Die Wärmepumpe gilt als eine der Schlüsseltechnologien für die Energiewende und eine nachhaltige Wärmeversorgung. Ihr Funktionsprinzip ist dabei weitaus weniger kompliziert, als man zunächst annehmen könnte: Es basiert auf einem Prozess, der dem Kühlschrankprinzip sehr ähnlich ist – nur umgekehrt. Die Wärmepumpe entzieht der Umgebung (Luft, Erde oder Wasser) selbst bei niedrigen Temperaturen Wärme und hebt diese mittels elektrischer Energie auf ein höheres, für die Heizung nutzbares Temperaturniveau an.
Das Grundprinzip: Wärme von Kalt nach Warm transportieren #
Nach den Gesetzen der Thermodynamik fließt Wärme normalerweise nur von einem wärmeren zu einem kälteren Körper. Eine Wärmepumpe überwindet dieses natürliche Gefälle. Sie benötigt dazu einen Kältemittelkreislauf und eine kleine Menge an Antriebsenergie (meist Strom für den Kompressor), um die Umweltwärme entgegen dem Temperaturgefälle anzuheben und in den Heizkreislauf des Gebäudes zu transportieren.
Im Detail wird dies durch einen sich ständig wiederholenden thermodynamischen Kreisprozess in vier Schritten ermöglicht:
Die 4 Schritte des Kältemittelkreislaufs #
Der Kern der Wärmepumpe ist ein geschlossener Kreislauf, in dem ein spezielles Kältemittel zirkuliert, das bereits bei sehr niedrigen Temperaturen verdampft.
1. Verdampfen (Wärmeaufnahme) #
Im Verdampfer nimmt das flüssige Kältemittel die Umweltwärme (z. B. aus der Außenluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser) über einen Wärmetauscher auf. Durch die aufgenommene Energie – selbst wenn diese nur wenige Grad beträgt – erreicht das Kältemittel seinen Siedepunkt und verdampft. Es wird gasförmig.
2. Verdichten (Temperaturanhebung) #
Das nun gasförmige Kältemittel wird anschließend vom Verdichter (Kompressor), der elektrisch betrieben wird, stark zusammengepresst. Durch diesen rapiden Anstieg des Drucks steigt auch die Temperatur des Kältemitteldampfes massiv an – auf bis zu über 80 °C. Das ist die nutzbare Heizwärme.
3. Verflüssigen/Kondensieren (Wärmeabgabe) #
Der heiße, unter hohem Druck stehende Kältemitteldampf gelangt in den Verflüssiger (Kondensator). Hier trifft er auf das Heizungswasser des Hauses (z. B. für Fußbodenheizung oder Radiatoren). Das Kältemittel gibt seine hohe Wärmeenergie über einen weiteren Wärmetauscher an das Heizsystem ab, kühlt dabei stark ab und wird wieder flüssig. Die freigegebene Wärmeenergie wird nun zur Beheizung des Gebäudes genutzt.
4. Entspannen (Druckreduzierung) #
Bevor der Kreislauf von vorne beginnt, muss der Druck des nun wieder flüssigen, aber noch warmen Kältemittels reduziert werden. Dies geschieht durch ein Expansions- oder Drosselventil. Der Druckabfall führt dazu, dass das Kältemittel auf seine ursprüngliche, sehr niedrige Ausgangstemperatur abkühlt und bereit ist, im Verdampfer erneut Umweltwärme aufzunehmen.
Die Wärmequellen: Woher kommt die Energie? #
Wärmepumpen nutzen unterschiedliche, stets verfügbare Energiequellen:
| Wärmepumpen-Typ | Wärmequelle | Beschreibung |
|---|---|---|
| Luft-Wasser-Wärmepumpe | Außenluft | Am weitesten verbreitet, entzieht der Umgebungsluft die Wärme. Am einfachsten zu installieren. |
| Sole-Wasser-Wärmepumpe | Erdreich | Nutzt die konstante Wärme des Erdreichs über Erdsonden oder Flächenkollektoren. Sehr effizient, benötigt aber größere Flächen oder Tiefenbohrungen. |
| Wasser-Wasser-Wärmepumpe | Grundwasser | Nutzt die relativ hohe und konstante Temperatur des Grundwassers. Sehr hohe Effizienz, benötigt aber eine Genehmigung und Förder- sowie Schluckbrunnen. |
Effizienz: Die Jahresarbeitszahl (JAZ) #
Die Jahresarbeitszahl (JAZ) ist das zentrale Maß für die Effizienz einer Wärmepumpe. Sie gibt das Verhältnis von über das Jahr abgegebener Heizenergie zur dafür eingesetzten elektrischen Energie an. Eine JAZ von 4 bedeutet beispielsweise, dass die Wärmepumpe aus 1 kWh Strom 4 kWh Wärmeenergie erzeugt hat. Je höher die JAZ, desto effizienter und kostengünstiger arbeitet die Anlage.
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