Inhalt des Artikels
- Wie funktioniert eine Wärmepumpe: Wärmepumpen verständlich erklärt
- Definition & Grundlagen der Wärmepumpe
- Aufbau und Funktionsweise einer Wärmepumpe
- Arten von Wärmepumpen & deren Funktion
- Wie funktioniert eine Wärmepumpe im Winter?
- Kann eine Wärmepumpe auch kühlen?
- Fazit
- Häufig gestellte Fragen
Inhalt
Wie funktioniert eine Wärmepumpe: Wärmepumpen verständlich erklärt
In einer Welt, in der Nachhaltigkeit und Energieeffizienz zunehmend in den Vordergrund rücken, spielen Wärmepumpen eine entscheidende Rolle in der Zukunft der Heiztechnologien. Angesichts der dringenden Notwendigkeit, den CO2-Fußabdruck zu reduzieren und den Übergang zu erneuerbaren Energien zu vollziehen, bieten Wärmepumpen eine innovative und umweltfreundliche Lösung für die Beheizung von Gebäuden.
Definition & Grundlagen der Wärmepumpe
Eine Wärmepumpe ist ein Gerät, das darauf ausgelegt ist, effizient Wärme zu transportieren, um Gebäude zu beheizen oder mit Warmwasser zu versorgen. Ihr Kernprinzip basiert auf der Nutzung von Wärme aus natürlichen, erneuerbaren Quellen wie der Außenluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser. Im Gegensatz zu herkömmlichen Heizsystemen, die Wärme durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugen, verlagert eine Wärmepumpe bestehende Wärme von einem Ort zum anderen.
Dieses System ist besonders wegen seiner Energieeffizienz und Umweltverträglichkeit beliebt. Wärmepumpen benötigen zwar Elektrizität für ihren Betrieb, sie sind jedoch in der Lage, ein Vielfaches dieser Energiemenge als Heizleistung bereitzustellen. Dies macht sie zu einer nachhaltigen Alternative, die sowohl den Energieverbrauch als auch die CO2-Emissionen im Vergleich zu traditionellen Heizmethoden erheblich reduziert.
Darüber hinaus bieten Wärmepumpen vielseitige Einsatzmöglichkeiten. Sie können in Neubauten und bei der Modernisierung bestehender Gebäude eingesetzt werden und sind für unterschiedlichste Klimazonen und Gebäudearten geeignet. Mit ihrer Fähigkeit, sowohl zu heizen als auch zu kühlen, sind Wärmepumpen eine umfassende Lösung für ganzjährigen Komfort und Energieeffizienz.
Aufbau und Funktionsweise einer Wärmepumpe
Der gesamte Prozess der Wärmepumpe lässt sich auf 4 grundlegende Schritte bzw. Bauteile zurückführen:
- Verdampfen: In der Verdampfungsphase wird das Kältemittel, das sich zu Beginn im flüssigen Zustand befindet, durch eine externe Wärmequelle erwärmt. Diese Wärmequelle kann Umgebungsluft, Erdwärme oder Wasser sein. Sobald das flüssige Kältemittel Wärmeenergie aus dieser Quelle aufnimmt, beginnt es zu verdampfen. Das Kältemittel hat die besondere Eigenschaft, schon bei niedrigen Temperaturen zu verdampfen, wodurch der gesamte Prozess innerhalb der Wärmepumpe überhaupt erst möglich wird.
- Kompressor: Der Kompressor ist das Herzstück einer Wärmepumpe. Hier wird das nun gasförmige Kältemittel unter hohem Druck zusammengepresst. Durch diese Kompression erhöht sich die Temperatur des Kältemittels signifikant. Dieser Prozess ist entscheidend, da die Temperatur des Kältemittels nun ausreichend hoch ist, um die Wärme an das Heizsystem im Gebäude abgeben zu können. Der Kompressor fungiert als Antrieb für den gesamten thermodynamischen Zyklus, indem er die Energie des Kältemittels steigert.
- Kondensator: Nachdem das Kältemittel den Kompressor verlässt, wird es in den Kondensator geleitet. Hier wird die hohe Temperatur des komprimierten Gases genutzt, um Wärme an die Umgebung, typischerweise das Heizsystem des Gebäudes, abzugeben. Während dieses Wärmeaustauschs kondensiert das Kältemittel und kehrt in seinen flüssigen Zustand zurück. Die freigesetzte Wärme wird für Heizzwecke oder zur Warmwasserbereitung verwendet.
- Entspannungsventil: Im letzten Schritt fließt das nun wieder flüssige Kältemittel durch das Entspannungsventil. Dieses Ventil reduziert den Druck des Kältemittels. Durch diese Druckminderung kühlt das Kältemittel ab und ist somit bereit, erneut Wärme aus der Umwelt aufzunehmen. Dieser Schritt schließt den Kreislauf ab und ermöglicht es dem Kältemittel, in den Verdampfer zurückzukehren, um den Prozess erneut zu starten.
Arten von Wärmepumpen & deren Funktion
Die Arten von Wärmepumpen: Grundlegend können Wärmepumpen in 3 verschiedene Arten unterteilt werden. Dabei unterscheidet man nach der Art der Wärmequelle.
Funktion der Luftwärmepumpe
Luftwärmepumpen extrahieren Wärmeenergie aus der Außenluft und nutzen diese zum Heizen oder für die Warmwasserbereitung. In der Regel besteht der Prozess aus einem Außengerät, das einen Ventilator und einen Verdampfer enthält.
Der Ventilator zieht Außenluft an und leitet sie über den Verdampfer. Hier wird ein Kältemittel, das bei sehr niedrigen Temperaturen verdampft, durch die aufgenommene Umgebungswärme in einen gasförmigen Zustand versetzt. Das gasförmige Kältemittel wird dann in einen Kompressor geleitet, wo es verdichtet wird, wodurch seine Temperatur weiter steigt. Dieses erhitzte Gas wird anschließend in den Kondensator im Inneren des Gebäudes geleitet, wo es seine Wärme abgibt und kondensiert. Das nun flüssige Kältemittel fließt durch ein Entspannungsventil zurück, um den Zyklus zu wiederholen.
Diese Pumpen sind besonders effektiv in gemäßigten Klimazonen und können sowohl für die Heizung als auch für die Kühlung eingesetzt werden.
Funktion der Wasser-Wärmepumpe
Wasser-Wasser-Wärmepumpen nutzen das Grundwasser als Quelle für Heizenergie. Diese Pumpen benötigen zwei Brunnen: einen Förderbrunnen, aus dem das Grundwasser entnommen wird, und einen Schluckbrunnen, in den das genutzte Wasser zurückgeführt wird. Das Grundwasser wird durch einen Wärmetauscher gepumpt, wo es seine Wärme an das Kältemittel im Verdampfer abgibt. Ähnlich wie bei Luftwärmepumpen verdampft das Kältemittel, wird dann komprimiert, um seine Temperatur zu erhöhen, und gelangt in den Kondensator, wo es Wärme an das Heizsystem abgibt. Nach der Kondensation fließt das Kältemittel durch das Entspannungsventil zurück in den Verdampfer.
Wasser-Wasser-Wärmepumpen sind sehr effizient, da die Temperatur des Grundwassers im Vergleich zur Außenluft relativ konstant bleibt, was eine gleichmäßige und effiziente Wärmeübertragung ermöglicht.
Funktion der Erdwärmepumpe
Erdwärmepumpen, auch als geothermische Wärmepumpen bekannt, nutzen die im Boden gespeicherte Wärme. Diese Wärmepumpen arbeiten mit einem System von Erdkollektoren oder Erdsonden, die in den Boden verlegt bzw. gebohrt werden. Die Kollektoren oder Sonden enthalten eine Flüssigkeit, meist eine Sole (Wasser mit Frostschutzmittel), die die Erdwärme aufnimmt.
Im Wärmetauscher im Verdampfer gibt die Sole ihre Wärme an das Kältemittel ab, das daraufhin verdampft. Das verdampfte Kältemittel wird komprimiert, wodurch seine Temperatur ansteigt, und gelangt dann in den Kondensator, wo es die Wärme an das Heizsystem abgibt. Nach der Kondensation wird das Kältemittel durch das Entspannungsventil geleitet und kehrt in den Verdampfer zurück, um den Zyklus erneut zu beginnen.
Erdwärmepumpen sind für ihre Effizienz bekannt, da die Temperatur im Erdreich über das Jahr hinweg relativ konstant ist, was zu einer stabilen und effektiven Wärmeübertragung führt. Sie sind ideal für Gebiete mit kälteren Klimabedingungen und können für Heizung, Warmwasserbereitung und sogar zur Kühlung genutzt werden. Durch die Nutzung der Erdwärme bieten sie eine umweltfreundliche Heizlösung, die jedoch initial höhere Installationskosten aufgrund der Erdarbeiten für die Kollektoren oder Sonden mit sich bringt.
Wie funktioniert eine Wärmepumpe im Winter?
Trotz der Herausforderungen, die niedrige Außentemperaturen mit sich bringen, können Wärmepumpen auch im Winter eine zuverlässige und effiziente Heizquelle darstellen.
Luftwärmepumpe im Winter:
Luftwärmepumpen können auch bei niedrigen Außentemperaturen Wärme aus der Luft extrahieren. Jedoch nimmt ihre Effizienz bei sehr kalten Temperaturen ab, da weniger Wärmeenergie in der Außenluft vorhanden ist.
Moderne Luftwärmepumpen sind oft mit Inverter-Technologie ausgestattet, die es ihnen ermöglicht, ihre Leistung an die Außentemperaturen anzupassen und auch bei Frost noch effektiv zu arbeiten.
In extrem kalten Regionen können Luftwärmepumpen mit einem zusätzlichen Heizelement ausgestattet sein, das bei Bedarf zusätzliche Wärme liefert, um die Effizienz zu steigern.
Wasser- und Erdwärmepumpe im Winter:
Sowohl Wasser- als auch Erdwärmepumpen sind im Winter in der Regel effizienter als Luftwärmepumpen, da die Temperatur von Grundwasser und Erdreich auch im Winter relativ konstant und wärmer als die Außenluft ist.
Diese konstanten Temperaturen ermöglichen eine gleichbleibende Wärmeextraktion, was diese Wärmepumpenarten zu einer effizienten Heizlösung auch in kälteren Klimazonen macht.
Zusätzliche Aspekte:
Die Effizienz von Wärmepumpen im Winter hängt auch von der Isolierung und dem allgemeinen Energieeffizienzstandard des Gebäudes ab. Gut isolierte Gebäude mit modernen Fenstern und Türen behalten die Wärme besser und reduzieren den Heizbedarf. Hybrid-Wärmepumpen, die eine Wärmepumpe mit einem herkömmlichen Heizsystem (wie Gas oder Öl) kombinieren, können in extremen Kälteperioden eine effiziente Lösung bieten, indem sie automatisch auf die effizienteste Heizquelle umschalten. Wärmepumpen können auch im Winter effizient arbeiten. Die Wahl der richtigen Wärmepumpenart sowie eine angemessene Isolierung des Gebäudes sind dabei entscheidend für eine effiziente und zuverlässige Heizleistung.Kann eine Wärmepumpe auch kühlen?
Eine Schlüsselfunktion, die es einer Wärmepumpe ermöglicht, sowohl zu heizen als auch zu kühlen, ist die Reversibilität. Diese Eigenschaft bedeutet, dass die Wärmepumpe umgekehrt betrieben werden kann, um je nach Bedarf entweder Wärme zu liefern oder zu entziehen.
Bei reversiblen Wärmepumpen wird im Heizmodus Wärme aus einer externen Quelle (wie der Außenluft, dem Erdreich oder Wasser) aufgenommen und ins Gebäudeinnere übertragen. Im Kühlmodus kehrt sich dieser Prozess um: Die Wärmepumpe entzieht dem Gebäude die Wärme und leitet sie nach außen ab. Dies geschieht durch Umkehrung des Kältemittelkreislaufs.
Die Fähigkeit zum Kühlen ist besonders in den wärmeren Monaten oder in Klimazonen mit hohen Sommertemperaturen von Vorteil. Durch diese Dualität können reversible Wärmepumpen das ganze Jahr über eingesetzt werden, wodurch sie eine effiziente und praktische Lösung für die Temperaturregulierung in Gebäuden bieten. Sie reduzieren nicht nur die Notwendigkeit für separate Heiz- und Kühlsysteme, sondern tragen auch zur Energieeinsparung und zum Umweltschutz bei.
Fazit
Wärmepumpen sind aufgrund ihrer Effizienz und ihres Potenzials zur Reduzierung von CO2-Emissionen eine immer beliebtere Wahl für umweltbewusstes Heizen und Kühlen. Ihr Betrieb im Winter und die Auswahl der geeigneten Wärmepumpe hängen von lokalen klimatischen Bedingungen und den spezifischen Anforderungen des Gebäudes ab. Die technologischen Fortschritte in der Wärmepumpenbranche versprechen eine noch größere Effizienz und Zugänglichkeit.
Wärmepumpen stellen eine vielseitige, effiziente und umweltfreundliche Lösung dar, die sich sowohl für Neubauten als auch für die Modernisierung bestehender Gebäude eignet. Mit ihrer Fähigkeit, sich an unterschiedliche klimatische und geographische Bedingungen anzupassen, sind sie ein wesentlicher Bestandteil der Bemühungen um eine umweltfreundlichere und nachhaltigere Zukunft.
Wärmepumpen-Förderungen sind auch im Jahr 2024 aktuell und können die Investition in die Technologie für private, wie gewerbliche Nutzer deutlich attraktiver gestalten.
Häufig gestellte Fragen
Was ist der Unterschied zwischen der Monoblock- & Split-Bauweise?
Monoblock- und Split-Bauweise sind zwei verschiedene Konfigurationen von Wärmepumpensystemen, insbesondere bei Luft-Wasser-Wärmepumpen. Jedes System hat seine spezifischen Eigenschaften:
Monoblock-Wärmepumpen:
Einteiliges System: Bei einer Monoblock-Wärmepumpe sind alle Hauptkomponenten – Verdampfer, Kompressor, Kondensator und Expansionsventil – in einer einzigen Außeneinheit zusammengefasst.
Split-Wärmepumpen:
Geteiltes System: Bei einer Split-Wärmepumpe sind die Komponenten auf eine Innen- und eine Außeneinheit aufgeteilt. In der Regel befindet sich der Verdampfer in der Außeneinheit und der Kondensator in der Inneneinheit.
Die Wahl zwischen Monoblock- und Split-Bauweise hängt von den spezifischen Anforderungen des Gebäudes, den Installationsmöglichkeiten und den Präferenzen des Eigentümers ab.
Was bedeutet monovalenter und bivalenter Betrieb bei Wärmepumpen?
Monovalenter und bivalenter Betrieb sind zwei Betriebsarten von Wärmepumpensystemen, die sich darin unterscheiden, wie die Wärmeversorgung eines Gebäudes sichergestellt wird:
Monovalenter Betrieb:
- Bei einem monovalenten Betrieb stellt die Wärmepumpe die einzige Wärmequelle für das Gebäude dar. Sie wird so dimensioniert und konzipiert, dass sie den gesamten Heiz- und Warmwasserbedarf des Gebäudes auch unter den kältesten Bedingungen, die in der jeweiligen Region zu erwarten sind, decken kann.
- Dieser Betriebstyp ist besonders effizient, da das gesamte System ausschließlich auf die Wärmepumpe abgestimmt ist. Allerdings erfordert es eine Wärmepumpe mit ausreichender Leistung und oft eine gute Gebäudeisolierung, um auch bei sehr niedrigen Außentemperaturen effektiv zu arbeiten.
Bivalenter Betrieb:
- Im bivalenten Betrieb wird die Wärmepumpe mit einer weiteren Wärmequelle kombiniert, zum Beispiel mit einem Gas- oder Ölbrenner. Diese Kombination kann auf zwei Arten erfolgen: bivalent-alternativ oder bivalent-parallel.
- Bivalent-alternativ: Die Wärmepumpe deckt den Wärmebedarf bis zu einer bestimmten Außentemperatur, und bei Unterschreitung dieser Temperatur übernimmt das Zusatzheizsystem komplett die Wärmeversorgung.
- Bivalent-parallel: Die Wärmepumpe und das Zusatzheizsystem arbeiten gleichzeitig, um den Wärmebedarf bei sehr niedrigen Temperaturen gemeinsam zu decken.
- Bivalente Systeme bieten mehr Flexibilität und Sicherheit in Gebieten mit extremen Wintertemperaturen, da sie sich auf eine zusätzliche Wärmequelle verlassen können, wenn die Wärmepumpe allein nicht ausreicht.
Die Wahl zwischen monovalentem und bivalentem Betrieb hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter das lokale Klima, die Gebäudeisolierung und die Verfügbarkeit alternativer Heizsysteme. Bivalente Systeme sind oft eine praktische Lösung in kälteren Klimazonen oder bei bestehenden Gebäuden mit weniger effizienter Isolierung.
Welches Kältemittel wird in einer Wärmepumpe eingesetzt?
Wie und welchen Kältemittel in der Wärmepumpe genutzt wird, lässt sich auf zwei Typen begrenzen – Absorptionswärmepumpen & Adsorptionswärmepumpen. Diese beiden Typen stellen spezifische Kategorien innerhalb der Wärmepumpentechnologie dar, die sich durch die Art und Weise, wie das Kältemittel gebunden wird (entweder durch Absorption in einer Flüssigkeit oder durch Adsorption an einem Feststoff), unterscheiden.
Absorptionswärmepumpe
- Funktionsprinzip: Bei einer Absorptionswärmepumpe wird eine Flüssigkeit (üblicherweise eine wässrige Lösung, z.B. Wasser mit Lithiumbromid oder Ammoniak) verwendet, um ein Kältemittel zu absorbieren. Die Absorption führt zu einer chemischen Reaktion, bei der Wärme freigesetzt wird.
- Wärmequelle: Sie benötigt eine externe Wärmequelle, um den Absorptionsprozess zu initiieren. Diese Wärmequelle kann beispielsweise Solarthermie, Abwärme aus industriellen Prozessen oder geothermische Energie sein.
- Anwendung: Absorptionswärmepumpen werden häufig in industriellen und gewerblichen Anwendungen eingesetzt, wo Abwärme effizient genutzt werden kann. Sie eignen sich auch für größere Heizsysteme und sind in der Lage, bei niedrigeren Temperaturen effizient zu arbeiten.
Adsorptionswärmepumpe
- Funktionsprinzip: Eine Adsorptionswärmepumpe nutzt ein festes Adsorbens (wie Silikagel oder Zeolith) zur Aufnahme des Kältemittels. Die Adsorption des Kältemittels am festen Stoff führt ebenfalls zur Freisetzung von Wärme.
- Wärmequelle: Wie die Absorptionswärmepumpe benötigt auch die Adsorptionswärmepumpe eine externe Wärmequelle. Diese kann jedoch variabler sein und beispielsweise auch Umgebungsluft oder niedriggradige Wärmequellen umfassen.
Anwendung: Adsorptionswärmepumpen werden oft dort eingesetzt, wo niedrigere Temperaturen vorherrschen und eine sanftere Wärmeübertragung benötigt wird. Sie sind besonders geeignet für Anwendungen, die eine höhere Flexibilität bezüglich der Wärmequelle erfordern.
