedoch nicht mit allen Modellen automatisch. Daher sollten Sie schon beim Kauf der Wärmepumpe darauf achten, dass eine Kühlfunktion vorhanden ist, wenn Sie diese nutzen wollen. Eine Nachrüstung ist meist teuer oder unter Umständen gar nicht erst möglich.
Wenn Sie eine Wärmepumpe verwenden, nutzen Sie automatisch erneuerbare Energien aus Luft, Wasser oder Erde, die kostenlos zur Verfügung stehen. Damit lässt sich die Verbrennung fossiler Energieträger wie Gas und Heizöl stark reduzieren. Anders als Öl- und Gasheizungen erzeugen Wärmepumpen vor Ort keine schädlichen CO2-Emissionen und belasten das Klima deutlich weniger.
Neben der besseren Klimabilanz haben Sie den Vorteil, dass keine Brennstoffkosten anfallen und auch die Lagerung, wie z.B. bei Heizöl oder Brennholz, entfällt. Für den Betrieb benötigt eine Wärmepumpe lediglich etwas externe Energie, die beispielsweise auch aus der eigenen Photovoltaikanlage auf dem Dach stammen kann. So können Sie im besten Fall komplett klimaneutral heizen.
Dennoch wird der Stromverbrauch der Wärmepumpen häufig kritisiert. Um diese Kosten so gering wie möglich zu halten, sollten Käufer daher unbedingt auf die Jahresarbeitszahl oder JAZ der Wärmepumpe achten. Diese gibt an, wie viel Heizenergie die Wärmepumpe aus einem bestimmten Anteil Strom erzeugen kann.
Achten Sie darauf, die Wärmepumpe nicht überdimensioniert zu planen, sondern an den Bedarf Ihres Hauses anzupassen, liefert die Wärmepumpe selbst bei steigenden Strompreisen meist sehr preiswerte Wärme. Trotz der verhältnismäßig hohen Anschaffungskosten kommen Sie mit der Wärmepumpe nach einem bestimmten Zeitraum also günstiger als mit Öl- und Gasheizungen.
05. Welche Faktoren beeinträchtigen die Leistung der Wärmepumpe?
Die Effizienz einer Wärmepumpe hängt von verschiedenen Faktoren ab. Mögliche negative Beeinträchtigungen lassen sich aber in der Regel durch gute Planung vermeiden oder erheblich reduzieren.
Passende Größe der Wärmepumpe
Wie bei allen Heizsystemen sollten Leistung und Größe der Wärmepumpe auf das jeweilige Gebäude abgestimmt sein. Ist sie zu klein, kann sie die Wohnfläche nicht ausreichend beheizen. Eine zu große Wärmepumpe verbraucht hingegen mehr Energie als für die Beheizung der Wohnfläche notwendig ist.
Der häufige Kurzzeitbetrieb während der Übergangszeit im Frühjahr und Herbst stellt dabei ein typisches Effizienzproblem dar: Die Kapazität der Wärmepumpe muss den tatsächlichen Heizbedarf in dieser Zeit zwingend übersteigen, um an kalten Wintertagen über genügend Leistung zu verfügen. Das führt in der Übergangszeit wiederum zu einem höheren Energieverbrauch, als notwendig wäre. Ein guter Pufferspeicher kann den gleichmäßigen, effizienten Betrieb der Wärmepumpe in dieser Zeit jedoch erleichtern.
Nutzung elektrischer Heizstäbe vermeiden
Sinkt die Außentemperatur im Winter stark ab, benötigen Luftwärmepumpen mehr Energie, um diese zum Heizen zu nutzen, als andere Wärmepumpen-Arten. Weniger effiziente Modelle müssen dann auf elektrische Heizstäbe zurückgreifen, die wiederum die Stromkosten stark in die Höhe treiben können.
Hydraulischer Abgleich der Wärmepumpe
Für alle Heizungen gilt, dass sie nur dann effizient arbeiten, wenn regelmäßig ein hydraulischer Abgleich durch einen Heizungsinstallateur durchgeführt wird. Der Abgleich stellt eine gleichmäßige Wärmeverteilung an sämtlichen Heizkörpern und weiteren Heizflächen in allen Räumen sicher. Ebenso sichern Sie die lange Lebensdauer Ihrer Wärmepumpe am besten durch regelmäßige Wartung.
Wie bei allen Heizsystemen sollten Sie sich vor dem Kauf einer Wärmepumpe eingehend in einem Fachbetrieb beraten lassen. Welche Wärmepumpe passt zu Ihrem Gebäude und Ihrem Nutzungsverhalten? Wie sieht es mit den Kosten für die Erschließung der bevorzugten Wärmequelle aus?
Besonders die Luft/Wasser-Wärmepumpe zeichnet sich durch einfache Installation und platzsparende Unterbringung aus – doch ob sie wirklich die beste Wahl für Sie ist, oder ob eine andere Wärmepumpen-Art für Ihre individuelle Situation sinnvoller wäre, klären Sie am besten mit Profis. Egal für welche Art Sie sich im Endeffekt entscheiden: Sicher ist, dass Sie mit der ein nachhaltiges, zukunftsfähiges Heizsystem wählen.
