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Wärmepumpe Funktion: Die Funktionsweise einfach erklärt
Im Rahmen der Energiewende spielen Wärmepumpen als primäres Heizsystem eine wichtige Rolle. Mittlerweile ist die Hälfte aller neuen Wohngebäude (vor allem Ein- und Zweifamilienhäuser) damit ausgestattet und der Trend steigt weiter an. Neben der Gebäudeheizung lässt sich das Wärmepumpensystem auch zur Warmwasserbereitung nutzen. Wie genau das funktioniert und welche Arten an Wärmepumpen es gibt.
Inhaltsverzeichnis
Was genau ist eine Wärmepumpe?
Die Wärmepumpe ist ein Gerät, das der Umgebung Wärme entzieht und diese zum Heizen nutzt. Dafür benötigt es elektrische Energie. Als Wärmequellen kommen Luft, Erde oder Wasser in Frage. Somit ist die Methode wesentlich umweltfreundlicher als herkömmliche Heizsysteme. Eine ausreichend große Anlage kann auch im Winter genügend Wärme aus der Umgebung gewinnen. Je höher jedoch die Ausgangstemperatur der Wärmequelle, desto wirtschaftlicher arbeitet die Wärmepumpenheizung.
Die Funktionsweise von Wärmepumpen einfach erklärt
Die Funktionsweise der Pumpe ist vergleichbar mit der eines Kühlschranks. Während dieser jedoch Wärme von innen nach außen ableitet, ist der Prozess hier genau umgekehrt: Die Pumpe entzieht der Umwelt außerhalb des Gebäudes Wärme, leitet sie nach innen und wandelt sie in nutzbare Heizenergie um. Rein technisch beruht das System auf den Prinzipien der Physik. Es stellt einen geschlossenen Kreislauf dar, in dem sich vier Schritte laufend wiederholen:
- Verdampfen
- Verdichten
- Verflüssigen
- Entspannen
Der sogenannte Verdampfer enthält ein flüssiges Kältemittel. Es nimmt Wärmeenergie aus der Umwelt auf, verdampft dabei und geht in einen gasförmigen Zustand über. Im Kompressor wird dieses Gas nun so stark verdichtet (zusammengedrückt), dass seine Temperatur weiter ansteigt.
Im nächsten Schritt kommt der Kondensator oder Verflüssiger ins Spiel. Hier überträgt das erhitzte Gas seine Wärme mithilfe eines Wärmetauschers an das Heizungssystem. Dabei kühlt es ab und verflüssigt sich wieder. In einem speziellen Entspannungsventil wird der Druck anschließend so weit gesenkt, dass das Kältemittel wieder seine Ausgangstemperatur erreicht. Es fließt zurück zur Pumpe, um wieder Wärme aus der Umgebung aufzunehmen. So beginnt der Kreislauf von vorne.
Die beschriebene Funktionsweise ist bei allen Wärmepumpen-Typen gleich. Geräte mit reversibler Funktionsweise lassen sich im Sommer außerdem als Klimaanlage nutzen. So können Sie mit der Wärmepumpe Ihre Räume kühlen. Bei vielen Modellen lässt sich diese Funktion auf Wunsch noch nachträglich installieren.
Welche Arten von Wärmepumpen gibt es?
Energiewärme ist in der Umwelt immer vorhanden – selbst im Winter, wenn wir es draußen als kalt empfinden. Schließlich liegt der absolute Nullpunkt in der Physik nicht bei null, sondern bei eisigen -273,15 Grad Celsius. Je nach Modell nimmt die Wärmepumpe ihre Energie aus der Luft, dem Wasser oder dem Boden auf. Die drei Systeme, ihre Funktion sowie ihre Vor- und Nachteile finden Sie im Folgenden einfach erklärt:
Die Funktionsweise der Luft-Wasser-Wärmepumpe
Die Luft-Wasser-Wärmepumpe nutzt die thermische Energie der Außenluft. Sie saugt die Luft über einen Ventilator an und leitet sie zum Wärmetauscher. Dieser entzieht der Luft die Wärme und leitet sie in den bereits beschriebenen Kreislauf der Wärmepumpe. Mit der gleichen Funktionsweise arbeitet auch die Abluftwärmepumpe. Anstelle der Außenluft nutzt sie jedoch die Abluft aus mechanischen Lüftungsanlagen als Wärmequelle.
Die Installation einer Luft-Wasser-Wärmepumpe erfordert nur wenig baulichen Aufwand. Luft ist überall vorhanden und so genügt es, das Gerät an einem geeigneten Platz aufzustellen. Grundsätzlich gilt: Die Effizienz der Pumpe ist abhängig von der Temperatur der angesaugten Luft. Je kälter die Außenluft, desto mehr Strom benötigt der Kompressor, um das Kältemittel auf die benötigte Temperatur zu bringen.
Der Betrieb einer Luft-Wasser-Wärmepumpe geht nicht ganz geräuschlos vonstatten. Dies sollten Sie bei der Planung berücksichtigen, damit die Geräusche später nicht zum Störfaktor werden.
Die Funktionsweise der Wasser-Wasser-Wärmepumpe
Sie wird auch als Grundwasserwärmepumpe bezeichnet, denn im Gegensatz zur Luft-Wasser-Wärmepumpe dient hier als Wärmequelle das Grundwasser. Dieses wird über einen Förderbrunnen entnommen, gibt seine thermische Energie an ein Kältemittel ab und fließt dann über den sogenannten Schluckbrunnen in den Boden zurück. Die Funktionsweise des Kältemittelkreislaufs an sich ist bei allen Wärmepumpen-Typen dieselbe.
Die Installation einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe macht nur Sinn, wenn immer ausreichend Wasser zur Verfügung steht. Die erforderliche Brunnentiefe richtet sich nach dem Grundwasserstand. Meist liegt sie zwischen vier und fünfzehn Metern. Die Wasser-Wasser-Wärmepumpe gilt als besonders effizient, denn die Temperatur des Grundwassers ist konstant hoch. Vor dem Bau empfiehlt sich jedoch eine Analyse der Wasserqualität, denn bei ungünstiger chemischer Zusammensetzung droht der Anlage Korrosionsgefahr.
Anstelle des Grundwassers lässt sich auch Kühlwasser (industrielle Abwärme) als Energiequelle einsetzen. In beiden Fällen muss die Nutzung vom Wasserwirtschaftsamt genehmigt werden.
Die Funktionsweise der Sole-Wasser-Wärmepumpe
Auch im Erdboden ist Wärmeenergie gespeichert. Sie wird als Geothermie bezeichnet. Die Erdwärmepumpe macht sich diese Energiequelle zunutze. Mithilfe von Sonden entzieht sie dem Boden Wärme und leitet diese in einen Kältemittelkreislauf. Dessen Funktion ist dieselbe wie bei jeder anderen Wärmepumpe. Erdwärme steht das ganze Jahr über als konstante Größe zur Verfügung. Je nach Bodenqualität und Tiefe liegt die Temperatur bei sieben bis dreizehn Grad.
Für die Installation einer Sole-Wasser-Wärmepumpe sind Bohrungen nötig, für die Sie eine amtliche Genehmigung einholen müssen. Erdsonden werden bis zu 100 Meter tief eingelassen, um die Geothermie optimal zu nutzen. Ebenso wie bei der Luft-Wasser-Wärmepumpe hängt die Effizienz der Anlage auch hier von der Temperatur der Wärmequelle ab.
Alternativ zur Erdsonde lassen sich Erdkollektoren verwenden, die großflächig unter der Erdoberfläche (bis zu 1,5 Meter tief) verlegt werden. Sie sind nicht meldepflichtig und ersparen Ihnen die Tiefbohrung, brauchen dafür aber sehr viel Platz.
