Wie funktioniert die Wärmepumpe?

Wärmepumpen schonen das Klima, denn sie beziehen je nach Konfiguration rund dreiviertel der Energie zum Heizen aus der Umwelt. Die gängigsten Wärmequellen sind Luft, Erdreich und Grundwasser. Um die kostenlose Umweltwärme nutzbar zu machen, benötigen Wärmepumpen lediglich einen kleinen Anteil Strom für Antrieb und Pumpe. Technik, rechtliche Vorgaben und Kosten unterscheiden sich danach, ob die Energie der Luft, Erde oder dem Wasser entzogen wird.

Wärmepumpe: Umgekehrtes Prinzip eines Kühlschranks

Wenn es draußen richtig kalt wird, ist es nur eine Frage der Zeit, bis man auch drinnen friert. Denn Wärme bewegt sich immer entlang eines Temperaturgefälles, vom Wärmeren zum Kälteren. Diesem scheinbar unumgänglichen Naturgesetz schlägt die Wärmepumpe ein Schnippchen. Mit ihr ist es möglich, Wärme entgegen dem Temperaturgefälle zu verschieben, also vom Kalten ins Wärmere. Wie das geht? Die Funktionsweise einer Wärmepumpe ist im Prinzip identisch mit der eines altbekannten Alltagsgerätes: dem Kühlschrank. Während der Kühlschrank allerdings seinem Innenraum die Wärme entzieht und nach draußen abgibt, entzieht die Wärmepumpe dem Außenbereich die Wärme und gibt sie als Heizenergie an das Haus ab. Die Wärmepumpe macht sich dafür ein physikalisches Prinzip, den so genannten Joule-Thomson-Effekt zunutze. Neben der Heizfunktion vermag es die Wärmepumpe in Verbindung mit einer Flächenheizung aber auch Gebäude zu kühlen und daher ist sie der Joker für die Wärmewende.

Wärmequellen

Luft

Erde

Wasser

Sonstige

PV-T

Industrielle Abwärme

Wärmepumpe: Geniale Technik - einfach erklärt!

Eine Wärmepumpen-Heizungsanlage besteht aus drei Teilen: der Wärmequellenanlage, die der Umgebung der benötigte Energie entzieht; der eigentlichen Wärmepumpe, die die gewonnene Umweltwärme nutzbar macht; sowie dem Wärmeverteil- und Speichersystem, das die Wärmeenergie im Haus verteilt oder zwischenspeichert. Der technische Prozess läuft dabei in drei Schritten ab.

Historie der Wärmepumpe

Die Entwicklung der Wärmepumpentechnologie geht bis ins 19. Jahrhundert zurück: Der Franzose Nicolas Carnot veröffentlichte 1824 erste Grundsätze zum Wärmepumpenprinzip. Gut 100 Jahre später gingen in Zürich die ersten größeren Wärmepumpenanlagen zur Beheizung von Gebäuden in Betrieb. Im Jahr 1969 schloss Klemens Oskar Waterkotte die erste Erdwärmepumpe in Deutschland an. Seitdem haben sich Wärmepumpen zur Raumheizung und für die Warmwasserbereitung zu einer ebenso zuverlässigen wie umweltfreundlichen Heizungsvariante entwickelt. Dank der jahrelangen Erfahrungen wird die Technologie zudem durch Innovationen ständig weiter entwickelt.

Schritt 1: Gewinnung

In der Wärmequellenanlage zirkuliert eine Flüssigkeit, häufig eine Sole, d.h. Wasser, das mit Frostschutzmittel versetzt ist. Die Flüssigkeit nimmt die Umweltwärme, z.B. aus dem Erdreich oder dem Grundwasser, auf und transportiert diese zur Wärmepumpe. Eine Ausnahme bilden Luft-Wärmepumpen. Diese saugen über einen Ventilator die Außenluft an, die der Wärmepumpe die Umgebungswärme zuführt.

Schritt 2: Nutzbarmachung

In der Wärmepumpe befindet sich ein weiterer Kreislauf, in dem ein so genanntes Kältemittel zirkuliert. In einem Wärmetauscher, dem Verdampfer, wird die Umweltenergie von dem ersten Kreislauf auf das Kältemittel übertragen, das dadurch verdampft. Bei Luftwärmepumpen erhitzt die Außenluft das Kältemittel. Der Kältemitteldampf wird nun zu einem Verdichter/Kompressor weitergeleitet. Dadurch hebt sich das Temperaturniveau des gasförmigen Kältemittels, es wird also heißer. In einem weiteren Wärmetauscher, dem so genannten Verflüssiger, wird das unter hohem Druck stehende, heiße Kältemittelgas nun kondensiert, wobei es seine Wärme wieder abgibt. Anschließend wird das verflüssigte Kältemittel zu einer Drossel, in der der Druck des Kältemittels wieder verringert wird, geleitet. Das nun flüssige, entspannte Kältemittel wird schließlich zum Verdampfer zurückgeführt.

Schritt 3: Beheizung

In dem zu beheizenden Gebäude befindet sich nun das Wärmeverteil- und Speichersystem. Darin zirkuliert als Heizmedium in der Regel Wasser. Dieses Wasser nimmt die Wärme, die das Kältemittel im Verflüssiger abgibt, auf und leitet dieses entweder zu einem Verteilersystem, wie z.B. Flächenheizungen oder Heizkörpern, oder zu einem Heizungspuffer- bzw. Warmwasserspeicher.

„Hinweis: Bei niedriger Vor- und Rücklauftemperatur und einer daraus resultierenden angemessenen Temperaturspreizung kann die Wärmepumpe besonders energieeffizient, d.h. mit möglichst hoher Jahresarbeitszahl (JAZ) arbeiten. Insbesondere Niedertemperaturheizungen arbeiten daher ideal in Verbindung mit einer Wärmepumpe, da sie die Wärme auf wirtschaftliche Art und Weise zur Verfügung stellen und dadurch niedrige Vorlauftemperaturen zwischen 30 und 35 °C nutzen. Zudem kann in Verbindung mit dem Flächenheizsystem auch gekühlt werden (siehe „Kühlen mit der Wärmepumpe“). Erkundigen Sie sich hier über innovative Flächenheiz- und –kühlsysteme. Zudem hängen mit der JAZ auch die Fördermöglichkeiten für Ihre Wärmepumpe zusammen, d.h. je besser die JAZ ausfällt, desto wahrscheinlicher ist eine Förderung. Nutzen Sie gerne für weitere Informationen zu Ihrem Wärmepumpenprojekt den Förderrechner des BWP.“

Buchempfehlung

1. Effizienter Betrieb von Wärmepumpenanlagen. Planungsfehler vermeiden – Probleme analysieren – Arbeitszahlen optimieren (2018)

- Dipl.-Ing. (FH) Hans-Jürgen Seifert erstellt als zertifizierter Sachverständiger Privat- und Gerichtsgutachten für Wärmepumpenanlagen. Er ist EU-zertifizierter Wärmepumpeninstallateur und Mitglied im Beirat Handwerk des Bundesverbands Wärmepumpe sowie Mitglied im Bundesverband Geothermie.

2. Ratgeber Wärmepumpe. Klimaschonend, effizient, unabhängig (2023)

- Frank-Michael Baumann ist promovierter Physiker und hat über viele Jahre hinweg die EnergieAgenturNRW geleitet. Er ist Mitglied im Vorstand des Bundesverbands Wärmepumpe e.V. und war lange Jahre Mitglied im VDI-Fachausschuss Regenerative Energien.

3. Wärmepumpen. Heizen - Kühlen - Umweltenergie nutzen (2013)

- Dr.-Ing. Marek Miara arbeitet als Forscher am Fraunhofer-Institut für Solarenergiesysteme ISE seit über 15 Jahren Jahren. Sein Schwerpunkt liegt u.a. auf der Ermittlung und Bewertung der Effizienz von Wärmepumpensystemen und Gebäuden mit geringem Energieverbrauch.

Warum gibt es eigentlich keine Garantie auf die Jahresarbeitszahl (JAZ) einer Wärmepumpe?

27.02.2018

Karl-Heinz Stawiarski

Eine Garantie auf die JAZ elektrischer Wärmepumpen zu bekommen ist eine schöne Idee, aber leider nicht umsetzbar. Denn der Hersteller kann nur die COP errechnen. Das Problem ist, dass wahnsinnig viele Faktoren Einfluss auf die Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpe nehmen und nicht alle sich rechnerisch einkalkulieren lassen. Es liegt nicht alleine am Wärmepumpen-Modell des Herstellers, die Leistungszahl zu benennen. Die größte Unbekannte sind die BewohnerInnen selbst mit ihrem Warmwasser- und Wärmebedarf. Die Berechnungen des Heizungsspezialisten sind Näherungswerte für die zu erwartende Effizienz ohne den Faktor Mensch, der am Ende die Raum-Temperatur durch die Heizung bestimmt. Dadurch fällt die JAZ immer unterschiedlich aus, die nicht alleine von der Wärmepumpen-Heizung abhängig ist.

Schon „richtiges“ Lüften kann die Wärmepumpen-JAZ positiv beeinflussen, während ein dicker Teppich negative Effekte verursachen kann. Aber selbst wenn Sie sich strikt an den empfohlenen Heiz- und Lüftungsplan halten, kann es passieren, dass Ihnen das eigene Haus einen Strich durch die Rechnung macht, da auch die baulichen Gegebenheiten Einfluss auf die Wärmeverteilung nehmen. Auch klimatische Besonderheiten – wie ein besonders langer und kalter Winter – schlagen sich im Energieverbrauch und der Jahresarbeitszahl nieder. Sprich, das Verhältnis von allem muss stimmen.

Es ist ratsam, nach 2 Jahren die Einstellungen der Wärmepumpe nach zu justieren, um das eigene Nutzungsverhalten und spezielle bauliche Umstände besser zu berücksichtigen und vorhandene Potenziale zu heben. Das kann den Verbrauch an Strom senken und Ihre Wärmepumpe langfristige schonen.

Hier finden Sie einen Wärmepumpen-<link>JAZ-Rechner, der Ihnen eine ungefähre Einschätzug Ihrer Jahresarbeitszahl geben kann.

Oliver Nick

Es ist schlicht nicht möglich für den Hersteller oder Fachhandwerker, die Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpe für den Verbraucher zu garantieren. Die Wärmequelle und die Nutzer beeinflussen maßgeblich die JAZ der Heizung. So hat zum Beispiel der Bedarf nach Warmwasser einen großen Einfluss auf die Effizienz der Wärmepumpen-Anlage. Wie häufig und wie heiß geduscht oder gebadet wird, ist jedoch vollkommen nutzerabhängig. Ebenso ist das gewünschte Temperatur-Niveau in den Räumen abhängig von den Bewohnern, die diesen häufig falsch einschätzen. Der Bedarf von Wärme und Strom muss also für jede Heizungs-Anlage neu berechnet werden.

Als Installationsbetrieb versuchen wir natürlich, immer die höchste Effizienz für die elektrische Wärmepumpen-Anlage zu erzielen und dadurch Energie einzusparen. Wir geben den NutzerInnen deshalb Tipps für den richtigen Umgang mit der Wärmepumpen-Technik mit auf den Weg, dadurch verbrauchen sie nur so viel Energie, wie sie tatsächlich für die optimale Wärme im Haus benötigen. Oftmals können schon kleine Veränderungen im alltäglichen Verhalten die JAZ positiv beeinflussen und helfen, die Kosten für Wärmepumpen-Strom zu senken – ganz ohne Komforteinbußen.

Deswegen rate ich Ihnen den Kontakt zu einem qualifizierten Wärmepumpen-Installateur zu suchen. Eine <link nc waermepumpe verbraucherportal expertensuche.html _blank>Experten-Suche finden Sie auf den Sieten des Bundesverbands Wärmepumpe e.V..

Weitere Fragen, die Sie interessieren könnten:

Egbert Tippelt

Es handelt sich bei der nach VDI 4650 ermittelten Wärmepumpen-JAZ um einen, aus Standardwerten für Vorlauf- und Primärtemperatur, berechneten Wert. Der reale Verbrauch von Wärmepumpen ist jedoch von vielen nutzerspezifischen Faktoren abhängig, die sie rund um die Uhr zu Tage legen, wie der gewünschten Temperatur, dem Warmwasser-Verbrauch und sogar den Lüftungsgewohnheiten. Auch die Temperatur der Wärmequelle (Luft, Wasser, Erde) beeinflusst die Leistungszahl. So lange es also keinen „Standardnutzer“ gibt, kann auch die errechnete JAZ für eine Wärmepumpen-Heizung nur einen Näherungswert darstellen. Dazu können Sie aber den Wärmepumpen-JAZ-Rechner des BWPs benutzen.

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