Wie funktioniert eine Wärmepumpe fürs Haus? Funktionsweise einfach erklärt.

• Eine Wärmepumpe funktioniert, indem sie die Wärme der Umwelt anzapft. Das kann die Außenluft, das Erdreich oder das Grundwasser sein. 
• Die Umweltwärme wird auf ein Kältemittel übertragen, welches bereits bei geringen Temperaturen verdampft. 
• Der Kältemitteldampf wird mittels Kompressor verdichtet und erhält dadurch höhere Temperatur, die zum Heizen verwendet wird.

Und darauf geht der Artikel genau ein:

• Die Funktion von Wärmepumpen im Detail
• Funktion verschiedener Wärmepumpen-Arten im Detail
• Wie funktioniert eine Wärmepumpe im Winter?

Die Funktion von Wärmepumpen im Detail

Die Funktionsweise einer Wärmepumpe ist einfach erklärt. Sie besteht aus vier wesentlichen Schritten: 

• Verdampfen
• Verdichten
• Verflüssigen
• Entspannen

Diese Schritte wiederholen sich in einem ständigen Kreislauf.

-> Passend zu Thema: Aufbau und Bestandteilen einer Wärmepumpe

Verdampfen

Im normalen Zustand ist das Kältemittel der Wärmepumpe flüssig. Es zirkuliert durch Rohrleitungen, die mit einem Wärmetauscher verbunden sind. Zapft die Wärmepumpe nun die Umweltwärme an, erwärmt diese das Kältemittel in den Rohren. Das Kältemittel fängt an, allmählich zu verdampfen. 

Selbst im Winter bei Außentemperaturen bis -28° C kann eine Wärmepumpe die Luft als Umweltquelle nutzen. Die Temperaturen des Grundwassers und des Erdreichs liegen auch im Winter bei um die 10 °C.

Ein Wärmetauscher, auch Wärmeüberträger genannt, überträgt Wärme von einem Medium, zum Beispiel Luft, an ein anderes, wie Wasser. Die beiden Elemente kommen dabei nicht direkt miteinander in Kontakt, sondern werden durch Rohrleitungen aneinander vorbeigeleitet. Das ganze funktioniert mit flüssigen und gasförmigen Stoffen. 

Verdichten 

Da das Kältemittel bereits bei geringsten Temperaturen verdampft, reicht die Temperatur des Dampfes nicht aus, um eine Heizung zu betreiben. Der Dampf wird daher mittels eines elektrisch betriebenen Verdichters, auch Kompressor genannt, komprimiert. Durch den ausgeübten Druck steigt die Temperatur des Kältemitteldampfs an.  

Im Prinzip funktioniert der Verdichter so, dass er das gasförmige Kältemittel ansaugt und auf diese Weise seine Dichte drastisch zusammenpresst. Wird der Druck eines Gases erhöht, erhöht sich auch der Siedepunkt. So kann die Temperatur gesteigert werden, ohne dass sich das Gas sofort wieder in Kondensat verwandelt und abkühlt.

Verflüssigen

Da nicht das Kältemittel, sondern das Heizungswasser durch die Heizkörper oder die Fußbodenheizung fließt, wird ein zweiter Wärmetauscher benötigt. Hier überträgt das komprimierte Kältemittel seine Wärme auf das kühle Heizungswasser. Das Kältemittel kühlt sich dabei nun wieder ab und kehrt als Kondensat in seinen flüssigen Zustand zurück.

Das Heizungswasser fließt durch die Heizkörper und erwärmt auf diese Weise die Räume im Haus. Und das abgekühlte Heizwasser fließt zurück in den Wärmetauscher und wird hier erneut erwärmt.

Entspannen

Obwohl das Kältemittel jetzt wieder in flüssiger Form vorliegt, steht es immer noch unter Druck. Damit der Druck wieder abgebaut werden kann, wird das flüssige Kältemittel durch ein Entspannungsventil, auch Expansionsventil genannt, geleitet. Aus physikalischer Sicht ist das Ventil lediglich ein Strömungswiderstand für die Flüssigkeit. 

Dieser saugt Dampf auf der Verdampferseite ab und reduziert damit den Druck hinter dem Ventil. Das Kältemittel kühlt sich auf diese Weise nochmals stark ab und erreicht wieder seine Anfangstemperatur. Der Prozess beginnt von vorn. 

Funktion verschiedener Wärmepumpen-Arten im Detail

Da die verschiedenen Wärmepumpen-Arten ihre Energie aus unterschiedlichen Umweltquellen beziehen, funktionieren sie auch etwas anders. Das Prinzip des Kältemittels verdampfen, verdichten und verflüssigen, bleibt dabei jedoch gleich. 

Wie funktioniert eine Luftwärmepumpe? 

Luftwärmepumpen gibt es in zwei Ausführungen: Luft-Wasser-Wärmepumpen und Luft-Luft-Wärmepumpen.

Eine Luft-Wasser-Wärmepumpen funktioniert, indem ein Ventilator die Außenluft aktiv ansaugt und an einen Wärmetauscher überträgt. Im Wärmetauscher befindet sich ein Kältemittel, welches nun anfängt, zu verdampfen. Um die Temperatur zu steigern, wird es von einem Kompressor verdichtet. Ein zweiter Wärmetauscher überträgt die Wärme des Kältemittels anschließend auf den Heizkreislauf.

Luftwärmepumpen gibt es als Wärmepumpen-Innengerät, Wärmepumpen-Außengerät oder als Split-Gerät. Bei der Innenaufstellung kann die Wärmepumpe im Keller aufgestellt werden. Durch einen Lufteinlass und einen weiteren Luftauslass in der Außenwand kann die „warme“ Außenluft angesaugt und kalte wieder abgegeben werden. 

Bei einer Außenaufstellung wird die komplette Pumpe im Außenbereich montiert. Das bedeutet, dass sowohl das Ansaugen der Außenluft als auch die Wärmeerzeugung draußen stattfindet. Die erzeugte Wärme wird folglich mittels gut gedämmter Rohrleitungen zum Pufferspeicher transportiert. 

Ein Split-Gerät hat einen größeren Außenteil und einen kleineren Innenteil. Die Außeneinheit besteht aus dem Ventilator, dem Verdampfer, dem Verdichter und dem Entspannungsventil. In der Inneneinheit befindet sich der Verflüssiger sowie der zweite Wärmetauscher. Die Wärme wird also erst im Haus auf den Heizkreislauf abgegeben. Es müssen deshalb keine aufwändig gedämmten Rohre verlegt werden, sondern nur Kältemittelleitungen. 

Wie funktioniert eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe? 

Eine Wasserwärmepumpe funktioniert, indem sie das Grundwasser durch einen Brunnen ansaugt und an einen Wärmetauscher überträgt. Das Kältemittel im Wärmetauscher verdampft nun und der Dampf wird mittels Druck komprimiert. So entsteht die für die Heizung nötige Temperatur. Das abgekühlte Wasser wird durch einen zweiten Brunnen zurück ins Grundwasser gelassen. 

Wasserwärmepumpen benötigen immer zwei Brunnen. Einen Saugbrunnen, in dem das Grundwasser angesaugt werden kann und einen Schluckbrunnen. Da das Grundwasser selbst im Winter noch Temperaturen um die 10 °C hat, sind Wasserwärmepumpen die effizienteste Wärmepumpen-Art. 

Wie funktioniert eine Erdwärmepumpe? 

Eine Erdwärmepumpe funktioniert, indem sie die thermische Energie des Erdbodens über Erdwärmesonden, Erdwärmekörbe oder Erdkollektoren anzapft. Die Sonden liegen 50-250 Meter tief in der Erde und die Kollektoren 1,5 m, gerade unter der Frostgrenze. Die Erdwärme wird dann auf ein Kältemittel übertragen, welches verdampft und zum Temperatursteigern komprimiert wird. 

Erdkollektoren werden mit einem Rohrsystem als weitläufige Fläche etwa 1,5 m unter dem Erdboden verlegt. Die benötigte Fläche ist in der Regel doppelt so hoch wie die zu beheizende Wohnfläche. Die Fläche darf nicht überbaut oder versiegelt werden.

In den Kollektoren befindet sich ein Glykol-Wassergemisch, welches die Wärme aus der Sole aufnimmt und zur Wärmepumpe im Haus leitet. Dort wird die Erdwärme an den Wärmetauscher abgegeben und das abgekühlte Glykol-Wassergemisch fließt zurück in die Kollektoren. 

Eine Erdsonde wird anstatt auf einer großen Fläche in 50 bis 250 Metern Tiefe eingesetzt. Das Bohrloch braucht dafür insgesamt nur einen Durchmesser von 15 cm. Wie tief gebohrt werden muss, hängt vom Wärmebedarf des Haushalts ab. 

Bei den Sonden handelt es sich um Rohre, in denen eine Flüssigkeit oder ein Gas zirkuliert, welches die thermische Wärme aufnehmen kann. Diese fließt dann zur Wärmepumpe und wird dort auf das Kältemittel im Wärmetauscher übertragen. Die abgekühlte Flüssigkeit oder das abgekühlte Gas fließen zurück in die Erdsonde, um erneut Wärme aufzunehmen. 

Wie funktioniert eine Wärmepumpe im Winter?

Eine Wärmepumpe funktioniert auch im Winter. Die Außenluft, das Erdreich und das Grundwasser sind selbst im Winter warm genug, um das Haus zu heizen. Das Kältemittel in der Wärmepumpe verdampft bereits bei niedrigsten Temperaturen, übrigens auch bei zweistelligen Minusgraden. Sollte es wirklich mal extrem kalt werden, besitzt die Wärmepumpe einen Heizstab, der sich automatisch einschaltet. 

In der Regel haben nur Luftwärmepumpen diesen Heizstab, da die Temperatur des Grundwassers und des Erdreichs eigentlich nicht in den Minusbereich fällt. Doch selbst wenn eine Luftwärmepumpe den Heizstab kurz benutzen muss, ist die Anlage immer noch effizient. Der verbrauchte Strom ist im Vergleich zur erzeugten Heizleistung sehr niedrig. Im Schnitt beträgt der zusätzliche Energiebedarf durch den Heizstab weniger als 5 %.

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