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.
Sonstige
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
- 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.
Wie wirkt sich die Aufstellungsweise einer Luft-Wasser-Wärmepumpe (Innen, Aussen oder Split) auf deren Effizienz aus?
27.02.2018Jens Rammensee
Die Aufstellungsweise der <link _blank wasser>Wärmepumpe ist hinsichtlich der Effizienz unbedeutend. Wichtig ist lediglich, dass die Montageanweisungen sowie die Aufstellungsvorschriften des Herstellers befolgt werden. Ist dies gewährleistet gelten die angegebenen Kennwerte. Sollte der Hersteller eine bestimmte Aufstellungsart für das Gerät empfehlen, sollten Sie diese befolgen um die höchste Effizienz zu gewährleisten.
Karl-Heinz Stawiarski
Hinsichtlich der Effizienz ergeben sich bei Innen-, Außen oder Split-Aufstellung keine Unterschiede: Sogar bei Versuchen, bei denen die Luftansaugung entweder auf der Sonnenseite oder aber auf der Schattenseite erfolgte, konnten keine signifikanten Unterschiede gemessen werden.
Bei der Installation ist darauf zu achten, Ansaug- und Ausblaskanal so geführt werden, dass der freie Luftaustausch gewährleistet ist. Ansonsten kann es zu einem so genannten "Luftkurzschluss" kommen, bei dem die Maschine ihre eigene abgekühlte Abluft wieder ansaugt. Ein solcher Planungsfehler geht dann natürlich stark zu Lasten der Effizienz. Bei einer Aufstellung im Freien gilt es dementsprechend, die Aufstellung hinter Treppen und Mauern zu vermeiden.
Peter Voß
Meiner Erfahrung nach sind Split-Wärmepumpen meist effizienter, weil die Verdampfergröße individuell gewählt werden kann,da keine vorgegebenen Abmessungen, wie Türbreiten etc. eingehalten werden müssen. Die Verdampfer fallen dann meist wesentlich größer aus, was durch den höheren Lamellenabstand und weniger Abtauungen die Effizienz steigert.
Sven Kersten
Die Aufstellungsart ist für die Effizienz einer Wärmepumpe irrelevant, da ja alle Anlagen die gleiche Luft für die Wärmegewinnung nutzen. Ein Unterschied kann sich jedoch aus der Funktionsweise der Wärmepumpen ergeben. Da bei Split-Wärmepumpen sowohl Lüfter als auch Kompressor Drehzahl gesteuert sind, können sich diese Geräte besser an die Heizlast des Gebäudes anpassen und erreichen 10-15% höhere Effizienzwerte. Wichtig bei der Wahl des Aufstellungsortes ist die Berücksichtigung möglicher Schallemissionen. Damit Wärmepumpen so leise wie ein großer Gefrierschrank arbeiten, muss eine fachgerechte Installation gewährleistet sein. Praktische Tipps und Informationen finden Sie dazu im Leitfaden Schall, den Sie <link uploads tx_bwppublication>hier runterladen können.
Oliver Nick
Obwohl zwischen den verschiedenen Aufstellungsarten kaum Differenzen bzgl. der Effizienz auftreten, da Unterschiede in diesem Bereich zumeist auf die Vorlauftemperatur und die Auslegung der Wärmepumpe zurückgehen, gilt es einige Besonderheiten hinsichtlich der Aufstellungsart zu beachten.
Während für die Inbetriebnahme einer Splitanlage neben einem Heizungsbauer auch ein Kältetechniker nötig ist, können Wärmepumpen sowohl bei der Innen- als auch bei der Außenaufstellung allein durch einen Heizungsbauers installiert werden. Der Service ist bei Innenaufstellung auch im Winter einfach möglich.
Innen aufgestellte Wärmepumpen sind in der Regel nur bis zu 10 kW Heizlast sinnvoll, da die Größe des Wärmetauschers limitiert ist - schließlich muss die Anlage noch durch die Tür passen. Zu beachten ist eine gute Dämmung der Zuluftkanäle. Soll die Luft über Lichtschächte ins Haus geführt werden, müssen diese großzügig dimensioniert sein, weil die Luftgeräusche der Lichtschächte und Lichtschachtgitter nicht mehr gedämpft werden können.
Auch bei der Außenaufstellung ist die Größe des Wärmetauschers limitiert, weil er zusammen mit Verdichterr und Umwälzpumpen in einem Gehäuse untergebracht werden muss. Aufgrund der kompakten Bauweise entstehen niederfrequente Geräusche, die in die Planung miteinzubeziehen sind. Weitere Informationen dazu finden Sie <link uploads tx_bwppublication>hier.
Eine Split-Wärmepumpe bietet hinsichtlich der Effizienz das größte Potenzial, da sowohl der Verdampfer als auch die Ventilatoren sehr groß gewählt werden können. Damit kann fachgerechter Installation eine hohe Effizienz bei einem besonders niedrigem Geräuschpegel realisiert werden. Wir erreichen mit diesen Anlagen sehr hohe JAZ (z.B. 3,5 im Altbau). Da nur die Ventilatoren im Freien stehen, besteht auch im Winter keine Frostgefahr. Die Installation dieser Wärmepumpe ist jedoch aufwendiger und es wird die Unterstützung eines Kältetechnikers benötigt.