Wärmepumpen gelten als das klimafreundliche Heizungssystem der Zukunft. Doch wie funktioniert eine Wärmepumpe eigentlich?
In diesem Artikel erklären wir das Funktionsprinzip und den Aufbau einer Wärmepumpe auf verständliche Weise. Außerdem zeigen wir, wie die verschiedenen Arten von Wärmepumpen arbeiten und wie ihre Funktion im Winter gewährleistet ist.
Wichtige Erkenntnisse
- Eine Wärmepumpe arbeitet nach dem umgekehrten Kühlschrankprinzip und entzieht der Umwelt Wärme, um diese für Heiz- und Kühlzwecke nutzbar zu machen.
- Es gibt verschiedene Arten von Wärmepumpen, darunter Luft-Wasser-, Sole-Wasser- und Wasser-Wasser-Wärmepumpen, die jeweils unterschiedliche Energiequellen nutzen.
- Die Effizienz einer Wärmepumpe kann auch bei niedrigen Temperaturen im Winter hoch sein, wenn entsprechende Frostschutzmaßnahmen und zusätzliche Heizmethoden eingesetzt werden.
- Der Aufbau einer Wärmepumpe umfasst drei Hauptkomponenten: die Wärmequellenanlage, die eigentliche Wärmepumpe und das Wärmeverteil- und Speichersystem.
- Wärmepumpen können sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen verwendet werden und bieten durch diese Doppelfunktion einen hohen Nutzen.
Das Grundprinzip einer Wärmepumpe
Eine Wärmepumpe funktioniert nach dem umgekehrten Kühlschrankprinzip. Der Kühlschrank entzieht seinem Innenraum Wärme und gibt diese an die Umgebungsluft ab. So kühlt er von innen. Eine Wärmepumpe bezieht hingegen ihre relative Wärme aus der Umwelt und hebt diese auf ein Heizungsniveau an. Dabei wird die Umgebungswärme als Wärmequelle verwendet und auf ein nutzbares Temperaturniveau angehoben. Die drei häufigsten Energiequellen für eine Wärmepumpe sind Luft, das Erdreich und das Grundwasser.
Das Herzstück einer Wärmepumpe ist der thermodynamische Kreisprozess, bei dem ein spezielles Kältemittel zum Einsatz kommt. Dieses Kältemittel zeichnet sich durch seine besondere Eigenschaft aus, bei niedrigen Temperaturen zu verdampfen und bei höheren Temperaturen zu kondensieren. Experten sind nicht selten der Meinung, dass dies der Schlüssel zur Effizienz der Wärmepumpe ist.
Der Joule-Thomson-Effekt ist ein physikalisches Phänomen, das grundlegend für das Wirkprinzip der Wärmepumpe ist. Denn der Joule-Thomson-Effekt tritt dann auf, wenn der Druck eines Gases oder auch Gasgemisches geändert wird und sich dadurch seine Temperatur ändert. Wird Antriebsenergie in Form von Strom (oder Gas) zugesetzt, so wird das dampfförmige Kältemittel verdichtet – verändert also seinen Druck. Dadurch wird es wärmer und der gewünschte Heizeffekt wird erzielt.
Die verschiedenen Arten von Wärmepumpen
Es gibt verschiedene Arten von Wärmepumpen, die sich in ihrer Funktionsweise und Technik nur wenig unterscheiden. Der entscheidende Unterschied liegt in der Nutzung der Umweltquelle sowie in dem Medium, an das sie die gewonnene Wärme abgeben. Welche Wärmepumpe am besten für das eigene Heim geeignet ist, hängt von verschiedenen Faktoren ab.
Wie eine Wärmepumpe im Winter funktioniert
Auch im Winter extrahieren Wärmepumpen effizient Wärme aus der Umgebung. Moderne Wärmepumpen sind so konzipiert, dass sie selbst bei niedrigen Außentemperaturen leistungsfähig bleiben. Ihre Effizienz kann in sehr kalten Klimazonen leicht abnehmen, aber sie funktionieren zuverlässig, solange die Temperatur der Wärmequelle über dem Siedepunkt des Kältemittels liegt.
Wärmepumpen nutzen Kältemittel mit einem sehr niedrigen Siedepunkt, sodass sie auch bei frostigen Temperaturen arbeiten. Rohre für Erdwärmepumpen werden unterhalb der Frostgrenze verlegt, wo die Temperatur konstant bleibt. Bei Luftwärmepumpen kann ein elektrischer Heizstab als Zusatzheizung bei starken Minusgraden einspringen.
In extrem kalten Regionen kann eine Wärmepumpe durch zusätzliche Heizmethoden unterstützt werden. Hierzu zählen:
- Elektrische Heizstäbe
- Bivalente Systeme mit einem zweiten Wärmeerzeuger
Ein bivalentes System kombiniert die Wärmepumpe mit einer anderen Heizquelle, wie z.B. einer Pelletheizung, um die Effizienz zu steigern.
Wärmepumpen sind auch im Winter eine zuverlässige und effiziente Heizlösung, die durch clevere Technik und zusätzliche Maßnahmen unterstützt wird.
Aufbau einer Wärmepumpe
Wärmequellenanlage
Die Wärmequellenanlage entzieht der Umgebung die benötigte Energie. Diese Energie kann aus der Luft, dem Erdreich oder dem Grundwasser stammen.
Bei Luft-Wärmepumpen saugt ein Ventilator die Außenluft an. Bei Erdwärmepumpen zirkuliert eine Flüssigkeit, die die Wärme aus dem Erdreich aufnimmt. Bei Wasser-Wasser-Wärmepumpen wird die Wärme aus dem Grundwasser gewonnen.
Wärmepumpe selbst
Die eigentliche Wärmepumpe macht die gewonnene Umweltwärme nutzbar. Sie besteht aus mehreren Komponenten:
- Verdampfer
- Verdichter
- Verflüssiger
- Expansionsventil
Das Kältemittel zirkuliert durch diese Komponenten und wird dabei verdichtet und entspannt, um die Wärme auf ein nutzbares Niveau zu bringen.
Wärmeverteil- und Speichersystem
Das Wärmeverteil- und Speichersystem verteilt die erzeugte Wärme im Haus. Es kann die Wärme entweder direkt an Heizkörper oder Fußbodenheizungen abgeben oder in einem Speicher zwischenspeichern. So wird sichergestellt, dass die Wärme immer dann verfügbar ist, wenn sie benötigt wird.
Eine gut geplante Wärmepumpenanlage sorgt für eine effiziente und umweltfreundliche Beheizung des Hauses.
Wärmepumpen und ihre Energiequellen
Wärmepumpen nutzen die Umweltenergie aus der Luft, um Gebäude zu heizen. Sie saugen die Außenluft an und entziehen ihr die Wärme. Diese Methode ist besonders einfach und kostengünstig.
Erdwärme nutzen
Erdwärmepumpen nutzen die im Erdreich gespeicherte Wärme. Sie verwenden entweder Erdkollektoren oder Erdsonden, um die Wärme aufzunehmen. Diese Methode ist sehr effizient, da die Temperatur im Erdreich relativ konstant bleibt.
Grundwasser als Energiequelle
Wasser-Wasser-Wärmepumpen nutzen das Grundwasser als Energiequelle. Das Grundwasser hat das ganze Jahr über eine relativ konstante Temperatur, was diese Methode sehr effizient macht. Die Installation ist jedoch aufwendiger und teurer als bei anderen Methoden.
Wärmepumpen sind wahre Allroundtalente. Sie heizen, bereiten warmes Wasser auf und sie können sogar kühlen. Mit Hilfe der kostenlosen Umweltenergie kann die Wärmepumpe einfach und effizient einen hohen Wärmekomfort im Haus erzielen.
Wärmepumpen zum Heizen und Kühlen
Heizen mit der Wärmepumpe
Wärmepumpen sind wahre Allroundtalente. Sie heizen, bereiten warmes Wasser auf und sie können sogar kühlen. Zur Wärmegewinnung nutzen Wärmepumpen zu 75 % die vorhandene Umweltwärme – je nach Bauart aus der Luft, der Erde oder aus dem Grundwasser – und 25 % Strom als Antriebsenergie. Dadurch wird der CO2-Ausstoß im Vergleich zu konventionellen Heizsystemen mit fossilen Brennstoffen reduziert.
Kühlen mit der Wärmepumpe
Wärmepumpen, die über eine reversible Funktion verfügen, ermöglichen das Heizen und Kühlen. Dadurch ist eine zusätzliche Klimaanlage im Haus nicht nötig. Die Kühlung mit einer Wärmepumpe funktioniert wie bei der Wärmeerzeugung, nur über einen umgekehrten Kältemittelkreislauf. Dabei führt die Heizung die Wärme nach draußen, wodurch sich das Heizsystem abkühlt. Der Kühleffekt einer reversiblen Wärmepumpe ist allerdings nicht so stark wie bei einer Klimaanlage.
Vorteile der Doppelfunktion
Eine Wärmepumpe mit Doppelfunktion bietet viele Vorteile:
- Platzersparnis: Keine separate Klimaanlage nötig.
- Energieeffizienz: Nutzung der gleichen Technologie für Heizen und Kühlen.
- Umweltfreundlichkeit: Reduzierter CO2-Ausstoß durch Nutzung erneuerbarer Energien.
Tipp: Eine Wärmepumpe in Kombination mit einer Photovoltaikanlage kann die Effizienz weiter steigern und die Energiekosten senken.