Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

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Wärmepumpen gelten als wichtige Eckpfeiler der Energiewende. Die Heizsysteme sollen dabei helfen, weniger CO2 auszustoßen. Doch auch wenn die Wärmepumpe in aller Munde ist, fragen sich viele Bürger, wie diese Geräte überhaupt funktionieren. Wir zeigen es Ihnen.

Moderne Wärmepumpe in einem Vorgarten als umweltfreundliche Variante einer Heizung © Ralf Geithe, stock.adobe.com
Im Vergleich zu herkömmlichen Heizsystemen, wie Gas- oder Ölheizungen, nutzen Wärmepumpen einen Großteil ihrer Energie aus der Umwelt und benötigen nur einen geringen Anteil an Strom für den Betrieb © Ralf Geithe, stock.adobe.com

Das Funktionsprinzip der Wärmepumpe ist schon seit 200 Jahren bekannt

Wärmepumpen sind anders, als viele Menschen denken, keine Erfindung des 20. Jahrhunderts. Denn schon im Jahr 1824 hat ein Physiker aus Frankeich namens Nicolas Carnot die ersten Grundprinzipien einer Wärmepumpe beschrieben. Knapp ein Jahrhundert später gab es in Zürich die ersten Wärmepumpen, die Gebäude beheizten. In Deutschland dauerte es schließlich bis ins Jahr 1969, als die erste Wärmepumpe installiert wurde.

Die Wärmepumpe kann wärmen und kühlen
Die Wärmepumpe kann wärmen und kühlen

In Skandinavien setzt man schon seit vielen Jahren auf das Heizen mit Wärmepumpe. Seit die EU und andere Staaten sich ehrgeizige Klimaziele gesteckt haben, gelten Wärmepumpen als wichtige Bausteine der Energiewende und als Heizsysteme der Zukunft. Wenn Wärmepumpenheizungen zusätzlich mit Strom betrieben werden, der aus Wind-, Wasser- und Sonnenkraft gewonnen wird, ist ein CO2-freies Heizen möglich.

Die Funktionsweise der Wärmepumpe Schritt für Schritt erklärt

Meist wird die Funktionsweise der Wärmepumpe mit einem Kühlschrank beschrieben. Nur mit dem Unterschied, dass die Wärmepumpe überwiegend zum Heizen und nicht zum Kühlen eingesetzt werden. Tatsächlich funktionieren Wärmepumpen und Kühlschränke ähnlich.

Allgemein läuft der Vorgang der Wärmeerzeugung bei einer Wärmepumpe so ab:

  1. Die Wärmepumpe bezieht Umweltwärme über die Außenluft, den Boden, Sole oder das Grundwasser. Diese Wärme wird einem Kondensator zugeführt. Durch diesen fließt ein Kältemittel, das bei sehr geringen Temperaturen verdampft.
  2. In einem Verdichter wird das verdampfte Kältemittel komprimiert. Je höher der Druck wird und desto geringer das Volumen des Gases, desto mehr Wärme wird erzeugt. Sie kennen dieses Prinzip u.a. von der Fahrradpumpe. Je länger Sie pumpen und je höher der Druck im Reifen wird, desto wärmer wird das Ventil.
  3. Die Wärmeenergie wird über einen Wärmetauscher an Wasser als Trägermedium übertragen. Das Warmwasser kann zum Heizen oder zum Erzeugen vom warmem Brauchwasser zum Duschen oder Waschen genutzt werden.
  4. Nachdem die Energie übertragen wurde, kühlt das Kältemittel ab. Es kondensiert und setzt sich ab. Danach fließt es zum Kondensator zurück und der Kreislauf beginnt von vorn.

Eine Wärmepumpe hat also die Fähigkeit, Wärmeenergie aus der Umwelt über einen Kondensator anzureichern und diese Wärme an ein Trägermedium abzugeben. Dabei werden keine Abgase erzeugt und es ist kein Verbrennungsvorgang notwendig. Eine Wärmepumpe braucht lediglich Strom für ihre Arbeit.

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Wärmepumpen gelten als sehr energieeffizient. Für die Erzeugung von Wärmeenergie nutzen sie bis zu 75 Prozent Umweltwärme und nur 25 Prozent Strom.

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Wie funktionieren die einzelnen Wärmepumpen-Arten?

Das Grundprinzip einer Wärmepumpe ist bei allen Varianten gleich. Allerdings gibt es bei der Art der Wärmegewinnung aus der Umwelt Unterschiede:

  • Luft-Wasser-Wärmepumpe
Die Luft-Wasser-Wärmepumpe macht aus kalter Luft warmes Wasser
Die Luft-Wasser-Wärmepumpe macht aus kalter Luft warmes Wasser

Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe saugt die Außenluft an und führt diese zu einem Wärmetauscher, in welche das Kältemittel fließt. Danach beginnt mit dem Verdampfen der oben beschriebene Prozess der Wärmegewinnung.

  • Sole-Wasser-Wärmepumpe
Erdsonden für die Sole-Wasser-Wärmepumpe
Erdsonden für die Sole-Wasser-Wärmepumpe

Diese Wärmepumpe gewinnt die Wärmeenergie aus dem Boden. Knapp unter der oberen Erdschicht herrschen meist konstante Temperaturen zwischen 7 und 13°C, abhängig von der Tiefe und der Bodenbeschaffenheit. Eine Sonde gewinnt diese Wärme und führt diese zum Kältemittel im Kondensator. Abhängig von der Art der Wärmepumpe werden sogenannte „Erdkollektoren“ verwendet, die knapp unter der Erdoberfläche liegen oder es kommen Erdsonden zum Einsatz die bis zu 100 Meter in die Tiefe reichen können. Die höhere Tiefe hat den Vorteil, dass dort höhere Temperaturen herrschen.

  • Wasser-Wasser-Wärmepumpe:
Zur Wasser-Wasser-Wärmepumpe gehören zwei Brunnen
Zur Wasser-Wasser-Wärmepumpe gehören zwei Brunnen

Eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe nutzt Grundwasser als Wärmequelle. Über einen Brunnen wird das warme Grundwasser um Kältemittel gepumpt, damit dort der Prozess der Wärmegewinnung gestartet werden kann.

Die Förderbrunnen werden in unterschiedlicher Tiefe gebohrt. Wie tief die Brunnen sind, hängt von der Höhe des Grundwasserspiegels ab.

Techniker installiert, wartet oder repariert Wärmepumpe im Vorgarten © Tomasz Zajda, stock.adobe.com
Wärmepumpen können nicht nur zum Heizen, sondern auch zum Kühlen von Gebäuden eingesetzt werden. Sie bieten also das ganze Jahr über Komfort © Tomasz Zajda, stock.adobe.com

Läuft eine Wärmepumpe auch bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt?

Viele Verbraucher können sich nicht vorstellen, dass eine Wärmepumpe auch bei Minusgraden laufen kann. Tatsächlich funktionieren Wärmepumpe auch bei Temperaturen unter Null. Selbst bei empfindlichem Frost können Wärmepumpen Energie aus Grundwasser, Luft oder Boden beziehen und über das Verdampfen und Komprimieren des Kältemittels Wärme erzeugen. Bei sehr kalten Temperaturen kann außerdem ein Heizstab zugeschaltet werden, der einen störungsfreien Betrieb im Winter garantiert.

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Wo lassen sich Wärmepumpen einsetzen?

Effizienz von Wärmepumpen
Effizienz von Wärmepumpen

Die unterschiedlichen Arten von Wärmepumpen lassen sich vielseitig einsetzen. Sie werden vor allem in gut isolierten Neubauten in Kombination mit Flächenheizungen besonders effizient genutzt. Dennoch können Wärmepumpen auch in Altbauten zum Nachrüsten von alten Heizsystemen verwendet werden. Es müssen dafür nicht unbedingt Flächenheizungen genutzt werden.

Eine Kombination mit bestehenden Heizungsanlagen ist auch möglich. In großen Gebäuden kann z.B. eine vorhandene Gas-Brennwertheizung als „Backup“ eingesetzt werden, damit die Wärmepumpe in langen Phasen mit Minusgraden entlastet wird und nicht so viel Strom benötigt.

Grundsätzlich gilt: je besser isoliert ein Gebäude ist und je geringer die erforderliche Vorlauftemperatur zum Heizen ist, desto effizienter kann eine Wärmepumpe arbeiten. Wenn der für die Wärmepumpe benötigte Strom aus einer PV-Anlage kommt oder wenn Ökostrom verwendet wird, kann eine Wärmepumpe dafür sorgen, das Hausbesitzer CO2-neutral und ohne Emissionen heizen.

Fazit: Wärmepumpen nutzen vor allem Umweltwärme zur Wärmegewinnung

Das Besondere an Wärmepumpen besteht darin, dass sie mit Umweltwärme ein Gebäude beheizen oder für Warmwasser sorgen können. Unabhängig von der verwendeten Variante ist dafür weder ein Abgassystem noch ein Brennstofflager oder -anschluss notwendig. Es wird lediglich ein Stromanschluss für den Betrieb benötigt. Somit können sich Verbraucher unabhängig von Gas- oder Ölversorgern machen. Wird die Wärmepumpe zusätzlich mit einer PV-Anlage betrieben, reduzieren sich die Kosten langfristig nochmals.

Luft-Wasser-Wärmepumpe im Keller © caifas, stock.adobe.com
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