Wärmepumpen bieten eine ganze Bandbreite aus Vorteilen – wie in den Bereichen Energieeffizienz, Wartungsaufwand, Nachhaltigkeit und Kosten. Aber: Wie funktioniert eine Wärmepumpe? Aufgrund der verschiedenen Bauarten und der allgemeinen technischen Komplexität weiß nicht jeder über die exakte Funktionsweise Bescheid. Dieser Artikel wird Ihnen eine Übersicht zum Thema geben und die verschiedenen Varianten mit ihren spezifischen Vorteilen vorstellen.
Das Wichtigste auf einen Blick
- Wärmepumpen nutzen Wärme aus der Umgebung (Luft, Erde oder Wasser), um sie im Inneren eines Gebäudes abzugeben und so eine effiziente Heizung zu ermöglichen.
- Die Funktionsweise einer Wärmepumpe lässt sich in drei Schritten zusammenfassen: Verdampfen, Verdichten und Kondensieren des Kältemittels, das die Wärme von außen nach innen transportiert.
- Wärmepumpen sind energieeffizient, nachhaltig und bieten geringe Betriebskosten, obwohl die Anschaffungskosten hoch sein können. Sie reduzieren den CO2-Ausstoß erheblich, insbesondere bei Nutzung erneuerbarer Energien wie Solarstrom.
- Die gängigsten Varianten sind Luft-Luft-, Luft-Wasser-, Sole-Wasser- und Wasser-Wasser-Wärmepumpen. Jede hat ihre eigenen Vorteile und eignet sich für verschiedene Anwendungen abhängig von den lokalen Gegebenheiten und Bedürfnissen.
- Die Wahl der passenden Wärmepumpe hängt von Faktoren wie regionalen Gegebenheiten, Kosten und der Art der Nutzung ab. Fachberatung wird empfohlen, um die optimale Lösung zu finden.
Einfach erklärt: Wie funktioniert eine Wärmepumpe?
Die Funktion der Wärmepumpe besteht darin, Wärme aus der Umgebung – beispielsweise aus der Erde, dem Wasser oder der Luft – aufzunehmen und sie am Zielort in derselben oder einer anderen Form wieder abzugeben. Jener Zielort ist in der Regel das Innere einer Immobilie, sodass etwa ein Einfamilienhaus auf die gewünschte Temperatur gebracht wird und die darin wohnenden Menschen ein angenehmes Wohnklima vorfinden.
Die Funktion einer Wärmepumpe lässt sich dabei in folgenden 3 Schritten zusammenfassen:
- Verdampfen: Im ersten Schritt befindet sich ein Kältemittel in einem Wärmetauscher, dem Verdampfer. Dieses Kältemittel hat einen sehr niedrigen Siedepunkt. Die Wärmeenergie aus der Umgebung (Luft, Erde oder Wasser) wird vom Kältemittel aufgenommen, wodurch es verdampft. Das heißt, das Kältemittel nimmt Wärme auf und wechselt vom flüssigen in den gasförmigen Zustand.
- Verdichten: Das gasförmige Kältemittel wird dann in einen Kompressor geleitet. Im Kompressor wird das Gas stark verdichtet, was den Druck und die Temperatur des Kältemittels erhöht. Dieser Schritt erfordert elektrische Energie. Durch die Verdichtung wird das Kältemittel auf eine höhere Temperatur gebracht, als die Temperatur im Heizsystem benötigt wird.
- Kondensieren: Das nun heiße, gasförmige Kältemittel strömt in einen zweiten Wärmetauscher, den Kondensator. Hier gibt das Kältemittel seine Wärme an das Heizsystem des Gebäudes ab (z.B. an Wasser für die Heizung). Während es die Wärme abgibt, kühlt das Kältemittel ab und kondensiert wieder zu einer Flüssigkeit. Danach fließt das flüssige Kältemittel durch ein Expansionsventil, wo es sich entspannt und der Druck sinkt. Das Kältemittel ist nun wieder bereit, im Verdampfer Wärme aufzunehmen und der Kreislauf beginnt von vorne.
Vorteile der Wärmepumpenheizung
Dieses einfache Prinzip kann im Vergleich zum Heizen mit fossilen Energieträgern verschiedene Vorteile mit sich bringen:
Energieeffizienz
Wärmepumpen verlassen sich allein auf Wärme, die aus der direkten Umwelt – Wasser, Luft oder Erde – gewonnen wird. Zwar wird elektrische Energie benötigt, um die verschiedenen Komponenten der Pumpe arbeiten zu lassen. Dies ist aber noch immer wesentlich effizienter als die Verwendung von Öl oder Gas, das verbrannt werden muss, um Wärme zu erzeugen. Die Effizienz ist somit sehr hoch (und kann durch umweltfreundlichen Strom weiter gesteigert werden).
Betriebskosten
Die Anschaffungs- und Installationskosten sind zunächst je nach Modell zwar hoch, doch die erwähnte gute Energieeffizienz führt zu langfristig geringeren Betriebskosten. So gibt es beispielsweise kein Öl oder Gas, das bei Bedarf nachgekauft werden muss. Über die Lebensdauer einer solchen Pumpe können daher die anfänglich hohen Bereitstellungskosten ausgeglichen werden.
Nachhaltigkeit
Wärmepumpenheizungen erzeugen nur durch ihre Herstellung und den benötigten Strom direkte Emissionen. Es werden jedoch keine fossilen Energieträger verbrannt, was den CO2-Ausstoß drastisch absenkt. Falls die Energie für den Betrieb beispielsweise aus einer Photovoltaikanlage oder einer ähnlichen regenerativen Energiequelle stammt, werden die Emissionen noch weiter reduziert und klimafreundliches Heizen wird ermöglicht.
Wartungsaufwand
Moderne Pumpen sind in der Regel zuverlässig und arbeiten auch mit jahrelangen Wartungsintervallen zuverlässig. Dies gibt Ihnen Sicherheit für Ihre Investition, denn unerwartete Reparaturen oder plötzliche Ausfälle sind sehr selten.
Zusätzlich werden Sie insgesamt unabhängiger gegenüber globalen Energiekosten. Ob Öl und Gas aktuell im Preis fallen oder steigen, kann Ihnen relativ egal sein, wenn Sie eine Immobilie komplett ohne diese Brennstoffe heizen. Auch geopolitische Ereignisse verlieren – zumindest finanziell gesehen – ihren Schrecken.
Aufbau einer Wärmepumpe
Die exakte Funktionsweise dieser Geräte unterscheidet sich je nach Variante im Detail, wenngleich das übergeordnete Prinzip stets identisch bleibt: Wärme wird von außen nach innen transportiert. In den folgenden Abschnitten lernen Sie den Aufbau der häufigsten Pumpenvarianten kennen. Eine klare „beste Lösung“ gibt es dabei nicht, da die verschiedenen Optionen unterschiedliche Vor- und Nachteile mit sich bringen.
Luft-Luft-Wärmepumpe
Diese gelegentlich auch als Luftwärmepumpe bezeichnete Lösung nimmt Wärme aus der Außenluft auf und führt sie ins Hausinnere ein. Dabei wird draußen Luft durch ein Ventilatorsystem angesaugt, wo die darin enthaltene Wärme durch einen Wärmetauscher oder Verdampfer entzogen wird. Diese Wärme wird anschließend auf ein Kältemittel übertragen, und dieses Mittel wird ins Innere des Hauses geführt.
Dort angekommen, gibt es die aufgenommene Wärme an die Umgebung ab, wo sie dann über ein Lüftungssystem im Inneren des Hauses verteilt wird. Das Resultat ist nutzbare Wärme, die fast völlig ohne Emissionen gewonnen wird. Der beschriebene Zyklus der Luft-Luft-Wärmepumpe kann im Sommer umgekehrt werden, was für eine Abkühlung in der Immobilie sorgen kann.
Luft-Wasser-Wärmepumpe
Auch die Luft-Wasser-Wärmepumpe nimmt Wärme aus der umgebenden Luft auf und nutzt dabei dieselbe Technik wie die Luft-Luft-Wasserpumpe. Das im vorherigen Abschnitt erwähnte Kältemittel gibt die darin enthaltene Wärme jedoch nicht an die Luft weiter, sondern an Wasser, um dieses zu erhitzen. Das auf diese Weise erwärmte Wasser dient anschließend dazu, Heizkörper zu erwärmen oder Warmwasser für andere Einsatzzwecke zu nutzen.
Gut geeignet ist die Luft-Wasser-Wärmepumpe überall dort, wo Heizkreisläufe aus Wasser verwendet werden – etwa, um Fußbodenheizungen oder Heizkörper zu erwärmen. Wärme kann dabei auch gewonnen werden, wenn die Außentemperaturen eigentlich sehr niedrig sind.
Sole-Wasser-Wärmepumpe
Die Sole-Wasser-Wärmepumpe – verbreitet wird sie auch als Erdwärmepumpe bezeichnet – entzieht Wärme dem Erdboden. Kollektoren werden dazu vertikal oder horizontal im Erdboden ausgerichtet. Jene Wärme wird weitergeleitet an ein Medium, das diese Wärme gut transportieren kann – oft eine Mischung aus Frostschutzmittel und Wasser. Dieses erwärmte Gemisch gibt seine erhöhte Temperatur an einen Wärmetauscher ab, sodass Wasser erhitzt wird, was dann wiederum für Heizkörper oder andere Warmwasserzwecke verwendet werden kann.
Vor allem in kälteren Gebieten ist die Erdwärmepumpe eine gute Idee, denn im Erdreich ist die Temperatur unabhängig von der Jahreszeit immer relativ konstant. Als Nachteil ist bei einer Sole-Wasser-Wärmepumpe die Installation komplexer und damit teurer als bei anderen bisher genannten Pumpenvarianten.
Wasser-Wasser-Wärmepumpe
Wie es der Name erahnen lässt, entzieht eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe vorrangig Wasserquellen Wärme. Dazu wird beispielsweise ein Wärmetauscher in eine Wasserquelle getaucht. Dabei muss es sich nicht zwingend um Seen, Teiche oder Flüsse handeln, denn auch das Grundwasser kommt in Frage, wenn es nicht zu tief liegt. In der Pumpe befindet sich ein Kältemittel, das die im Wasser enthaltene Wärme aufnimmt und weiterleitet.
Das Mittel gibt diese Wärme anschließend an einen Wasserkreislauf ab, von wo aus Heizungen, Duschen & Co. erwärmt werden. Die generelle Funktionsweise unterscheidet sich somit kaum von anderen Pumpenvarianten. Vorteilhaft ist die Wasser-Wasser-Wärmepumpe an Orten mit stark schwankenden Temperaturen: Wasser ist temperaturstabiler und besitzt eine höhere Wärmekapazität. Allerdings müssen sich geeignete Wasserquellen in der Nähe befinden, was nicht überall der Fall ist.
Fazit: Welche Variante ist die beste?
Einen eindeutigen Gewinner gibt es nicht und ihre Funktion, Häuser mit Wärme zu versorgen, erfüllen alle Wärmepumpen. Vielmehr sollten Sie regionale Überlegungen anstellen und die Kosten im Auge behalten, um eine für Sie geeignete Pumpenvariante auszuwählen. Im Zweifelsfall empfiehlt es sich vor allem aus finanziellen Gründen immer, Fachpersonal zurate zu ziehen.
Quellen:
- Bundesverband Wärmepumpe e.V.: „Wie funktioniert die Wärmepumpe?“ (https://www.waermepumpe.de/waermepumpe/funktion-waermequellen). Abgerufen am 03.04.2024.
- co2online: „Wärmepumpen-Vergleich: Heizen mit Luft, Wasser oder Erdwärme?“ (https://www.co2online.de/modernisieren-und-bauen/waermepumpe/waermepumpe-arten-im-vergleich). Abgerufen am 03.04.2034.
