Funktion der Wärmepumpe

• Funktionsweise der Wärmepumpe
• Wie funktioniert eine Wärmepumpe zum Kühlen?
• Aufbau einer Wärmepumpe
• Wärmepumpe: Funktion der verschiedenen Arten
• Was bedeutet monovalenter und bivalenter Betrieb?
• Wie funktioniert eine Wärmepumpe im Winter?
• FAQ

Eine Wärmepumpe übernimmt im Haus die Funktion einer Heizung. Für ihren Betrieb benötigt sie zum einen Umweltenergie aus Luft, Erdreich oder Grundwasser und zum anderen eine Antriebsenergie wie Strom. Grundsätzlich gibt es auch Wärmepumpen, die mit Gas anstelle von Strom betrieben werden. Da es für diese mit der Änderung der BEG (Bundesförderung für effiziente Gebäude) vom 28. Juli 2022 keinerlei Förderung mehr gibt, geht dieser Text auf die Funktion von Gas-Wärmepumpen nicht weiter ein.

Eine häufig genutzte, vereinfachte Erklärung für die Funktion einer Wärmepumpe ist das "umgedrehte Kühlschrank-Prinzip": Der Kühlschrank entzieht seinem Innenraum die Wärme und gibt sie nach draußen, also zum Beispiel die Küche, ab. Die Wärmepumpe hingegen entzieht dem Außenbereich des Hauses die Wärme und wandelt sie in Heizenergie für das Haus um.

Da es aber draußen doch oftmals kühler ist als drinnen, fragt man sich verständlicherweise: Wie funktioniert eine Wärmepumpenheizung? Diese Frage ist durchaus berechtigt. Um aus der relativ geringen Umweltwärme wohlige Heizwärme zu machen, nutzt die Wärmepumpe den Joule-Thomson-Effekt:

Das Funktionsprinzip der Wärmepumpe wurde bereits im vorherigen Kapitel erläutert. Daher geht es jetzt konkret um die Funktionsweise einer Wärmepumpe als Heizung. Die Wärmepumpenheizung besteht aus drei Abschnitten. Der Aufbau der Wärmepumpe stellt zugleich die drei Funktionsschritte dar:

1. Die Wärmequellenanlage. Hier wird der Umwelt, also Luft, Erde und Wasser, Energie entnommen. Bei Erdwärmepumpen, also Sole-Wasser-Wärmepumpen, ist dies das Erdreich und bei Wasser-Wasser-Wärmepumpen ist es das Grundwasser. Bei diesen beiden Wärmepumpen-Arten zirkuliert eine mit Frostschutzmittel versetzte Flüssigkeit, das Kältemittel, das die Umweltwärme aufnimmt, um sie zur eigentlichen Wärmepumpe zu befördern. Eine Luftwärmepumpe bildet die Ausnahme: Hier saugt ein Ventilator die Außenluft an, welche dann ihre enthaltene Umgebungswärme zur Wärmepumpe transportiert.

2. Die Wärmepumpe. Innerhalb der Wärmepumpe findet die Nutzbarmachung statt. Hierfür kommt ein weiterer Kreislauf zum Einsatz, der ebenfalls ein Kältemittel enthält. Zu diesem Kreislauf gehört ein Wärmetauscher namens Verdampfer. Er überträgt die im ersten Kreislauf aufgenommene Umweltenergie auf das Kältemittel des zweiten Kreislaufs. Dieses verdampft dadurch. Handelt es sich um eine Luftwärmepumpe, so wird die Umweltenergie via Luft auf das Kältemittel des zweiten Kreislaufs übertragen.

Das mithilfe der Umweltwärme verdampfte Kältemittel wird als nächstes zu einem Verdichter beziehungsweise Kompressor weitergeleitet. Durch die Kompression erhöht sich an dieser Stelle nun der Druck auf das gasförmige Kältemittel: Dadurch tritt nun der Jule-Thomson-Effekt ein und die Temperatur erhöht sich. Das Kältemittel hat dabei einen sehr niedrigen Siedepunkt. Das bedeutet, dass es auch gefühlt kühlen "Wärme"-Quellen noch Wärmeenergie entziehen kann.

Das siedende, unter Druck stehende Kältemittelgas trifft jetzt auf einen weiteren Wärmetauscher. Dieser nennt sich gemäß seiner Funktion Verflüssiger: Hier kondensiert das Gas, wird also wieder flüssig, und gibt dabei seine Wärme ab. Der letzte Schritt der Nutzbarmachung innerhalb der Wärmepumpe ist die Entspannung in einer Drossel: Hier wird der Druck wieder reduziert.

Nun ist das Kältemittel wieder entspannt und flüssig und kann beim Verdampfer erneut zugeführte Umweltenergie aufnehmen, sodass der Kreislauf von vorn beginnt.

3. Das Wärmeverteil- und Speichersystem. In diesem dritten Teil des Aufbaus einer Wärmepumpe geht es nun um die Funktion der Wärmepumpe als Heizung. Dafür befindet sich in dem zu beheizenden Haus das Wärmeverteil- und Speichersystem. In diesem zirkuliert ein Heizmedium. Dabei handelt es sich üblicherweise um Wasser. Dieses nimmt die Wärme auf, die das Kältemittel zuvor im Verflüssiger abgegeben hat.

Als nächstes gelangt die aufgenommene Wärme mithilfe des Heizmediums Wasser entweder in ein Verteilersystem, das aus Heizkörpern oder Flächenheizungen wie Fußbodenheizungen bestehen kann, oder in einen Warmwasserspeicher beziehungsweise einen Heizungspufferspeicher. So wird die Wärme aus Umweltenergie im ganzen Haus verteilt – die Wärmepumpenheizung erfüllt ihre Funktion.

Die Wärmepumpe ist das einzige Heizungssystem, das auch eine Kühlfunktion besitzt. Das ist angesichts aufgrund des Klimawandels heißer werdender Sommer zunehmend relevant. Doch wie arbeitet eine Wärmepumpe zum Kühlen? Die Wärmepumpe hat zwei verschiedene Kühlfunktionen:

• Aktive Kühlung, die den Verdichter der Wärmepumpe nutzt
• Passive Kühlung, die überschüssige Raumwärme mithilfe einer Umwälzpumpe in den Untergrund abführt

Für die aktive Kühlung folgt die Wärmepumpe dem Funktionsschema eines umgekehrten Kältemittelkreislaufes. Somit entzieht die Wärmepumpe nicht mehr der Umwelt die Energie zum Heizen – vielmehr entzieht die Wärmepumpe dem Heizungssystem und damit den Innenräumen die Wärme. Hierbei ist der Verdichter in Betrieb. Die gewonnene Wärme wird nun der Wärmequelle zugeführt. Die aktive Kühlung eignet sich gleichermaßen für erd-, luft- und wassergebundene Wärmepumpensysteme.

Beim Funktionsprinzip der passiven Kühlung mit einer Wärmepumpe sorgt die Wärmepumpe mithilfe einer Umwälzpumpe dafür, dass Wärme aus dem Gebäude ins Erdreich abgetragen wird. Der Verdichter ist bei der passiven Kühlung mit der Wärmepumpe nicht in Betrieb. Stattdessen nutzt die passive Kühlung das natürliche Temperaturgefälle. Dieses besagt, dass sich thermische Energie immer von Warm nach Kalt bewegt. Und da Erdreich und Grundwasser ganzjährig eine relativ kühle Temperatur von etwa 10 Grad haben, funktioniert dieser Prozess. Da bei der passiven Kühlung die Wärme in Erdreich oder Grundwasser abgeführt wird, ist sie für Luftwärmepumpen nicht geeignet.

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Grundsätzlich besteht eine Wärmepumpenheizung aus drei Bestandteilen: der Wärmequellenanlage mit Gewinnung von Umweltenergie, der eigentlichen Wärmepumpe mit Verdampfer, Verdichter, Verflüssiger/Kompressor und Entspannungsventil sowie dem Wärmeverteil- und Speichersystem mit unter anderem Heizkörpern.

Die grundsätzliche Wärmepumpe-Erklärung verwendet dasselbe Schema für alle Arten von Wärmepumpen. Dennoch unterscheidet sich jede Art von Wärmepumpe in Aufbau und Funktion. Das ist allein darauf zurückzuführen, dass sie verschiedene Umweltenergien nutzen.

Luft-Wasser-Wärmepumpe: Mithilfe eines Ventilators saugt die Außeneinheit der Luft-Wasser-Wärmepumpe Außenluft an. Aus dieser entnimmt der Wärmepumpenkreislauf die relative Wärme, um letztlich den Heizprozess in Gang zu setzen. Daher auch der Name: Mithilfe der Luft wird das Brauch- und Heizungswasser erwärmt.

Luft-Luft-Wärmepumpe: Bei der Luft-Luft-Wärmepumpe wird die Wärme aus der verbrauchten und erwärmten Raumluft verwendet. Sie bringt zugeführte Frischluft auf eine angenehme Temperatur. Diese wird also von Luft auf Luft übertragen, wie der Name schon sagt. Die Luft-Luft-Wärmepumpe unterscheidet sich unter anderem darin von anderen Wärmepumpen, dass sie über keinen Kältemittelkreislauf verfügt.

Erdwärmepumpe bzw. Sole-Wasser-Wärmepumpe: Die Erdwärmepumpe gewinnt mithilfe von entweder Erdkollektoren oder Erdwärmesonden Umweltenergie aus dem Erdreich. Diese wird genutzt, um den bekannten Kältemittelkreislauf der Wärmepumpenheizung in Gang zu setzen – und so für ein warmes Haus und Warmwasser zu sorgen.

• Wasser-Wasser-Wärmepumpe: Die Wasser-Wasser-Wärmepumpe bedient sich der Umweltwärme aus dem Grundwasser. Deshalb heißen Wärmepumpen mit dieser Funktionsweise auch Grundwasserwärmepumpen. Die Grundwasserwärmepumpe arbeitet mit einem Saug- und einem Schluckbrunnen. Innerhalb der eigentlichen Wärmepumpe erwärmt das Grundwasser das Kältemittel, um den bekannten Kreislauf anzutreiben.

Die Funktionsweise einer Wärmepumpe ist im monovalenten oder bivalenten Betrieb möglich. Die monovalente Betriebsweise (monos = einzig, allein, griech.) bedeutet, dass die Wärmepumpenheizung mit nur einem einzigen Energieträger betrieben wird. Das bedeutet wiederum, dass ein Wärmeerzeuger den gesamten Wärmebedarf allein decken kann.

Das geht am besten, wenn die Wärmequelle über das gesamte Jahr hinweg eine in etwa konstante Temperatur liefern kann. Optimal sind hierfür also Wasser-Wasser-Wärmepumpen oder Erdwärmepumpen, die mit Sonden betrieben werden.

Die Wärmepumpe in bivalenter Funktion nutzt, einfach erklärt, zwei verschiedene Energieträger (bi = zwei, lat.). Üblicherweise wird die bivalent betriebene Wärmepumpe bei Unterschreiten einer bestimmten Temperatur von einem weiteren Wärmeerzeuger unterstützt. In den letzten Jahren war es üblich, eine Wärmepumpe als bivalentes System mit einem Gas-Brennwertkessel zu betreiben. Dann sprang der fossil betriebene Brennstoffkessel ein, sobald die Wärmepumpe keine ausreichende Heizleistung erbringen konnte. Das ist technisch heute noch immer möglich, aber in der neuen BEG-Fassung wird keinerlei fossil betriebenes System mehr gefördert – auch kein hybrides. Heutzutage ist daher vermutlich eher der bivalente Betrieb aus Wärmepumpe und Pelletheizung zu empfehlen.

Die Funktion der Wärmepumpe ist auch im Winter gewährleistet. Der Grund: Jede Wärmepumpe ist grundsätzlich imstande, ihrer Umgebung Wärme zu entziehen. Einzige Bedingung ist, dass die Temperatur die Siedetemperatur des Kältemittels überschreitet. Der Siedepunkt üblicher Kältemittel für Wärmepumpen liegt dabei etwa zwischen -12 und -57 Grad Celsius.

Daher kann hierzulande auch im Winter die Außenluft durch eine Luftwärmepumpe als Wärmequelle und zum Heizen genutzt werden. Noch besser sieht es bei Erdwärmepumpen und Grundwasserwärmepumpen aus: Denn Grundwasser und auch Rohre für Erdwärmepumpen befinden sich unterhalb der Frostgrenze. Daher ist dort mit einer einheitlichen Temperatur von etwa 10 Grad zu rechnen.

Die Funktion der Wärmepumpe im Haus ist also mit den zwar kostenintensiveren, aber auch effizienteren Wärmequellen Grundwasser und Erdreich vor allem im Winter mit einem geringeren Stromeintrag möglich. Der Grund ist, dass die Wärmepumpe bei winterlichen Temperaturen mit den Wärmequellen Grundwasser und Erdreich eine deutlich geringere Temperaturdifferenz zur notwendigen Vorlauftemperatur für die Heizung überbrücken muss, als es bei winterlicher Außenluft der Fall ist.

Somit ist die Funktion der Wärmepumpe im Winter vor allem bei Erdwärmepumpen und Wasser-Wasser-Wärmepumpen zu relativ konstanten Heizkosten sichergestellt. Grundsätzlich gilt aber, dass das Heizen im Winter mit einer Wärmepumpe sehr gut möglich ist.