Funktionsweise der Wärmepumpe einfach erklärt
Was ist eine Wärmepumpe? Die Wärmepumpe ist ein umweltfreundliches Heizsystem, das durch seine effiziente Technologie die Nutzung von Energie aus unserer Umwelt ermöglicht. Wenn Sie nach einer leicht verständlichen Erklärung der Wärmepumpentechnik suchen, sind Sie bei unserem Bosch-Ratgeber genau richtig. Wir erklären Ihnen kurz und anschaulich, wie eine Wärmepumpe arbeitet und aufgebaut ist, welches schematische Funktionsprinzip sich die Wärmepumpenheizung zunutze macht und wie die unterschiedlichen Wärmepumpenarten funktionieren.
Wie funktioniert eine Wärmepumpenheizung?
Die Umwelt bietet unerschöpfliche Energiequellen, welche die Heizung Wärmepumpe erschließen kann. Einfach erklärt, ziehen Wärmepumpen Energie aus der Umgebungsluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser und machen die gewonnene Wärme nutzbar für Heizung und Warmwasser und transportieren diese in die Wohnräume. Mit Hilfe der kostenlosen Umweltenergie kann die Wärmepumpe einfach und effizient einen hohen Wärmekomfort im Haus erzielen. Die Wärmepumpentechnik basiert schematisch auf demselben Prinzip, auch wenn sich die Art der angezapften Energiequelle unterscheidet.
Die Funktionsweise einer Wärmepumpe lässt sich mit dem Prinzip eines Kühlschranks vergleichen – mit dem Unterschied, dass nicht Kälte, sondern Wärme erzeugt wird. Während ein Kühlschrank seinem Innenraum die Wärme entzieht und diese nach draußen ableitet, um die Lebensmittel zu kühlen, entzieht die Wärmepumpe umgekehrt der Umgebung außerhalb des Hauses die Wärme und beheizt damit Ihre Wohnräume.
Wie funktioniert das Heizen mit einer Wärmepumpe? In diesem Video wird das Funktionsprinzip der Wärmepumpe anhand einer Animation leicht verständlich erklärt:
Aufbau und Prinzip der Wärmepumpe einfach erklärt
Der Aufbau einer Wärmepumpe setzt sich aus drei Bestandteilen zusammen, mit denen das Wärmepumpensystem arbeitet:
- Die Wärmequelle (Luft, Erde, Grundwasser), aus der die Energie aus der Umgebung entzogen wird.
- Die Wärmepumpe, die die gewonnene Umweltwärme mittels Wärmepumpen-Technologie nutzbar macht.
- Das Wärmeverteil- und Speichersystem, das die Wärme in die Wohnräume verteilt oder speichert.
Doch was macht eine Wärmepumpe genau, damit die Umweltwärme in nutzbare Heizenergie umgewandelt wird? Im Inneren der Wärmepumpe läuft in einem geschlossenen Kreisprozess kontinuierlich ein technisches Prinzip aus vier Schritten ab. Im sich wiederholenden Wärmepumpenkreislauf findet das Verdampfen, Verdichten, Verflüssigen und Entspannen eines Kältemittels statt, um Heizwärme zu erzeugen. Das flüssige Kältemittel nimmt die thermische Energie aus der Umwelt auf und muss auf ein Temperaturniveau angehoben werden, das für das Heizsystem nutzbar ist. Dies geschieht unter Einsatz von etwas Strom. Je höher der Temperaturunterschied zwischen der Energiequelle und der benötigten Nutzwärme ist, desto mehr elektrische Antriebsleistung muss aufgebracht werden.
Mehr zum Thema Stromverbrauch einer Wärmepumpe finden Sie in unserem passenden Ratgeber.
Schauen wir uns das Wärmepumpenprinzip genauer an:
1. Verdampfen: Am sogenannten Verdampfer wird die Wärme aus der Umwelt auf den Wärmepumpenkreislauf übertragen. Ein Kältemittel ist für die Aufnahme und den Transport der Wärmeenergie zuständig. Es nimmt die Umweltwärme im flüssigen Zustand auf, wodurch es verdampft und gasförmig wird.
2. Verdichten: In einem strombetriebenen Kompressor, dem sogenannten Verdichter, wird das gasförmige Kältemittel zusammengedrückt, wodurch sich Druck und Temperatur stark erhöhen. Diesen Teil des Funktionsprinzips einer Wärmepumpe können Sie auch bei einer Fahrrad-Luftpumpe beobachten, die sich erwärmt, wenn Sie Luft aufpumpen. Daher auch der Ausdruck „pumpen” in Verbindung mit einer Wärmepumpe. Die Kompressorleistung passt sich bei einer Wärmepumpe mit Inverter flexibel an den jeweiligen Bedarf an.
3. Verflüssigen: Im dritten Schritt überträgt das komprimierte, erhitzte Kältemittel seine Wärme auf den Heizungskreislauf, kühlt dadurch ab und wird wieder flüssig. Dies passiert am sogenannten Kondensator bzw. Verflüssiger mit Hilfe eines Wärmetauschers. Die Wärme wird anschließend im Warmwasser- und Pufferspeicher der Wärmepumpe gespeichert.
4. Entspannen: Im letzten Schritt wird der Druck des flüssigen Kältemittels in einem Expansions- bzw. Entspannungsventil wieder herabgesetzt, wodurch es weiter abkühlt bis es seine Ausgangstemperatur erreicht hat. Der Wärmepumpenkreislauf kann von Neuem beginnen. Dass Flüssigkeiten abkühlen, wenn sie unter Druck stehen und sich der Druck verringert, haben Sie vielleicht schon bei Spraydosen bemerkt. Die Dose wird spürbar kalt, wenn Sie für eine längere Zeit sprühen.
Im Folgenden betrachten wir die Funktion der Wärmepumpenarten, die sich durch die erschlossene Wärmequelle unterscheiden.
Funktion einer Luft-Wasser-Wärmepumpe
Bei einer Luft-Wasser-Wärmepumpe dient die thermische Energie der Außenluft als Wärmequelle. Sie kann einfach erschlossen werden durch bloßes Aufstellen des Gerätes und erfordert somit einen geringen baulichen Aufwand. Die Funktionsweise der Luftwärmepumpe läuft nach demselben Schema ab wie bei allen Wärmepumpenarten, indem ein Kältemittel die Umweltwärme aufnimmt. Bei einer Luft-Wasser-Wärmepumpe wird die Umgebungsluft angesaugt von einem Ventilator, an einen Wärmeübertrager weitergeleitet und im Wärmepumpenkreislauf über das Verdampfen, Verdichten, Verflüssigen und Entspannen eines Kältemittels zu Heizenergie umgewandelt. Ein ausschlaggebender Faktor dabei ist die Temperatur der Energiequelle. Die Lufttemperatur ist nicht konstant, sondern verändert sich mit der Jahreszeit. Dadurch entstehen Temperaturunterschiede, die das Wärmepumpensystem ausgleichen muss. Je kälter die angesaugte Außenluft ist, desto mehr muss die Temperatur im Kältemittelkreislauf erhöht werden, damit die Energie für die Heizung und Warmwasserbereitung genutzt werden kann.
Luft-Wasser-Wärmepumpen sind die einzige Wärmepumpenart, die es in zwei Bauformen gibt. Monoblock-Wärmepumpen unterscheiden sich von Split-Wärmepumpen dahingehend, dass der Kältekreislauf geschlossen in einer Einheit stattfindet und nicht in zwei separierten Einheiten.
Brauchwasser-Wärmepumpen nutzen ebenfalls die Luft als Wärmequelle, allerdings nicht die Außenluft, sondern die bereits vorhandene warme Raumluft im Gebäude. Mit der Abwärme technischer Anlagen ist es möglich, das Warmwasser im Haus bereitzustellen. Deshalb spricht man auch von einer Warmwasser-Wärmepumpe. Das Heizen mit einer Brauchwasser-Wärmepumpe funktioniert nicht. Dasselbe gilt für Luft-Luft-Wärmepumpen, die die Abluft von Innenräumen zur Wärmerückgewinnung für Lüftungsanlagen in hocheffizienten Neubauten verwenden.
Aber wussten Sie, dass Sie mit einer fest installierten Klimaanlage bzw. einer mobilen Klimaanlage heizen können? Dieser Vorgang wird ermöglicht durch einen reversiblen Kältemittelkreislauf, ähnlich funktioniert auch das Kühlen mit einer Wärmepumpe.
Wie funktioniert eine Erdwärmepumpe?
Die Funktionsweise einer Erdwärmepumpe basiert auf dem Prinzip der Geothermie. Diese bezeichnet die im Erdboden gespeicherte Wärmeenergie. Die Sole-Wasser-Wärmepumpe nutzt die thermische Energie aus dem Erdreich als Wärmequelle. Die Funktion einer Sole-Wasser-Wärmepumpe wird durch Erdsonden oder Erdkollektoren ermöglicht, die dem Untergrund Wärme entziehen und im Wärmepumpen-Kreisprozess in nutzbare Energie zum Heizen und zur Warmwasseraufbereitung umwandeln. Zur Erschließung der Erdwärme sind Erdarbeiten oder Tiefbohrungen notwendig. Je nachdem wie tief die Bohrung ist, kann die oberflächennahe Wärme oder Tiefenwärme erschlossen werden. Die Temperatur der Wärmequelle ist für die Effizienz und Funktion einer Wärmepumpe ausschlaggebend. Im Erdreich herrscht das ganze Jahr über eine relativ konstante Bodentemperatur. Dadurch funktioniert die Erdwärmepumpe besonders effizient.
Funktion einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe
Eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe nutzt die thermische Energie aus dem Grundwasser als Wärmequelle. Zur Funktion benötigt die sogenannte Grundwasser-Wärmepumpe zwei Brunnen: Einen Saugbrunnen, der das Grundwasser entnimmt, und einen Schluckbrunnen, der das genutzte Wasser wieder ins Erdreich abgibt. Die Funktionsweise der Wasser-Wasser-Wärmepumpe basiert wie bei allen Arten von Wärmepumpen auf einem geschlossenen Kältemittelkreislauf. In diesem Fall nimmt das Kältemittel die thermische Energie des Grundwassers auf und macht sie im Wärmepumpen-Kreisprozess nutzbar für die Raumheizung. Im Grundwasser herrschen konstant hohe Temperaturen. Daher gilt die Wasser-Wasser-Wärmepumpe als die effizienteste Wärmepumpe.
Die neue Wärmepumpengeneration von Bosch ist mit dem natürlichen Kältemittel R290 (Propan) ausgestattet, das nicht schädlich für die Umwelt ist und eine zukunftssichere Lösung bietet.
Wie funktioniert eine Wärmepumpe im Winter?
Trotz niedrigerer Außentemperaturen funktioniert eine Wärmepumpe auch im Winter zuverlässig, denn im Erdreich und im Grundwasser herrschen unabhängig von der Jahreszeit konstante Temperaturen. Auch bei Außentemperaturen in der Luft unter 0 °C ist die Funktion der Wärmepumpe im Winter möglich und wirtschaftlich aufgrund ihrer hohen Effizienz. Treten extreme Minusgrade bis -20 °C auf, schaltet sich vorübergehend ein elektrischer Heizstab als Unterstützung zu. So kann die Wärmepumpe auch bei sehr tiefen Außentemperaturen noch genügend Wärme liefern, ohne an Wirksamkeit zu verlieren. Alternativ lässt sich eine Wärmepumpe auch als Hybridsystem in Kombination mit einer Gastherme betreiben, welche die Spitzenlast im Winter übernimmt.
Sind Sie grundsätzlich auf der Suche nach Tipps, wie Sie ihre Heizkosten reduzieren können? Egal, ob Sie in einer Mietwohnung wohnen oder im Eigenheim: In unserem Ratgeber für sparsames Heizen erfahren Sie, wie Sie ganz einfach Ihre Heizkosten senken und zusätzlich Energie einsparen können.
Kann eine Wärmepumpe auch kühlen?
Das Geniale an einer Wärmepumpe ist, dass sie das einzige Heizsystem ist, das in seiner Funktion sowohl heizen als auch kühlen kann. Auf diese Weise können Sie Ihre Wärmepumpe das ganze Jahr über sinnvoll nutzen und auf eine zusätzliche Klimaanlage im Haus verzichten. Sie können Ihre Räume im Sommer mit einer Wärmepumpe kühlen, wenn das Gerät über eine reversible Wärmepumpen-Funktion verfügt und von Beginn an entsprechend geplant wird. Bei vielen Modellen lässt sich eine Kühlfunktion auch nachrüsten. Wichtig dabei ist, dass das Heizsystem optimal auf die Wärmepumpen-Klimaanlage abgestimmt sein muss. Am besten eignen sich Wand- oder Fußbodenheizungen zum Kühlen mit einer Wärmepumpe.
Die Kühlung mit einer Wärmepumpe funktioniert wie bei der Wärmeerzeugung, nur über einen umgekehrten Kältemittelkreislauf. Dabei wird die Wärme der Heizung nach draußen abgeführt, wodurch sich das Heizsystem abkühlt. Der Kühleffekt einer reversiblen Wärmepumpe ist allerdings nicht so stark wie bei einer Klimaanlage.
Gut zu wissen: Funktioniert eine Wärmepumpe auch mit normalen Heizkörpern? Erfahren Sie mehr in unserem Ratgeber Wärmepumpenheizkörper.