Wärmepumpe: Die Funktion im Detail

Welche Faktoren machen die Wärmepumpe zu einem sinnvollen Heizsystem?

Erneuerbare Energien ersetzen beim Heizen und bei der Warmwasserbereitung zunehmend die fossilen Energieträger Öl und Gas. Das vermeidet schädliche CO₂-Emissionen und schont das Klima. Und Endverbraucher profitieren von geringeren Energiekosten.

Auf Haushalte fällt rund ein Viertel des Gesamtenergieverbrauchs in Deutschland. Dabei benötigen sie mehr als zwei Drittel der Energie, um die Wohnräume zu heizen.¹ Hierfür sind emissionsarme, umweltschonende Heizsysteme gefragt.

Als Ersatz für verbrennungsbasierte Heizungen bieten sich Wärmepumpen an, weil sie ihre Energie aus der Umwelt beziehen. Sie verbrennen kein Gas, Öl oder Holz, sondern nutzen die Umgebungswärme für die Energieerzeugung. Daher sind sie eine sehr umweltfreundliche und effiziente Heizungsalternative.

Das einzige, was die Wärmepumpe benötigt, ist Hilfsenergie in Form von Strom. Beispielsweise kommen bei der Grundwasserwärmepumpe mit einer Jahresarbeitszahl (JAZ) von fünf auf einen Anteil Strom fünf Anteile Energie aus dem Grundwasser. Aus dem eingesetzten Strom können Sie also die fünffache Energiemenge in Form von Wärme gewinnen. Kommt der Strom aus einer regenerativen Quelle – wie bei Photovoltaik vom eigenen Dach oder Ökostrom vom Stromanbieter – ist der Betrieb der Wärmepumpe besonders emissionsarm.

Das Prinzip der Wärmepumpe ist eine seit Jahrzehnten bewährte Technik. In den letzten Jahren haben Wissenschaft, Hersteller und Fachhandwerk die Wärmepumpentechnologie enorm vorangebracht, weshalb sie sich als klassischer Wärmeerzeuger etabliert hat.

Die drei Teile der Wärmepumpe: Einfache Funktion für viel Umweltwärme

Die Funktionsweise einer Wärmepumpe fußt auf dem Grundprinzip des „umgekehrten Kühlschranks“. Ein Kühlschrank entzieht seinem Innenraum die Wärme und gibt sie in den Außenraum ab. Die Wärmepumpe entzieht dagegen ihrer Umgebung die Wärme und gibt sie als Heizenergie an das Haus ab. Sie hebt, beziehungsweise pumpt, dabei die gewonnene thermische Energie von einem niedrigen auf ein höheres Temperaturniveau.

Alle Wärmepumpenheizungen bestehen unabhängig von der Wärmequelle aus drei Teilen: der Wärmequellenanlage, der Wärmepumpe und dem Wärmeverteil- und Speichersystem.

1. Wärmequellenanlage

   Die Wärmequellenanlage entzieht der Umgebung die Wärme.

   - Bei einer Erdwärmepumpe (auch Sole/Wasser-Wärmepumpe genannt) zieht die Wärmequellenanlage Wärme aus dem Erdreich. Sie gelangt durch Rohrleitungen, die mit einer Mischung aus Wasser und Frostschutzmittel (der sogenannten Sole) gefüllt sind, zur Wärmepumpe.

   - Die Quellenanlage der Grundwasserwärmepumpe (auch Wasser/Wasser-Wärmepumpe) befördert das Grundwasser mit einem Brunnen zur Wärmepumpe.

   - Die Wärmequellenanlage der Luft/Wasser-Wärmepumpe beziehungsweise Luftwärmepumpe funktioniert ohne Bohrungen im Erdreich. Sie saugt mit einem Ventilator die Außenluft an. Bei dieser Wärmepumpen-Art befinden sich alle Elemente kompakt in einem Gerät.

2. Wärmepumpe

   Die eigentliche Wärmepumpe befindet sich im zweiten Teil der Anlage. Sie bereitet die gewonnene Umweltwärme auf und macht sie für den Wasserkreislauf der Heizung nutzbar.

3. Wärmeverteil- und Speichersystem

   Im Wärmeverteil- und Speichersystem zirkuliert das Wasser für das Heizsystem. Die Wärmepumpe gibt die thermische Energie aus dem Kältemittelkreislauf an das Speicher- und Verteilsystem ab. So lässt sich die Wärme zwischenspeichern oder direkt zum Heizen sowie für die Warmwasserbereitung nutzen.

Wie funktioniert eine Wärmepumpe im Detail?

Die Wärmepumpe wandelt Umweltwärme zu Heizwärme um. Dazu besteht sie im Wesentlichen aus:

• einem Wärmeträgermedium,
• einem Verdampfer,
• einem Verdichter,
• einem Verflüssiger und
• einem Expansionsventil.

Die genannten Komponenten erzeugen den elementaren Kältemittelkreislauf.

Anstatt Öl, Gas oder Holz zu verbrennen, nutzen Wärmepumpen eine speziell aufbereitete Flüssigkeit mit einem Kältemittel als Wärmeträgermedium. Das Kältemittel der Wärmepumpe hat die Eigenschaft, bereits bei geringen Temperaturen zu sieden beziehungsweise zu verdampfen. Es ändert in den verschiedenen Abschnitten der Wärmepumpe mehrmals seinen Aggregatszustand: Zunächst verdampft es, verdichtet sich anschließend und nach der Abgabe der Wärme an das Speicher- und Verteilsystem verflüssigt und entspannt es sich wieder.

Schritt 1: Verdampfen des flüssigen Kältemittels im Verdampfer

Im ersten Schritt befördert je nach Wärmepumpen-Art ein Ventilator die Außenluft, ein Kollektor die Erdwärme oder ein Brunnen das Grundwasser zur Wärmepumpe. Der Verdampfer ist der erste Wärmetauscher im Wärmepumpenkreislauf. Die Umweltenergie dockt hier an den Kreislauf der Wärmepumpe an. Er nimmt nur die Wärme aus der Energiequelle auf und speist sie in den Kältemittelkreislauf ein. Luft, Sole oder Grundwasser selbst vermischen sich nicht mit dem Kältemittel. Hat der Verdampfer die Wärme aufgenommen, leitet er die Energieträger über Abluft, Soleleitungen oder Schluckbrunnen zurück.

Das Kältemittel, das durch den Verdampfer fließt, hat vor dem Kontakt mit Luft, Sole oder Grundwasser eine Temperatur von -5 bis -10°C. Durch die zugeführte Umweltwärme erwärmt es sich und verdampft bei niedrigem Druck. Die Flüssigkeit ist nun gasförmig und dehnt sich aus.

Schritt 2: Komprimieren des gasförmigen Kältemittels im Verdichter

Anschließend erreicht der Kältemittel-Dampf den Verdichter der Wärmepumpe, auch als Kompressor bezeichnet. Er saugt das gasförmige Kältemittel kontinuierlich an. Unter hohem Druck wird es stark komprimiert. Dabei steigt die Temperatur des Dampfs bis auf rund 70°C an. Die Verdichtung durch den Kompressor ist für den Großteil des Stromverbrauchs der Wärmepumpe verantwortlich.

Schritt 3: Kondensieren des erhitzten Kältemittel-Dampfs im Verflüssiger

Das unter hohem Druck stehende Kältemittel gelangt als erhitzter Dampf in den Verflüssiger. Dieser dient der Wärmeabgabe an den Heizwasserkreislauf und wird auch als Kondensator bezeichnet. Das gasförmige Kältemittel gibt an dieser Stelle seine Wärme an das Heizsystem ab. Dabei kühlt es auf eine bestimmte Temperatur herunter, wodurch sich der Dampf verflüssigt.

Wärmepumpen haben hierfür einen Plattenwärmetauscher oder einen Koaxialwärmetauscher installiert. Diese Bauteile aus Metallrohren kommen für die Übertragung von Wärme zum Einsatz. Dabei handelt es sich um eine effiziente Wärmepumpentechnologie.

Schritt 4: Entspannen des flüssigen Kältemittels durch das Expansionsventil

Das verflüssigte Kältemittel muss sowohl an Temperatur als auch an Druck verlieren, um wieder in seinen ursprünglichen Zustand zurückzukehren. Dafür sorgt das sogenannte Expansionsventil, das den Druck des Kältemittels reduziert. Im Zuge dessen kühlt sich die Flüssigkeit wieder auf das Anfangsniveau ab. So kann das Kältemittel wieder Wärme aus der Wärmequelle aufnehmen. Das Wärmeträgermedium gelangt zurück zum Verdampfer und schließt den Kreislauf der Wärmepumpe.

Kühlen mit der Wärmepumpe

Eine Wärmepumpe kann ihre Funktion mit Zusatzkomponenten umkehren. So lässt sich die Heizung zur Kühlung umfunktionieren. Grundsätzlich müssen Sie dabei zwischen der aktiven und der passiven Kühlung unterscheiden.

1. Passive Kühlung mit der Wärmepumpe

   Bei der passiven Kühlung führt eine Umwälzpumpe die überschüssige Wärme im Gebäude über ein Drei-Wege-Ventil an der Wärmepumpe vorbei in den kühlen Untergrund ab. Dabei reicht der Temperaturunterschied zwischen Erdboden beziehungsweise Grundwasser und Wohnraum aus. Nur der Heizwasserkreislauf und der Kreislauf der Wärmequelle sind aktiv. Mit einer Luftwärmepumpe ist passives Kühlen nicht möglich.

2. Aktive Kühlung mit der Wärmepumpe

   Bei der aktiven Kühlung fungiert die Wärmepumpe als Kühlaggregat, wobei der Verdichter in Betrieb ist. Dabei wird der Kühlmittelkreislauf umgekehrt. Zu Beginn des Kreislaufs steht nicht die Gewinnung der Wärme aus der Außenluft, der Erde oder des Grundwassers. Der zweite Wärmetauscher überträgt stattdessen die thermische Energie aus dem Inneren des Hauses auf den Kältemittelkreislauf und arbeitet nun als Verdampfer. Die aktive Kühlung senkt die Raumtemperatur um 3 bis 4°C ab.

   Damit der gleiche Kreislauf auch für die Kühlung funktioniert, muss ein Vier-Wege-Umschaltventil und ein zweites Expansionsventil verbaut sein. Sowohl die Sole/Wasser-Wärmepumpe als auch die Luft/Wasser-Wärmepumpen können aktiv kühlen.

Die Komponenten zur aktiven und passiven Kühlung lassen sich bei vielen Wärmepumpen nachrüsten. Achten Sie gleich bei der Auswahl einer neuen Wärmepumpe auf die Kühloption, falls sie für Sie relevant ist.

Was kann den effizienten Betrieb einer Wärmepumpe beeinträchtigen?

Durch verschiedene Faktoren kann die Funktion einer Wärmepumpe beeinträchtigt sein. So lassen sich Störungen und Effizienzprobleme beheben:

Richtige Größe wählen

Die Leistung beziehungsweise Dimensionierung der Wärmepumpe sollte zum Haus passen. Eine zu klein dimensionierte Anlage kann den Wohnraum nicht effizient heizen. Eine zu groß gewählte Wärmepumpe ist ebenfalls ineffizient. In der Übergangszeit kommt es zu häufigen und zu kurzen Laufzeiten, die den Stromverbrauch in die Höhe treiben. Denn kalte Frühlingsmorgen oder winterliche Herbsttage schaffen nur kurz Bedarf, die Wohnräume zu beheizen.

Ein Pufferspeicher sorgt dafür, dass die Wärmepumpe gleichmäßiger arbeitet und noch effizienter funktioniert. Um die passende Größe und Leistung für die Wärmepumpe zu finden, empfiehlt sich eine genaue Bedarfsberechnung.

Elektrischer Heizstab

Luftwärmepumpen nutzen die Luft aus der Umgebung zur Wärmeerzeugung. Bei ungewöhnlich niedrigen Temperaturen müssen Sie mehr Energie als beispielsweise eine Erdwärmepumpe aufbereiten. Die Erdwärmepumpe ist tiefer im Erdreich und arbeitet deswegen immer mit fast gleichen Temperaturen. Wenn die Außentemperatur unter besonders tiefe Minusgrade fällt, kommt im schlecht gedämmten Gebäude deswegen unter Umständen ein integrierter elektrischer Heizstab zum Einsatz. Wählen Sie ein besonders effizientes Wärmepumpen-Modell, um das zu vermeiden.

Wärmepumpe hydraulisch abgleichen

Ein fehlender hydraulischer Abgleich kann die Wärmeverteilung im Haus beeinträchtigen. Dann werden die Heizkörper oder die Fußbodenheizung nahe der Wärmequelle besser mit Wärme versorgt als weiter entfernte. Der hydraulische Abgleich bewirkt, dass das Heizwasser alle Heizkörper und Heizflächen gleichermaßen mit Wärme versorgt.

Vor dem Kauf einer Wärmepumpe Fachbetrieb kontaktieren

Bevor Sie eine Wärmepumpe kaufen, sind Sie damit konfrontiert, welcher Typ zu Ihren Bedürfnissen passt. Dabei spielen unter anderem die Funktionsweise, die verschiedenen Arten mit ihren Vor- und Nachteilen und die Kosten eine Rolle. Auch wenn alle Wärmepumpen ein Grundprinzip eint, ist ihre Umsetzung je nach Wärmequelle mit mehr oder weniger Aufwand verbunden.

In diesem Zusammenhang kristallisieren sich Wärmepumpen auch im Bestandsgebäude als effiziente und klimafreundliche Heizung heraus. Ob die weit verbreitete und vergleichsweise einfach umsetzbare Luft/Wasser-Wärmepumpe für Sie lukrativ ist, kann ein Fachbetrieb fundiert bewerten. Im Gegensatz zur Erdwärme- und Wasserwärmepumpe ist die Luftwärmepumpe sehr platzsparend und besonders unkompliziert bei der Installation.

¹ Umweltbundesamt: Energieverbrauch privater Haushalte