So funktioniert eine Wärmepumpe
Heiztechnik einfach erklärt
Spitzenreiter beim Heizen mit erneuerbaren Energien sind Wärmepumpen. Sie beheizen heute fast jeden dritten Neubau. Dabei haben Luft-Wärmepumpen einen Anteil von 70 Prozent, Erd-Wärmepumpen von 30 Prozent.
Aber wie funktioniert eine Wärmepumpe? Dahinter steckt ein ausgeklügeltes Heizsystem, das komplett ohne fossile Energieträger auskommt. Hier erfahren Sie alles zur Funktionsweise von Wärmepumpen − und zwar auch für den Laien einfach erklärt.
Das erfahren Sie in diesem Artikel:
- Was ist eine Wärmepumpe?
- So funktioniert eine Wärmepumpe
- Wie funktioniert eine Wärmepumpe am besten?
- Wann lohnt sich eine Wärmepumpe?
- Energieverbrauch messen: Wie effektiv arbeiten Wärmepumpen?
- Bohrarbeiten: Bürokratie und Kosten einkalkulieren
- Fazit: So funktioniert eine Wärmepumpe − einfach erklärt
Was ist eine Wärmepumpe?
Eine Wärmepumpe ist eine Heizung, die Wärme aus der Luft, dem Erdreich oder Grundwasser nutzt. Weil diese Wärme nahezu unbegrenzt vorhanden ist, handelt es sich dabei um erneuerbare Energie.
Diese Umweltwärme wird in der Wärmepumpe durch Verdichtung und Entspannung auf mindestens 45 Grad gebracht und kann so zum Heizen genutzt werden. Der Kreislauf benötigt Strom als Antriebsenergie. Rund 80 Prozent wird als kostenlose Umweltwärme zugeführt, 20 Prozent der benötigten Energie über extern zugeführten Strom. Hier erfahren Sie, wie wie hoch der Stromverbrauch von Wärmepumpen ist »
Wird der benötigte Strom dann auch noch mit Sonne, Wind oder Wasser gewonnen, hat man eine rundum grünes Heizsystem, das komplett ohne fossile Brennstoffe auskommt.
Das elektrisch betriebene System einer Wärmepumpe besteht aus Kollektoren, Verdampfer, Verdichter, Kondensator und Expansionsventil. Es handelt sich also nicht um einen Verbrennungsprozess wie bei Öl- und Gaskesseln, sondern um einen thermodynamischen.
So funktioniert eine Wärmepumpe
Täglich werden Luft, Erdreich und Wasser von der Sonne erwärmt. Eine Wärmepumpe kann diese kostenlose Energie auf effiziente Weise in Heizenergie umwandeln. Hier erfahren Sie, wie das genau abläuft.
Funktionsweise von Wärmepumpen: Aufbau des Heizkreislaufs einfach erklärt
1 Kollektoren
Der Kreislauf beginnt damit, dass die Wärmepumpe der Umwelt − also der Luft, dem Grundwasser oder dem Erdreich − Wärmeenergie entzieht. Dazu dienen die Kollektoren einer Wärmepumpe. Durch die Kollektoren zirkuliert eine Kälteträgerflüssigkeit, die nicht gefriert (z.B. Alkohol oder Glykol), und absorbiert die Wärmeenergie aus Boden, Luft oder Wasser. Diese Wärmeenergie wird weiter in den Verdampfer geleitet.
2 Verdampfer
Die lauwarme Wärme bringt das flüssige Kältemittel, das sich im Verdampfer befindet, zum verdampfen (daher der Name). Es verdampft sehr leicht auch bei niedrigen Temperaturen. Es wird also vom flüssigen in den gasförmigen Zustand gebracht. Das Kältemittel fließt in einem ewigen Kreislauf durch die Heizrohre der Wärmepumpe.
3 Verdichter
Der lauwarme Kältemitteldampf ist noch nicht warm genug zum Heizen. Damit sich das Gas weiter erwärmt, strömt es durch die Heizrohre weiter zum Verdichter. Dort wird das Gas verdichtet, also zusammengedrückt (komprimiert). Dafür ist elektrische Energie nötig, die von außen zugeführt wird. Das Gas wird dadurch sehr warm − etwa 45 Grad.
Man kann es sich vorstellen wie bei einer Fahrradluftpumpe: Wenn man beständig pumpt, wird die Luft zusammengepresst und erwärmt sich. Man spürt, dass die Pumpe warm wird.
4 Kondensator
Der komprimierte, heiße Kältemitteldampf strömt weiter in den Kondensator. Hier wird die gewonnenen Heizwärme ans Heizungsnetz des Hauses übergeben. Der Kondensator ist umschlungen von Heizrohren, durch die das Heizungswasser des Hauses fließt. Der Kondensator erhitzt das Wasser des Heizkreislaufs, das anschließend zum Heizen des Hauses genutzt wird.
Da das Heizungsrücklaufwasser, das erwärmt werden soll, kühler ist als der heiße Dampf im Kondensator, kühlt der Kältemitteldampf ab und kondensiert, daher der Name Kondensator.
5 Expansionsventil
Das Kältemittel zirkuliert weiter. Dampf und Kondensattröpfchen gelangen weiter zum Expansionsventil. Hier wird der Flüssigkeitsdruck reduziert. Das Kältemittel hat wieder mehr Platz, entspannt sich und kühlt dadurch weiter ab − das Kältemittel wird wieder flüssig. Von hier aus geht es weiter zum Verdampfer und der Kreislauf beginnt wieder von Neuem.
Übrigens: Es gibt sogar Eisspeicher-Heizungen!
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Wie funktioniert eine Wärmepumpe am besten?
Grundsätzlich gilt für die Funktionsweise von Wärmepumpen: Je niedriger die Heiztemperatur, desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe. Wärmepumpen funktionieren deshalb am besten mit Fußboden- oder anderen Flächenheizungen (wie Wandheizungen). Aufgrund ihrer großen Fläche kommen sie mit niedrigen Vorlauftemperaturen aus.
Das ist eine Stärke dieses Heizsystems: Wärmepumpen sind gut darin, Heizwasser beständig auf einer relativ niedrigen Vorlauftemperatur zu erwärmen. Negativ formuliert, könnte man auch sagen, dass sie keine sehr hohen Heiztemperaturen erreichen, wie sie beispielsweise zum Heizen mit Heizkörpern benötigt werden. Denn klassische Heizkörper haben eine sehr viel kleinere Heizfläche, die dementsprechend stärker erhitzt werden muss eine Fußbodenheizung.
Wandheizungen lassen sich aufgrund der niedrigen Vorlauftemperatur ideal mit Wärmepumpen kombinieren. In unserem Artikel erfahren Sie mehr über das noch wenig bekannte Heizsystem einer Wandheizung »
Dazu kommt: Je größer der Temperaturunterschied zwischen der Wärmequelle (also Luft, Wasser oder Erdreich) und der Vorlauftemperatur des Heizungswassers ist, desto mehr Strom braucht die Wärmepumpe als Antriebsenergie. Und dieser Strom muss separat dazu gekauft werden. Wer konsequent ökologisch heizen will, sollte die Wärmepumpe deshalb mit Solarstrom vom eigenen Dach betreiben. Hier haben wir erklärt, wie das funktioniert: Wärmepumpe mit Solarstrom betreiben »
Ökologisch und ökonomisch sinnvoll sind daher Wärmequellen, die ganzjährig möglichst hohe, konstante Temperaturen aufweisen. Und das sind Grundwasser und Erdwärme aus Sonden. Luft-Wärmepumpen sind zwar günstiger in der Anschaffung, allerdings weniger effektiv.
Wie funktioniert eine Wärmepumpe im Winter?
Die Frage liegt besonders bei Luft-Wärmepumpen nahe: Wenn die Luft draußen kalt ist − wie soll eine Wärmepumpe dann noch Wärme absorbieren? Die Antwort: Das Kältemittel, das bei einer Luft-Wärmepumpe zum Einsatz kommt, verdampft extrem leicht. Das heißt, dass es selbst bei zweistelligen Minusgraden einen gasförmigen Aggregatzustand annimmt. Im Verdichter wird dieses Gas dann verdichtet und erwärmt.
Wann lohnt sich eine Wärmepumpe?
Eine Wärmepumpe lohnt sich aufgrund der niedrigen Heiztemperaturen am besten für gut gedämmte Gebäude mit einer Fußbodenheizung. Für diese Gebäude ist das Heizen mit einer Wärmepumpe oft deutlich billiger als das Heizen mit fossilen Energieträgern.
Auch der Austausch eines alten Heizkessels mit 55 Grad Celsius Vorlauftemperatur kann sich rechnen. Es empfiehlt sich dann allerdings, den Energiebedarf durch entsprechende Dämmmaßnahmen am Gebäude zu senken oder die Heizkörper zu vergrößern.
Diese Voraussetzungen sollten erfüllt sein, damit sich eine Wärmepumpe im Altbau lohnt
Optimale Voraussetzungen, um eine Wärmepumpe in älteren Häusern wirtschaftlich zu betreiben, sind
- eine gute Wärmedämmung des Gebäudes und
- eine bereits vorhandene Fußboden- oder Wandheizung. Es ist aber auch möglich, eine Wärmepumpe ohne Fußbodenheizung zu betreiben.
Hier erfahren Sie, was die Voraussetzungen für das Nachrüsten einer Wärmepumpe im Altbau sind und ob Sie Ihre vorhandenen Heizkörper für eine Wärmepumpe weiternutzen können. Zu unserem Artikel: Wärmepumpe im Altbau nachrüsten »
Kosten-Check
Mit welchen Preisen muss ich beim Kauf einer Photovoltaikanlage rechnen? Wie lässt sich sparen?
Einen Marktüberblick über die aktuellen Preise für PV-Anlagen sowie eine Beispielkalkulation gibt der Ratgeber: Photovoltaikanlage Kosten der Wüstenrot Bausparkasse. Außerdem findet man auf der Website eine Übersicht zur staatlichen Photovoltaik-Förderung und den verschiedenen Möglichkeiten der Finanzierung einer PV-Anlage.
Energieverbrauch messen: Wie effektiv arbeiten Wärmepumpen?
Grundsätzlich gilt für die Funktionsweise von Wärmepumpen: Man benötigt etwa 1 kWh Strom, um daraus mit einer Wärmepumpe etwa 4−6 kWh Wärme zu generieren. Das Mengenverhältnis zwischen eingesetztem Strom und gewonnener Energie entscheidet über Wohl und Wehe der Wärmepumpe.
Die Effektivität von Wärmepumpen wird als COP-Wert (Leistungszahl) wiedergegeben. Sie beschreibt das Verhältnis von Stromeinsatz und Nutzenergie. Sie berechnet sich aus der erzeugten Wärmeenergie, geteilt durch die aufgewendete elektrische Energie. Als Mindestmaß für den effizienten Betrieb gelten:
- 4,0 bei Erdwärmepumpen
- 3,5 bei Luft-Wärmepumpen
Das heißt, aus einer Einheit Strom wird das 4- bzw. 3,5-fache an Nutzenergie gewonnen.
Gut zu wissen: Für Wärmepumpen kann ein reduzierter Stromtarif in Anspruch genommen werden, sie benötigen deshalb einen separaten Stromzähler.
Bohrarbeiten: Bürokratie und Kosten einkalkulieren
Nach dem Wasserhaushaltsgesetz und den Landesvorschriften muss für Erdsonden- und Grundwasserbohrungen die Zustimmung der Behörde vorliegen. Je nach Bundesland und Untergrund ist eventuell ein Genehmigungsverfahren nötig. Für Erdwärme-Flächenkollektoren genügt in der Regel die Anzeige bei der Behörde. Rechnen Sie für Erdsonden- und Grundwasserbohrungen (bis 10 m Tiefe) mit Kosten von je rund 10.000 Euro.
Für Erdwärme-Flächenkollektoren fallen Kosten von rund 5.000 Euro an, allerdings brauchen Sie hier eine genügend große Grundstücksfläche und sind hier außerdem eingeschränkter in Ihrer Gartengestaltung (keine Tiefwurzler).
Beim Bundesverband WärmePumpe (BWP) e.V. finden Sie Infos zur Technik und Fachbetriebe in Ihrer Nähe: www.waermepumpe.de »
Fazit: Wie funktioniert eine Wärmepumpe − schnell erklärt
- Eine Wärmepumpe ist eine Heizung, die Wärme aus der Luft, dem Erdreich oder Grundwasser nutzt. Diese Umweltwärme wird durch thermodynamische Verdichtung und Entspannung auf mindestens 45 Grad erwärmt und kann so zum Heizen genutzt werden.
- Die wichtigsten Komponenten einer Wärmepumpe sind Kollektoren, Verdampfer, Verdichter, Kondensator und Expansionsventil.
- Der Kreislauf benötigt Strom als Antriebsenergie. Aus einer Einheit Strom wird rund das 4-fache an Nutzenergie gewonnen,
- Je niedriger die Heiztemperatur, desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe. Wärmepumpen deshalb am besten mit Fußboden- oder Wandheizungen kombinieren.
