Funktion und Aufbau verschiedener Wärmepumpe-Arten.

Funktion und Aufbau von Wärmepumpen: 

• Wärmepumpen entziehen ihrer Umgebung thermische Energie.
• Im Erdboden herrschen bis zu 12 °C, auch im Winter.
• Ein Kältemittel nimmt die Energie auf, ein Kompressor erhöht den Druck und so die Temperatur.

Inhalt dieser Seite:

1. Wie funktionieren Wärmepumpen?
2. Aufbau und Funktion einer Luft-Wasser-Wärmepumpe.
3. Aufbau und Funktion einer Erdwärmepumpe.
4. Aufbau und Funktion einer Wasserwärmepumpe.
5. Wirkungsgrad und Effizienz von Wärmepumpen.
6. Was sagt die Jahresarbeitszahl (JAZ) aus?
7. Der Nutzen von Wärmepumpen.
8. Wärmepumpe mieten statt kaufen.
9. Fragen und Antworten.

Wärmepumpe einfach erklärt: Wie ein Kühlschrank – nur andersrum.

Das Funktionsprinzip von Wärmepumpen ist quasi das Gleiche wie bei einem Kühlschrank – nur umgekehrt. Während also der Kühlschrank dafür sorgt, die Luft in seinem Inneren unter die Umgebungstemperatur herunterzukühlen, sorgt die Wärmepumpe für eine wärmere Temperatur als jene, die in der Umgebung (also der Luft, der Erde oder des Wassers) herrscht. 

Wie funktionieren Wärmepumpen?

Wärmepumpen machen sich die vorhandene Umweltenergie zunutze, die in der Luft, im Erdreich und im Grundwasser vorhanden ist. Dafür setzen Wärmepumpen ein Kältemittel ein. Das zunächst flüssige Kältemittel nimmt die vorhandene Energie auf und erwärmt sich. Ab einer bestimmten Temperatur verdampft das Kältemittel. Der Kältemitteldampf wird nun von einem Kompressor verdichtet, die Temperatur des Dampfes steigt stark und kann nun im Heizkreis verteilt und dort an Heizkörper oder Heizwasser abgegeben werden. Durch die abgegebene Energie fällt die Temperatur des Kältemittels und es wird wieder flüssig. Über ein Ventil wird schließlich der Druck gemindert, ehe das Kältemittel zurück zur Wärmepumpe fließt, um erneut Energie aus der Umgebung aufzunehmen.

Aufbau und Funktion einer Luftwärmepumpe.

Bei einer Luftwärmepumpe bzw. Luft-Wasser-Wärmepumpe zieht ein Ventilator die Umgebungsluft an und leitet sie an einen Wärmetauscher. Im Wärmetauscher zirkuliert ein Kältemittel. Dessen chemische Eigenschaften sorgen dafür, dass es schon bei sehr niedrigen Temperaturanstiegen vom flüssigen in den gasförmigen Zustand wechselt. Die Energie der angesaugten Umgebungsluft geht im Wärmetauscher auf das Kältemittel über und verdampft. Ein strombetriebener Verdichter (auch Kompressor genannt) komprimiert den Dampf des Kältemittels – Druck und Temperatur steigen. Der erwärmte Dampf wird in den Heizkreislauf eingeleitet und seine Wärmeenergie dort mittels weiterem Wärmetauscher an Heizkörper, die Fußbodenheizung oder einen Warmwasserspeicher abgegeben. Dadurch kühlt das Kältemittel herunter, wird wieder flüssig und fließt auf dem Weg zurück zur Wärmepumpe noch durch ein Entspannungsventil, das den Druck entweichen lässt. Nun kann das Kältemittel erneut Energie aus der Umgebungsluft aufnehmen.

Aufbau und Funktion einer Erdwärmepumpe.

Bei einer Erdwärmepumpe wird die in der Erde enthaltene thermische Energie über Erdkollektoren oder Erdsonden aufgenommen. Während Kollektoren auf großen Flächen (z. B. einer Wiese im Garten) in relativ geringer Tiefe flächig verbaut werden, ist für eine Sonde eine Bohrung von bis zu 100 Metern Tiefe nötig. Sowohl in Erdkollektoren als auch in Erdsonden zirkuliert dann ein Salz-Wasser-Gemisch, die Sole (weshalb Erdwärmepumpen auch als Sole-Wasser-Wärmepumpen bezeichnet werden). Über einen Verdampfer wird das Kältemittel verflüchtigt und über einen Kompressor verdichtet. Temperatur und Druck steigen. Anschließend wird die Energie im erhitzten Kältemittel an den Heizkreislauf übertragen. Wie bei anderen Wärmepumpensystemen verflüssigt sich das Kältemittel durch den Energieverlust und den damit verbundenen Temperaturabfall wieder. Ein Expansionsventil lässt überschüssigen Druck entweichen, ehe das Kältemittel zurück in die Erdkollektoren oder die Erdsonden fließt, um erneut Erdwärme aufzunehmen.

Aufbau und Funktion einer Wasserwärmepumpe.

Für eine Wasserwärmepumpe (bzw. Wasser-Wasser-Wärmepumpe oder auch Grundwasserwärmepumpe) sind zunächst zwei Bohrungen bis zum Grundwasserspiegel nötig. In der einen Bohrung wird ein Saugbrunnen installiert (er nimmt warmes, energiereiches Grundwasser auf und leitet es zur Wärmepumpe), in der anderen ein Schluckbrunnen (über ihn wird das kalte Restwasser zurück ins Erdreich geleitet). Durch  einen Abstand zwischen den Bohrungen (meist 15 Meter oder mehr) wird sichergestellt, dass das kalte eingeleitete Wasser sich nicht mit dem vorhandenen warmen Grundwasser vermischt. Das geförderte Grundwasser überträgt seine Energie an ein Kältemittel, das verdampft. Der Dampf wird im Verdichter komprimiert und die gespeicherte Energie mittels Wärmetauscher an den Heizkreislauf abgegeben. Das Kältemittel ändert seinen Aggregatzustand wieder zu einer Flüssigkeit. Ein Entspannungsventil senkt den Druck und das Kältemittel fließt zurück zur Wärmepumpe, um neue Energie aufzunehmen.

Wirkungsgrad und Effizienz unterschiedlich funktionierender Wärmepumpen.

Bedingt durch ihre verschiedenen Funktionsprinzipien haben Wärmepumpen unterschiedlicher Bauart jeweils andere Wirkungsgrade. Eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe kann über das ganze Jahr auf Grundwasser von nahezu gleichbleibender Temperatur zurückgreifen. Die Effizienz ist dadurch sehr hoch: Bis zu 500 % Wirkungsgrad sind aktuell möglich, was einer Jahresarbeitszahl von 5 entspricht. Erdwärmepumpen kommen auf eine JAZ von etwa 3,5 bis 4,5, wobei Erdsonden eine höhere Effizienz besitzen als Erdkollektoren. Luftwärmepumpen aktueller Bauart erreichen einen JAZ-Wert von 3 bis 4, ältere Modelle einen Wert von 2,5 bis 3. 

Was sagt die Jahresarbeitszahl (JAZ) aus?

Die Jahresarbeitszahl gibt die Effizienz einer Wärmepumpe im Zusammenspiel mit einem konkreten Gebäude und einer konkreten Heizanlage an. Die JAZ wird also von einem Fachmann ermittelt.  Eine Wärmepumpe mit einer JAZ von 3,5 kann aus 1 kWh zugeführter elektrischer Energie 3,5 kWh Heizenergie generieren. Sie besitzt damit einen Wirkungsgrad von 350 %. Je höher der Wirkungsgrad, umso wirtschaftlicher arbeitet die Wärmepumpe, denn sie benötigt dann verhältnismäßig wenig Strom, um Wärme zu erzeugen.

Wie hoch ist der Nutzen von Wärmepumpen?

Vergleicht man Wärmepumpen mit seit Jahrzehnten verbreiteten Heizsystemen wie Gasheizungen oder Ölheizungen, fällt auf, dass Wärmepumpen einen wesentlich höheren Anschaffungspreis haben. Für Wasserwärmepumpen beispielsweise werden schnell bis über 25.000 € für die Technik sowie für die Erschließung des Grundwassers durch die notwendigen Bohrungen fällig. Demgegenüber sehen wir jedoch viele wesentliche Vorteile: So sind Wärmepumpen durch ihre ausgeprägte Energieeffizienz günstig zu betreiben. Mitunter können die jährlichen Heizkosten halbiert werden! Auch die Wartung ist mit 50 bis 150 € im Jahr nicht sonderlich teuer. Der Einbau moderner Wärmepumpen ist außerdem förderfähig und der benötigte Wärmepumpenstrom wird von Energieanbietern häufig günstiger angeboten als normaler Haushaltsstrom. In Form von Öko-Heizstrom können Wärmepumpen sogar vollständig klimaneutral betrieben werden, was uns zu einem der wichtigsten Punkte hinsichtlich des Nutzens von Wärmepumpen führt: Sie sind derzeit eine der klimafreundlichsten Technologien fürs heimische Heizen.

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Fragen und Antworten rund um die Wärmepumpe-Funktion.

Fragen und Antworten.

Was sind die Bestandteile einer Wärmepumpen-Heizungsanlage?

Eine Wärmepumpen-Heizungsanlage besteht aus drei wesentlichen Komponenten:

Die Wärmequellenanlage: Sie entzieht der Umgebung (also Luft, Erde oder Grundwasser) Energie und führt diese der Wärmepumpe zu.

Die Wärmepumpe: Mittels Verdampfer und Kompressor bringt sie die thermische Energie auf ein höheres Temperaturniveau.

Die Wärmenutzungsanlage: Sie wird auch als Wärmeverteil- und Speichersystem bezeichnet. Die Wärmenutzungsanlage gibt die erzeugte Wärme an das Heizsystem oder das Warmwassersystem des Gebäudes weiter.

Aufbau einer Luftwärmepumpe: Was ist der Unterschied zwischen einer Monoblock- und einer Split-Bauweise?

Bei Luftwärmepumpen gibt es zwei gängige Bauarten mit entsprechend unterschiedlichen Funktionsweisen. Monoblock-Geräte vollziehen die Wärmegewinnung in einem einzigen Gerät. Verdampfer, Kompressor, Kondensator und Expansionsventil befinden sich gemeinschaftlich im Monoblock. Bei Split-Geräten sind die Komponenten auf eine Außeneinheit (außerhalb des Gebäudes) und eine Inneneinheit (im Gebäude) aufgeteilt. Split-Geräte bieten große Flexibilität beim Einbau. Monoblock-Geräte sind dafür leichter zu installieren und oft etwas günstiger, da sich alle wichtigen Komponenten in einem einzigen Gerät befinden.

Funktioniert eine Wärmepumpe auch im Winter?

Ja. Ausreichend groß geplante und umgesetzte Wärmepumpen arbeiten sogar bei Temperaturen von –20 °C zuverlässig. Allerdings ist dann mitunter mehr Strom notwendig. Während im Erdreich auch im Winter „angenehme“ Temperaturen um 10 bis 12 °C herrschen und Erdwärmepumpen und Grundwasserwärmepumpen keine allzu großen Temperaturunterschiede ausgleichen müssen, holen sich Luftwärmepumpen die thermische Energie aus der Umgebungsluft. Der strombetriebene Kompressor in der Wärmepumpe muss stärker arbeiten, um die Differenz aus Außentemperatur und Raumluft oder Warmwasser im Haus zu überbrücken.

Wie gewinnen Wärmepumpen Energie?

Wärmepumpen bedienen sich der thermischen Energie, die in der Umwelt bereits vorhanden ist, und bringen sie auf ein höheres Niveau. Dazu wird ein Kältemittel eingesetzt, das bereits bei niedrigen Temperaturen verdampft, wenn es Umgebungswärme ausgesetzt wird. Ein Kompressor verdichtet die Dämpfe des Kältemittels und erhöht damit die Temperatur deutlich. Über einen Wärmetauscher wird diese Wärme an das Heizsystem oder die Warmwasserbereitung im Haus abgegeben.

Kann ich für eine Luft-Wasser-Wärmepumpe Raumluft als Wärmequelle verwenden?

Möglich ist es, es ist allerdings nur bei geringem Heizbedarf sinnvoll. Denn Raumluft besitzt nur eine begrenzte Wärmemenge. Erschöpft sich diese, kann die Wärmepumpe daraus keine Heizenergie mehr generieren. 

Wie gewinnt eine Sole-Wasser-Wärmepumpe Wärme aus dem Erdreich?

Eine Sole-Wasser-Wärmepumpe nutzt die Wärme des Grundwassers. Über einen Saugbrunnen wird die thermische Energie an ein Kältemittel abgegeben. Das Kältemittel verdampft, wird mit einem Verdichter komprimiert und dadurch erhitzt. Über einen Wärmetauscher gelangt die Wärme schließlich ins Heizsystem und in das Warmwasser.

Wie funktioniert die Wärmeerzeugung in Luft-Wasser-Wärmepumpen?

Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe entnimmt der Außenluft thermische Energie. Das verwendete Kältemittel verdampft dabei. Der Dampf wird in einem Kompressor verdichtet, sodass die Temperatur des Dampfs steigt. Über einen Wärmetauscher gelangt die Wärme schließlich ins Heizsystem und in das Warmwasser.

Wirkt sich der Aufstellort einer Luft-Wasser-Wärmepumpe auf die Effizienz aus?

Nein, der Aufstellort nimmt keinen besonderen Einfluss auf die spätere Effizienz einer Luftwärmepumpe. Wichtig ist, dass ein konstanter Luftaustausch möglich ist.

Funktioniert eine Wärmepumpe auch mit Heizkörpern oder nur mit Fußbodenheizung?

Prinzipiell funktionieren Wärmepumpen zwar auch mit klassischen Heizkörpern. Allerdings benötigen gerade Fußbodenheizungen nur eine geringe Vorlauftemperatur und sind deshalb eine optimale Art des Heizens für die Kombination mit einer Wärmepumpe.

Stand der Informationen: September 2022

*ENTEGA Wärme komplett hybrid kombiniert die gewerbliche Wärmelieferung aus einer neuen Heizungsanlage mit den Vorteilen einer klassischen Miete von Heizungsanlagen. ENTEGA plant, baut und betreibt eine Heizungsanlage zur Wärmeversorgung des Kunden inkl. Wartung und Reparatur zu einem monatlichen Pauschalpreis zzgl. Verbrauchskosten. Dank Kombination mit einer Wärmepumpe ist sichergestellt, dass auch die rechtlichen Vorgaben aus dem GEG eingehalten werden können und der Kunde seinen zusätzlichen Wärmebedarf selbst steuern kann.