In Zeiten wachsenden Umweltbewusstseins und steigender Energiepreise gewinnt die Suche nach nachhaltigen und effizienten Heizungssystemen immer mehr an Bedeutung. Eine Technologie, die in diesem Kontext zunehmend an Beliebtheit gewinnt, ist die Wärmepumpe. Als innovative Heizlösung bietet sie nicht nur einen umweltfreundlichen Ansatz zur Wärmeerzeugung, sondern verspricht auch eine deutliche Reduzierung der Heizkosten. Doch wie funktioniert eine Wärmepumpe eigentlich und welche Vorteile bringt sie mit sich? In diesem Artikel werfen wir einen genaueren Blick auf die Wärmepumpen Funktion und zeigen, warum sie als vielversprechendes Heizsystem die Wärmeversorgung der Zukunft darstellen kann. Wärmepumpe im Garten / Bildquelle: Adobe Stock 459057038 Hermann Diese Themen finden Sie in unserem Beitrag: Was ist eine Wärmepumpe?Funktionsweise einer Wärmepumpe im WinterJahresarbeitszahl und COPDie Funktion der Wasser-Wasser-WärmepumpeDie Funktion der Sole-Wasser-WärmepumpeWelche Heizflächen eignen sich am besten für eine Wärmepumpe?Wie viel Strom verbraucht eine Wärmepumpe?Vor- und Nachteile einer Luft-Wasser-WärmepumpeVor- und Nachteile einer Grundwasser-Wärmepumpe Vor- und Nachteile einer ErdwärmepumpeMonovalenter vs. bivalenter BetriebMonoblock- und Split-Bauweise einer Luft-WärmepumpeFAQ Was ist eine Wärmepumpe? Der Kältekreisprozess ist ein wesentlicher Bestandteil einer Wärmepumpe. Denn eine Wärmepumpe ist eine thermodynamische Maschine, die Wärmeenergie von einem kälteren Ort („Quellmedium“) auf ein wärmeres Zielmedium (z. B. in einem Gebäude) überträgt. Insgesamt besteht der Kältekreisprozess aus mehreren Komponenten und läuft in einem geschlossenen Kreislauf ab, in dem ein Kältemittel zirkuliert – dies ist das Prinzip Wärmepumpe. Dies ermöglicht eine effiziente und umweltfreundliche Möglichkeit, Wärme zu erzeugen, da die Wärmepumpe hauptsächlich elektrische Energie für den Betrieb benötigt und nur einen Bruchteil der Wärmeenergie aus der Umgebung entnimmt. Doch wie funktioniert eine Wärmepumpe nun? Kältekreisprozess (Kern des Wärmepumpenprinzips) – Wärmepumpe Funktion 1. Verdampfer = ist ein Wärmeüberträger Umweltwärme aus Luft/Erde/Grundwasser geht auf das flüssige Kältemittel über Umweltwärmquelle gibt Energie ab, wodurch die Temperatur sinkt, Kältemittel nimmt Energie auf Kältemittel erwärmt sich & geht durch seine Eigenschaften und die Druckverhältnisse in der 2. Verdichter = ist ein Kompressor saugt Kältemitteldampf an & presst ihn zusammen Verringerung des Dampf-Volumens, Druck steigt mit Druck steigt auch die Temperatur des Kältemittels ist notwendig, um die mitgeführte Wärme auf das Heizwasser zu übertragen 3. Verflüssiger = ist auch ein Wärmeüberträger führt heißen Kältemitteldampf am Heizungswasser vorbei ermöglicht Wärmeübertragung von einem Medium auf das andere Kältemittel gibt wiederum Energie ab & Temperatur sinkt Heizungswasser nimmt Energie auf & erhitzt sich 4. Expansionsventil = setzt den Druck des Kältemittels herab sorgt dafür, dass sich das Medium ausdehnen/verflüssigen kann gewährleistet, dass ausreichend Kältemittel durch den Verdampfer strömt thermische und elektrische Expansionsventile kommen zum Einsatz wenn das Kältemittel seinen Ausgangszustand erreicht hat, beginnt der Prozess von vorn Funktionsweise einer Wärmepumpe, Zielfunktion Heizen / Bildquelle: Effizenzhaus-Online Funktionsweise einer Wärmepumpe im Winter Generell gibt es für Wärmepumpen drei verschiedene Quellen, aus denen sie ihre Energie beziehen. Die Energiequellen können dabei aus der Luft, Erde oder dem Grundwasser kommen, wobei jede dieser Varianten ihre spezifischen Vor- und Nachteile aufweist. Obwohl sie in ihren Eigenschaften variieren, ist die Funktionsweise einer Wärmepumpe bei allen drei Arten im Grunde genommen ähnlich. Die Wärmepumpe entzieht der Umwelt Energie, welche der Verdampfer nutzt, um das Kältemittel zum Verdampfen zu bringen. Dieser Prozess funktioniert sogar bei sehr niedrigen Temperaturen. Wärmepumpe im Winter / Bildquelle: Adobe Stock tl6781 597220387 Der Kompressor verdichtet den Dampf und beim Kältemittel wird der Druck und somit die Temperatur erhöht. Hierbei wird elektrischer Strom eingesetzt, um den Kompressor zu betreiben. Der Kondensator verflüssigt den nun warmen Dampf und gibt die dabei entstehende Wärme an das Heizungswasser ab, welches wiederum das eigene Zuhause erwärmt. Das Kältemittel kehrt dann in seine ursprüngliche Form zurück, und der gesamte Prozess beginnt von Neuem. Jahresarbeitszahl und COP Die Jahresarbeitszahl stellt die zentrale Kennziffer einer Wärmepumpe dar. Sie dient dazu, die Energieeffizienz der Heizanlage zu bewerten. Dies tut sie, indem sie das Verhältnis zwischen der abgegebenen Wärme und der dafür benötigten elektrischen Energie beschreibt. Zur Ermittlung dieser Werte sind ein Wärmemengenzähler und ein separater Stromzähler erforderlich. Mithilfe dieser Informationen kann die Jahresarbeitszahl anschließend berechnet werden: JAZ = Heizenergie : elektrische Energie Haben Sie beispielsweise eine Jahresarbeitszahl von 4 bedeutet das, dass sie viermal mehr Wärme bereitstellen, als sie an Strom verbrauchen. Neben der JAZ gibt es noch eine weitere Größe, die in Zusammenhang mit dem Wirkungsgrad einer Wärmepumpe von Bedeutung ist: die Leistungszahl oder auch “COP” („Coefficient of Performance“) genannt. Die Ermittlung erfolgt im Labor und gibt an, welche Leistung eine Wärmepumpe unabhängig von äußeren Einflüssen erbringt. Die JAZ ist ein Wert, welcher nur nachträglich in der Praxis ermittelt werden kann. Zudem kann die JAZ von Gebäude zu Gebäude stark schwanken. Es ist also auch möglich, dass die JAZ nicht zwangsläufig auf Sie zutrifft. Die Funktion der Wasser-Wasser-Wärmepumpe 1. Grundwasser wird über Saug- oder Förderbrunnen angesaugt & zum Wärmetauscher geleitet. Dem Grundwasser wird Energie entzogen, weswegen es sich abkühlt 2. Abgekühltes Grundwasser wird über Schluckbrunnen/Sickerschacht zurückgeführt 3. Parallel: Im Inneren der Wärmepumpe wird die Energie, welche aus dem Grundwasser entzogen wurde, dafür verwendet, ein Kältemittel zu verdampfen 4. Gasförmiges Kältemittel wird in den Kompressor geleitet und verdichtet. Die Dampf-Temperatur steigt. 5. Heißer Kältemitteldampf gelangt in einen weiteren Wärmetauscher. Das Heizsystem des Hauses nimmt Energie des Dampfes auf, wodurch dieser sich verflüssigt 6. Flüssiges Kältemittel fließt über Expansionsventil wieder zurück in den Verdampfer, der Kreislauf beginnt von vorne Tipp: Erfahren Sie mehr zur Wasser-Wasser-Wärmepumpe! Die Funktion der Sole-Wasser-Wärmepumpe 1. Wärme wird aus dem Erdreich entweder über den Erdwärmekollektor oder über die Erdwärmesonde entzogen 2. Entzogene Wärme wird in Verdampfer geleitet 3. Wasserdampf wird in einem Verdichter verdichtet und auf höheres Temperaturniveau gebracht 4. Bei entsprechender Vorlauftemperatur wird die Wärme an das Heizkreisverteiler-System abgegeben 5. Kältemittel verflüssigt sich erneut und wird in den Verdampfer geleitet, der Prozess beginnt von vorne Welche Heizflächen eignen sich am besten für eine Wärmepumpe? Für eine Wärmepumpe eignen sich großflächige Heizkörper, da sie eine größere Oberfläche besitzen, was ihnen erlaubt, bei niedrigeren Vorlauftemperaturen eine angemessene Wärmeabgabe zu gewährleisten. Fußbodenheizung: gute Wahl für Wärmepumpen, da sie mit niedrigen Vorlauftemperaturen arbeiten können Wärmepumpen funktionieren effizienter, wenn das Heizsystem mit niedrigeren Temperaturen betrieben wird Niedertemperatur-Radiatoren: arbeiten mit niedrigen Vorlauftemperaturen und bieten eine gleichmäßige Wärmeverteilung im Raum besonders bei Renovierungen oder Neubauten eine interessante Option Wie viel Strom verbraucht eine Wärmepumpe? Der Stromverbrauch einer Wärmepumpe ist von mehreren Faktoren abhängig, einschließlich der Leistung der Wärmepumpe, der Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle, und dem Heizsystem, der Größe und Isolierung des zu beheizenden Gebäudes, sowie den klimatischen Bedingungen in dem jeweiligen regionalen Gebiet. Generell wird der Stromverbrauch einer Wärmepumpe in Kilowattstunden (kWh) pro Jahr gemessen. Die Effizienz einer Wärmepumpe wird, wie schon erwähnt, durch den sogenannten COP angegeben, der das Verhältnis von erzeugter Heizleistung zur aufgenommenen elektrischen Leistung darstellt. Ein COP von 3 bedeutet beispielsweise, dass die Wärmepumpe 3 Kilowatt thermische Energie erzeugt, während sie 1 Kilowatt elektrische Energie verbraucht. Wärmepumpen auf dem neuesten Stand der Technik haben in der Regel einen COP zwischen 3 und 5, was bedeutet, dass sie etwa 3 bis 5 Mal effizienter sind als reine elektrische Heizungen. So könnten sie beispielsweise 3 bis 5 kWh Wärmeenergie erzeugen, während sie nur 1 kWh elektrische Energie verbrauchen. Der jährliche Stromverbrauch einer Wärmepumpe kann daher stark variieren, aber es ist üblich, dass er im Bereich von einigen tausend kWh pro Jahr liegt. Beispielrechnung: Ein Haus benötigt 12.000 kWh Wärme. Sie besitzen eine Sole-Wasser-Wärmepumpe mit einer JAZ von 4. Bedeutet für Sie: 12.000 / 4 = 3.000 kWh Strom werden benötigt, und die Sole-Wasser-Wärmepumpe gewinnt 12.000 kWh Wärme. Kosten: 3.000 kWh mal Strompreis Es ist wichtig zu beachten, dass die genaue Angabe des Stromverbrauchs für eine spezifische Wärmepumpe am besten vom Hersteller oder einem Fachmann erfragt werden sollte, da verschiedene Modelle und Installationen unterschiedliche Effizienzwerte aufweisen können. Tipp: Erfahren Sie mehr, wie hoch die Stromkosten einer Wärmepumpe sind. Vor- und Nachteile einer Luft-Wasser-Wärmepumpe Eine Luftwärmepumpe zieht Außenluft an und leitet sie zu einem Wärmetauscher. Dort überträgt sie Wärme auf ein Kältemittel. Ein elektrisch betriebener Kompressor komprimiert das Kältemittel, um die gewünschte Temperatur zu erreichen. Vor- und Nachteile einer Luftwärmepumpe / Bildquelle: Effizienzhaus-Online Tipp: Erfahren Sie mehr zur Lautstärke von Wärmepumpen Vor- und Nachteile einer Grundwasser-Wärmepumpe Die Wasser-Wasser Wärmepumpe funktioniert ähnlich wie die Luft-Wasser-Wärmepumpe, nutzt jedoch als Temperaturquelle das ganzjährig konstante Grundwasser mit Temperaturen von 8 bis 12 Grad Celsius. Dies führt zu einer hohen Leistungszahl (Jahresarbeitszahl). Die Wärmepumpe erfordert zwei Brunnen (Förder- und Schluckbrunnen) mit Tiefen von 4 bis 15 Metern. Vor- und Nachteile einer Grundwasser-Wärmepumpe / Bildquelle: Effizienzhaus-Online Vor- und Nachteile einer Erdwärmepumpe Eine Bohrung ist ebenfalls bei der Sole-Wasser Wärmepumpe oder Erdwärmepumpe notwendig, bei Flächenkollektoren allerdings nicht. Um die Temperatur des Erdreichs für die Heizung zu nutzen, sind Bohrungen allerdings von bis zu 70 Meter Tiefe vonnöten, um Erdwärmesonden oder Erdkollektoren einzulassen. Vor- und Nachteile einer Erdwärmepumpe / Bildquelle: Effizienzhaus-Online Tipp: Erfahren Sie mehr zur Erdwärmepumpe. Monovalenter vs. bivalenter Betrieb Der monovalente und bivalente Betrieb sind zwei verschiedene Betriebsmodi einer Wärmepumpe, die sich auf die Art und Weise beziehen, wie die Wärmepumpe die Wärme für das Heizsystem des Gebäudes bereitstellt. Die Wahl zwischen monovalenten und bivalenten Betrieb hängt von vier verschiedenen Faktoren ab: Klimazone Wärmedämmung des Gebäudes Größe der Wärmepumpe Energiekosten In Regionen mit gemäßigtem Klima und gut isolierten Gebäuden kann der monovalente Betrieb oft ausreichend sein, während in kälteren Regionen oder weniger gut isolierten Gebäuden der bivalente Betrieb vorteilhafter ist. Monovalenter Betrieb: Im monovalenten Betrieb kann die Wärmepumpe die gesamte benötigte Heizleistung des Gebäudes nur mit einem einzigen Energieträger bereitstellen, ohne dass ein zusätzliches Heizsystem benötigt wird. Das bedeutet, dass die Wärmepumpe in der Lage ist, selbst bei niedrigen Außentemperaturen genügend Wärme aus der Umgebung (z. B. Luft oder Erde) zu entziehen und diese Energie für das Heizsystem zu nutzen. Diese Art des Betriebs ist ideal, da die Wärmepumpe ihre maximale Effizienz beibehält und das gesamte Gebäude mit erneuerbarer Energie beheizt werden kann. Bivalenter Betrieb: Im bivalenten Betrieb arbeitet die Wärmepumpe nicht allein, sondern in Kombination mit einem zusätzlichen Heizsystem, wie beispielsweise einem herkömmlichen Heizkessel. Die Wärmepumpe wird normalerweise bevorzugt, um das Gebäude zu beheizen, solange die Außentemperaturen moderat sind und die Wärmepumpe effizient arbeiten kann. Wenn jedoch die Außentemperaturen stark sinken und die Wärmepumpe möglicherweise nicht genügend Wärme aus der Umgebung beziehen kann, schaltet sich das zusätzliche Heizsystem ein, um den fehlenden Wärmebedarf zu decken. Dies geschieht typischerweise in sehr kalten Wintermonaten oder bei extremen Kälteperioden. Der bivalente Betrieb ist in Gebieten mit sehr niedrigen Temperaturen oder in Situationen, in denen die Wärmepumpe allein nicht ausreicht, um den Heizbedarf zu decken, von Vorteil. Er ermöglicht eine zuverlässige Beheizung des Gebäudes, während die Wärmepumpe immer noch einen Großteil der Wärme aus erneuerbaren Quellen bereitstellt und somit die Umweltbelastung verringert. Monoblock- und Split-Bauweise einer Luft-Wärmepumpe Die Begriffe „Monoblock” und „Split-Bauweise“ beziehen sich auf zwei verschiedene Konstruktionsarten von Wärmepumpen, die für die Heizung oder Kühlung von Gebäuden und die Erzeugung von Warmwasser verwendet werden. Beide Systeme nutzen das Prinzip der Wärmepumpentechnologie, um Energie aus der Umgebung zu entziehen und in nutzbare Wärme umzuwandeln. Monoblock-Bauweise Bei einer Wärmepumpe in Monoblock-Bauweise befinden sich alle wesentlichen Komponenten, die für den Wärmeaustausch und den Betrieb notwendig sind, in einem einzigen Gehäuse oder einer Einheit. Dieses kompakte Design beinhaltet in der Regel den Verdampfer, den Kompressor, den Kondensator und das Expansionsventil. Die Wärmepumpe wird üblicherweise außerhalb des zu beheizenden Gebäudes installiert. Der Betrieb einer Monoblock-Wärmepumpe erfolgt durch Zirkulation eines Kältemittels, das die Wärmeenergie aus der Umgebung (z. B. Luft oder Wasser) aufnimmt und diese Energie dann durch den Kompressionsprozess erhöht, um sie für Heizzwecke im Gebäude zu nutzen. Split-Bauweise Im Gegensatz dazu besteht eine Wärmepumpe in Split-Bauweise aus zwei Hauptteilen: einer Außeneinheit und einer oder mehreren Inneneinheiten. Die Außeneinheit enthält den Verdampfer und den Kompressor, während die Inneneinheit(en) den Kondensator und das Expansionsventil beherbergen. Wiederum die Inneneinheit(en) wird/werden in den zu beheizenden Räumen oder Zonen installiert, während die Außeneinheit draußen positioniert wird. Die Funktionsweise einer Split-Wärmepumpe ähnelt der Monoblock-Bauweise. Die Außeneinheit entzieht die Wärmeenergie der Umgebung und komprimiert sie, bevor sie über eine Leitung oder Leitungen in dieΩInneneinheit(en) transportiert wird. Dort gibt sie ihre Wärmeenergie ab und erwärmt die Innenräume.Der Hauptvorteil der Split-Bauweise liegt darin, dass die Inneneinheit(en) leichter in verschiedenen Räumen oder Zonen des Gebäudes platziert werden können, was die Flexibilität und Effizienz erhöht. Außerdem sind die Inneneinheiten in der Regel leiser, da sich der Großteil des Betriebslärms außerhalb des Gebäudes befindet. Beide Bauweisen haben ihre Vor- und Nachteile, und die Wahl zwischen Monoblock und Split hängt von den spezifischen Anforderungen, der Gebäudestruktur und den individuellen Präferenzen ab. FAQ Funktioniert eine Wärmepumpe auch als Kühlung? Ja, aber nicht alle Wärmepumpen können auch als Kühlsystem fungieren. Das Prinzip, das eine Wärmepumpe zum Heizen verwendet, kann in einigen Fällen umgekehrt werden, um ein Kühlsystem zu schaffen. In diesem Modus wird die Wärmepumpe als sogenannte „umgekehrte“ oder „invertergesteuerte“ Wärmepumpe betrieben. Im Kühlbetrieb entzieht die umgekehrte Wärmepumpe dem Innenraum Wärme und führt sie nach außen ab. Die warme Luft im Inneren wird durch das Kühlsystem geleitet und dabei gekühlt. Die gewonnene Wärme wird durch das Außengerät der Wärmepumpe an die Umgebung abgegeben. Dadurch bleibt der Innenraum kühl. In vielen modernen Wärmepumpen ist die Funktion zum Kühlen bereits integriert, und sie können nahtlos zwischen Heizen und Kühlen umschalten. Dies wird als „umkehrbarer Betrieb“ oder „Heizen/Kühlen-Modus“ bezeichnet. Die Möglichkeit, eine Wärmepumpe sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen zu nutzen, macht sie zu einer vielseitigen Lösung für die Raumklimatisierung. Sie bietet eine effiziente Möglichkeit, den Wohnraum das ganze Jahr über komfortabel zu gestalten, da sie sowohl im Winter als auch im Sommer eine angenehme Temperatur gewährleistet. Dies kann auch zu Energieeinsparungen führen, da die Wärmepumpe im Vergleich zu herkömmlichen Kühlsystemen effizienter arbeitet. Brauche ich einen Pufferspeicher? Ob Sie einen Pufferspeicher für Ihre Wärmepumpe benötigen, hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie: der Art der Wärmepumpe der Heizlast spezifischen Anforderungen Ihres Heizsystems Ein Pufferspeicher kann jedoch in vielen Fällen vorteilhaft sein und wird oft empfohlen. Ein Pufferspeicher ist ein Zwischenspeicher für die erzeugte Wärme der Wärmepumpe. Er ermöglicht eine effizientere Betriebsweise der Wärmepumpe und kann mehrere Funktionen erfüllen: Reduzierung der Starts und Stopps: Wärmepumpen arbeiten effizienter, wenn sie über längere Zeiträume im kontinuierlichen Betrieb laufen können. Ein Pufferspeicher ermöglicht es der Wärmepumpe, überschüssige Wärme zu speichern, anstatt sie in kürzeren Intervallen zu erzeugen, was den Verschleiß reduziert und die Effizienz steigert. Verbesserung des Heizungskomforts: Ein Pufferspeicher kann die Temperaturschwankungen im Heizsystem ausgleichen und gleichmäßigere Wärmeabgabe gewährleisten. Dies führt zu einem komfortablen Raumklima. Unterstützung bei der Warmwasserbereitung: Einige Wärmepumpen können Warmwasser bereitstellen. Ein Pufferspeicher ermöglicht eine ausreichende Speicherkapazität für das Warmwasser, damit es bei Bedarf verfügbar ist. Kombination mehrerer Wärmequellen: Wenn Sie Ihre Wärmepumpe mit einer weiteren Wärmequelle, wie z. B. einer Solaranlage oder einem Holzkessel, kombinieren möchten, kann ein Pufferspeicher als „Schnittstelle“ dienen und die Wärme von verschiedenen Quellen speichern. Es ist wichtig, die Größe des Pufferspeichers an den Wärmebedarf Ihres Hauses und die Leistung Ihrer Wärmepumpe anzupassen. Finden Sie Fachbetriebe in der Nähe für die richtige Dimensionierung des Pufferspeichers entsprechend Ihren spezifischen Anforderungen. Kann ich eine Wärmepumpe mit einem anderen Heizsystem kombinieren? Ja, es ist möglich, eine Wärmepumpe mit einem anderen Heizsystem zu kombinieren. Eine solche Kombination wird häufig als „hybrides Heizsystem“ bezeichnet. Die Idee hinter einem hybriden Heizsystem besteht darin, die Vorteile verschiedener Heiztechnologien zu nutzen, um die Effizienz und Leistung insgesamt zu verbessern, insbesondere in Regionen mit unterschiedlichen Klimabedingungen. Folgende Kombinationsmöglichkeiten gibt es für eine Wärmepumpe: Wärmepumpe mit Gas- oder Ölbrennwertkessel: In diesem Setup übernimmt die Wärmepumpe die Hauptlast der Heizung bei moderaten oder milden Außentemperaturen, während der Gas- oder Ölbrennwertkessel bei extrem kalten Bedingungen oder hohem Wärmebedarf zusätzlich eingeschaltet wird. Dadurch wird der Brennstoffverbrauch reduziert und die Heizkosten gesenkt. Wärmepumpe mit Biomasseheizung: Hier wird die Wärmepumpe in Verbindung mit einer Biomasseheizung, wie einem Holzofen oder Pelletkessel, verwendet. Die Biomasseheizung kann bei niedrigeren Temperaturen laufen oder als Backup-Heizung dienen, wenn die Wärmepumpe allein nicht ausreicht. Wärmepumpe mit Solarthermie: Die Kombination einer Wärmepumpe mit Solarthermie kann sehr effizient sein. Die Solarthermieanlage sammelt Sonnenenergie und heizt das Wasser vor, bevor es in die Wärmepumpe gelangt. Dadurch kann die Wärmepumpe effizienter arbeiten, da sie weniger Energie benötigt, um das vorgewärmte Wasser auf die gewünschte Temperatur zu bringen. Wärmepumpe mit elektrischer Zusatzheizung: In einigen Fällen kann eine elektrische Zusatzheizung in Kombination mit einer Wärmepumpe verwendet werden. Die Wärmepumpe übernimmt den Großteil der Heizlast, aber die elektrische Zusatzheizung kann bei besonders kalten Bedingungen oder hohem Wärmebedarf zusätzlich einspringen.
