Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

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Wärmepumpen nutzen Umweltwärme, um ein Gebäude zu beheizen und Warmwasser zu bereiten. Wenn eine entsprechende Anlage mit Strom aus erneuerbaren Energien betrieben wird, gibt es keinen CO2-Ausstoß. Infolgedessen gelten die Pumpen als klimafreundliche Alternative zu herkömmlichen Heizsystemen. Doch wie funktioniert eine Wärmepumpe im Detail?

Das Wichtigste in Kürze

  • Eine Wärmepumpe funktioniert nach einem ähnlichen Prinzip wie ein Kühlschrank, dient aber zum Erwärmen von Wasser.
  • Die Anlage entzieht der Umgebung Wärme, die dafür sorgt, dass ein Kältemittel gasförmig wird. Dieses Kältemittel wird in einem Kompressor verdichtet und die dabei entstehende Wärme erhitzt das Wasser in einem Heizsystem.
  • Als Wärmequellen für die Pumpe kommen sowohl die Umgebungsluft als auch das Erdreich und das Grundwasser infrage.
  • Eine richtig dimensionierte Wärmepumpe liefert sogar bei zweistelligen Minusgraden ausreichend Heizleistung.

Die Funktionsweise einer Wärmepumpe

Die Funktionsweise einer Wärmepumpe gleicht der eines Kühlschranks. Lediglich das Ziel unterscheidet sich: Ein Kühlschrank entzieht seinem Inneren Wärme, um dort die Temperatur zu senken. Eine Wärmepumpe hingegen entzieht ihrer Umgebung Wärme und erwärmt damit Wasser. Auch wenn es unterschiedliche Ausführungen gibt, funktionieren sämtliche Arten von Wärmepumpen nach dem gleichen Prinzip.

Wärmepumpe Funktionsweise

1. Schritt: Verdampfen des Kältemittels

Jede Wärmepumpe verfügt über einen Verdampfer, in dem sich ein flüssiges Kältemittel befindet, das bereits bei niedrigen Temperaturen gasförmig wird. Zunächst nimmt die Pumpe Wärme aus der Umgebung auf. Dies kann sowohl direkt funktionieren wie bei einer Luft-Wärmepumpe als auch über einen zusätzlichen Kreislauf wie im Falle einer Erdwärmepumpe. Durch die Wärmezufuhr verdampft das Kältemittel.

2. Schritt: Verdichten des Kältemittels

Als Nächstes gelangt das gasförmige Kältemittel in einen Kompressor. Dieser verdichtet das Gas, woraufhin sich seine Temperatur erhöht. Für diesen Vorgang benötigt die Anlage Strom. Der Energiebedarf fällt umso geringer aus, je kleiner der Temperaturunterschied zwischen der Wärmequelle und der Heizungsanlage ist.

3. Schritt: Verflüssigen des Kältemittels

Im Anschluss führt die Wärmepumpe das erwärmte und unter Druck stehende Kältemittel in einen Verflüssiger, in dem das Gas seine Wärme an das Heizsystem abgibt. Dadurch sinkt die Temperatur des Kältemittels und es verflüssigt sich wieder.

4. Schritt: Absenkung des Druckniveaus

Die Wärmepumpe leitet das immer noch unter Druck stehende Kältemittel zu einem Entspannungsventil weiter. Dieses Bauteil sorgt dafür, dass das Druckniveau wieder den Ausgangszustand erreicht. Danach beginnt der Prozess von vorne.

Welche Wärmequellen gibt es?

Je nach Ausführung nutzen Wärmepumpen entweder die Umgebungsluft, das Grundwasser oder das Erdreich als Wärmequelle. Luftwärmepumpen sind vergleichsweise günstig in der Anschaffung. Das begründet sich damit, dass das Wärmemedium einerseits in großer Menge zur Verfügung steht und sich andererseits leicht erschließen lässt. Als Nachteil erweist es sich jedoch, dass die Wärmequelle ausgerechnet in der Heizperiode am kältesten ist – also dem Zeitraum mit dem höchsten Wärmebedarf.

Anders als Luft hat der Erdboden das ganze Jahr über eine relativ konstante Temperatur. Erdwärmepumpen gibt es in zwei Ausführungen. Bei der einen werden Flächenkollektoren in einer Tiefe von anderthalb Metern installiert. Welche Ausmaße die Kollektoren annehmen müssen, hängt vom Wärmeverbrauch des beheizten Objekts ab. Bei der anderen Ausführung handelt es sich um Erdwärmesonden, die in einer Tiefe von 30 bis 100 Metern eingebracht werden. Dafür benötigen Grundstücksbesitzer jedoch eine Genehmigung.

Da sich auch Grundwasser durch geringe Temperaturschwankungen auszeichnet, bietet es sich ebenfalls als Wärmequelle an. Die Voraussetzung dafür ist jedoch, dass das Grundstück über ein ausreichend hohes Vorkommen an Grundwasser verfügt. Das lässt sich jedoch mithilfe einer Probebohrung leicht feststellen. Außerdem besteht die Notwendigkeit, die Qualität des Wassers zu prüfen. Darüber hinaus ist eine von der Unteren Wasserbehörde erteilte Genehmigung erforderlich.

Funktioniert die Wärmepumpe auch im Winter?

Ja, eine Wärmepumpe schafft es prinzipiell auch im Winter, den Heizbedarf komplett zu decken. Das zum Einsatz kommende Kältemittel nimmt selbst bei zweistelligen Minusgraden noch den gasförmigen Zustand an. Dadurch gelingt es der Wärmepumpe selbst in der kalten Jahreszeit, für Vorlauftemperaturen von mehr als 50 Grad Celsius zu sorgen. Dazu ist es lediglich notwendig, die Anlage angemessen zu konzipieren. Falls die Temperaturen doch einmal zu niedrig sind, gewährleistet ein Heizstab, dass die Pumpe ausreichend Wärme erzeugt. Laut eines Langzeit-Monitorings des Fraunhofer Instituts für Solare Energiesysteme gehen durchschnittlich nicht einmal fünf Prozent des Energiebedarfs auf das Heizelement zurück.