Eine Wärmepumpe ist eine umweltfreundliche und energieeffiziente Möglichkeit, Wärme zu erzeugen. Doch was genau verbirgt sich hinter den einzelnen Komponenten einer Wärmepumpe? In diesem Artikel erfahren Sie alles über den Aufbau einer Wärmepumpe und Wärmepumpen-Heizungsanlage.
Auf diese beiden Punkte geht der Artikel ein:
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Bestandteile einer Wärmepumpe
Eine Wärmepumpe besteht aus vier Bauteilen: einem Verdampfer und Verflüssiger sowie dem Verdichter und dem Expansionsventil. Diese Bauteile sind in einer spezifischen Reihenfolge angeordnet und mittels Rohrleitungen miteinander verbunden.
Die Rohrleitungen werden mit einem Kältemittel gefüllt, welches aufgrund seiner chemischen Eigenschaften die Wärmepumpe besonders effizient macht. Denn das Kältemittel kann auch bei geringeren Temperaturen verdampfen und verdichten. Dadurch braucht es weniger Energie für den Wärmegewinnungsprozess als beispielsweise Wasser.
Mit einer Wärmepumpe können Sie ihr Haus im Sommer auch kühlen (sogenannte Wärmepumpen-Klimaanlage). Dafür wird in der Wärmepumpe werkseitig ein Vier-Wege-Ventil eingebaut. Dieses Einbauelement kehrt das Funktionsprinzip der Wärmepumpe um. Diese Ausstattung ist optional und bei den meisten Wärmepumpenherstellern gegen Aufpreis erhältlich.
Schauen wir uns die einzelnen Komponenten genauer an.
Verdampfer
Der Verdampfer ist eine Komponente der Wärmepumpe, in der ein Kältemittel von einem flüssigen in einen gasförmigen Zustand übergeht. Dieser Prozess der Verdampfung erzeugt Wärmeenergie, die von der Umgebung aufgenommen und anschließend in den Wärmetauscher geleitet wird.
Verdichter
Der Verdichter besteht aus einem strombetriebenen Kompressor. Dieses Bauteil nimmt das gasförmige Kältemittel auf und komprimiert es. Der ausgeübte Druck führt zum Anstieg der Temperatur. Dieses Bauteil ist dafür zuständig, die Systemtemperatur nochmals zu erhöhen.
Der Verdichter ist hauptverantwortlich für den Stromverbrauch einer Wärmepumpe. Wenn Sie eine Wärmepumpe hundertprozentig klimaneutral gestalten wollen, empfiehlt sich die Installation einer Photovoltaikanlage. So decken Sie den Strombedarf einer Wärmepumpe mit erneuerbarer Energiequelle und erzeugen kostenlosen Strom. Damit sparen Sie großteils der monatlichen Betriebskosten einer Wärmepumpe.
Verflüssiger
Der Verflüssiger besteht ebenfalls aus einem Wärmetauscher. An dieser Stelle übergibt das stark erhitzte und komprimierte Kältemittel seine Wärme an die Heizungsanlage. Dadurch kühlt es ab und verflüssigt. Das Kältemittel bleibt allerdings weiterhin komprimiert.
Expansionsventil
Das Expansionsventil unterbricht den Wärmepumpenkreislauf, wodurch der Druck rasch sinkt. Auf diese Weise kann sich das Kältemittel ausdehnen. Mit dem Druckabfall kühlt es auch wieder bis zu seiner ursprünglichen Anfangstemperatur ab. Es ermöglicht eine Regulierung des Kältemittelflusses und des Drucks im Wärmepumpensystem.
Expansionsventile können mit oder ohne Regelung ausgeführt werden. In kleineren Wärmepumpen werden meistens thermostatische Expansionsventile eingebaut. Diese regulieren sich anhand der Temperatur vor dem Verdichter und dem Druck im Verdampfer. So strömt eine größere Kältemittelmenge durch das Ventil, wenn die Temperatur vor dem Verdichter steigt und der Druck im Verdampfer sinkt. Sobald sich die gemessenen Parameter ändern, passt das Ventil die Durchflussmenge an.
Bei Wärmepumpen für Großanlagen ist eine genauere Regelung notwendig. Deswegen verwenden Wärmepumpen mit größeren Leistungen ein elektronisches Expansionsventil.
Kältemittel
Ein Kältemittel ist ein gesondertes Fluid, das zur Wärmeübertragung in Kreislaufprozessen verwendet wird. Es kann die Wärme aus niedrigeren Temperaturen aufnehmen und mit höheren Temperaturen weiter an das Wärmepumpen-Heizungssystem weitergeben.
Die Wärmeaufnahmefähigkeit von Kältemittel ist auch deswegen hoch, weil es problemlos komprimiert und expandiert werden kann. Zudem erzeugt es während der Kompressions- und Expansionsphase wenig Dampfvolumen und Verflüssigungsdruck. Dadurch bleibt der Durchmesser von Verbindungsleitungen klein und das System kann kompakt zusammengebaut werden.
Der Einsatz von Kältemitteln in Wärmepumpen verleiht dem System an Effizienz. Dafür sorgen folgende Eigenschaften:
- hohe Wärmeleitfähigkeit
- niedrige Siedetemperatur
- geringes Dampfvolumen und Verflüssigungsdruck
- hohe chemische Stabilität
Für Wärmepumpen werden überwiegend synthetische Kältemittel verwendet. Dazu zählt unter anderem das Kältemittel R410A. Es eignet sich aufgrund seiner Eigenschaften besonders für Wärmeaufnahmeprozesse. Neben der hohen energetischen Effizienz ist es auch ein sehr sicheres Kältemittel. Durch die niedrigen Siedetemperaturen besteht keine Einfriergefahr bei Minustemperaturen, was den Einsatz von Wärmepumpen fast überall möglich macht.
Vier-Wege-Umkehrventil
Das Vier-Wege-Umkehrventil (auch 4-Wege-Ventil) wird werkseitig bei Wärmepumpen mit Heiz- und Kühlfunktion eingebaut. Das 4-Wege-Ventil besitzt vier Anschlüsse und kann somit den Wärmepumpenkreislauf umkehren.
Üblicherweise befindet sich das Vier-Wege-Umkehrventil neben dem Verdichter. Es ist an den Ein- und Ausgang des Verdichters angeschlossen. Je nach Heiz- oder Kühlbedarf schaltet sich das 4-Wege-Ventil um und gibt die Strömungsrichtung vor. Alle Bauteile einer Wärmepumpe sind in der Lage, das System in die eine oder andere Richtung zu betreiben.
Aufbau einer Wärmepumpen-Heizungsanlage
Eine Wärmepumpe ist nur ein Bestandteil einer Heizungsanlage. Damit Ihr Haus mit Wärme versorgt werden kann, werden zudem eine Wärmequellenanlage und ein Wärmeverteil- und Speichersystem benötigt.
Die Funktionsweise kann dabei vier Schritte unterteilt werden:
- Energiegewinnung
- Energieumwandlung
- Energieverteilung und -speicherung
- Regeneration
1. Energiegewinnung in der Wärmequellenanlage
Die Wärmequellenanlage nimmt die Wärmeenergie aus der Umgebung auf und leitet diese an den Wärmetauscher der Wärmepumpe weiter. Dafür wird ein Wasser-Glykol-Gemisch durch den Wärmetauscher durchströmt. Die Mischung von Wasser und Glykol begünstigt die Wärmeaufnahme und dient gleichzeitig als Frostschutz. Die Wärmequelle ist an den Verdampfer angebunden, um die aufgenommene Wärme an den Wärmepumpenkreislauf weiterzugeben.
Die verschiedenen Wärmepumpentypen werden nach Form der Wärmequelle und des Verteilmediums benannt:
- Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe nutzt die Luft als Wärmequelle und Wasser, um die Wärmeenergie im Gebäudeinnere zu verteilen.
- Eine Luft-Luft-Wärmepumpe nutzt die Luft als Wärmequelle und ebenfalls Luft, um die Wärmeenergie im Gebäudeinnere zu verteilen.
- Eine Sole-Wasser-Wärmepumpe nutzt das Erdreich als Wärmequelle und Wasser, um die Wärmeenergie im Gebäudeinnere zu verteilen.
- Eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe nutzt das Grundwasser als Wärmequelle und Wasser, um die Wärmeenergie im Gebäudeinnere zu verteilen.
-> Erfahren Sie mehr: Funktion einer Wärmepumpe einfach erklärt. Dort erfahren Sie mehr über die Funktionsweise einzelner Wärmepumpentypen.
2. Energieumwandlung in der Wärmepumpe
Im nächsten Schritt wird der durch die Wärmepumpe aufgenommenen Wärme nochmals Antriebsenergie zugefügt. Dafür ist der Verdichter zuständig (siehe Beschreibung oben). Folglich durchströmt das gasförmige Kältemittel den Verflüssiger, um die Wärmeenergie an das Wärmeverteil- und/oder Speichersystem weitergegeben.
3. Energieverteilung und -speicherung im Wärmeverteil- und Speichersystem
Nach Wärmeaufnahme seitens des Heizkreislaufs wird die Wärme entweder durch ein Verteilsystem durch das Gebäudeinnere verteilt oder in ein Speichersystem vorrätig aufbewahrt. Die Wärmeenergie kann sowohl zum Heizen als auch zur Warmwasseraufbereitung genutzt werden.
Das Wärmeverteilsystem bezeichnet den Transportweg der Wärme ins Gebäudeinnere. Es kann via Wasser oder Luft in die jeweiligen Räume gebracht werden. Üblicherweise kommen in Einfamilienhäuser Wassersysteme wie herkömmliche Heizkörper oder Fußbodenheizung zur Anwendung. Jedoch kommen Luftsysteme mittels kontrollierter Wohnraumlüftung immer häufiger zum Einsatz.
Ein Speichersystem ist nicht zwingend notwendig. Ein Warmwasserbehälter kann installiert werden, um überschüssige Wärme zur Warmwasserbereitung zu nutzen. Ob dieser notwendig ist, hängt vom Gesamtsystem ab.
Die Installation eines Heizungs-Pufferspeichers ist eine weitere Option, um überschüssige Wärme aufzunehmen. Ob sich der Einbau lohnt, hängt von der Leistung der Wärmepumpe und dem Wärmebedarf des Hauses ab.
Idealerweise deckt eine Wärmepumpe-Heizungsanlage die berechnete Heizlast eines Einfamilienhauses ab. Sofern sie nicht ausdrücklich auf einem Puffer bestehen, sollte sie ausschließlich den Wärmebedarf abdecken und wenig bis keine überschüssige Wärme aufnehmen.
4. Regeneration des Systems
Der letzte Schritt besteht darin, das System zu regenerieren. Dafür ist das Expansionsventil zuständig. Es lässt das Kältemittel ausdehnen und zu seinem Ausgangszustand zurückkehren. Dieser Schritt ist wichtig, um die Wärmeaufnahmefähigkeit des Kältemittels wiederherzustellen. Denn je niedriger die Kältemitteltemperatur, desto höher die Wärmeaufnahmefähigkeit.
Fazit
Wärmepumpen-Heizungsanlagen sind die Gegenwart und die Zukunft. Falls Sie ein Einfamilienhaus bauen oder die Heizungsanlage austauschen müssen, sollten Sie eine Wärmepumpe in Betracht ziehen. Welche Art von Wärmepumpe sich für Ihren Anwendungsfall eignet, können Sie bei einem unverbindlichen Beratungsgespräch herausfinden.
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