Wie funktioniert eine Wärmepumpe? Die Technologie einfach erklärt

Berlin. Wärmepumpen spielen eine grolle Rolle bei der Wärme- und Energiewende. Wie funktioniert sie? Die Funktionsweise einfach erklärt.

Wie funktioniert eine Wärmepumpe? Die Technologie sorgt derzeit für große Debatten
Viele Hausbesitzer überlegen, ob eine Anschaffung für sie sinnvoll sein könnte
Hier finden Sie alles zur Funktionsweise von Wärmepumpen

Die Ampelkoalition schreibt in ihrem Heizungsgesetz vor, dass ab dem kommenden Jahr alle neu installierten Heizungen zu 65 Prozent mit erneuerbaren Energien betrieben werden müssen. Das soll zumindest mittel- bis langfristig das Aus für Gas- und Ölheizungen bedeuten. Ab 2024 kommen vor allem Wärmepumpen als Heizsystem in Frage. Die Wärmepumpentechnologie hat sich in den letzten Jahren als eine der effizientesten und umweltfreundlichsten Möglichkeiten zum Heizen und Kühlen von Gebäuden erwiesen.

Funktionen der Wärmepumpe: Wie funktionieren Wärmepumpen?

Wärmepumpen funktionieren im Prinzip wie Kühlschränke – mit dem Unterschied, dass für den Heizbetrieb nicht Kälte, sondern Wärme erzeugt wird. Während der Kühlschrank seinem Innenraum Wärme entzieht und diese nach außen abgibt, um die Lebensmittel zu kühlen, entzieht die Wärmepumpe umgekehrt der Umgebung (Luft, Wasser oder Erde) Wärme und heizt damit die Wohnräume.

Der Aufbau einer Wärmepumpe setzt sich aus drei Komponenten zusammen, mit denen das Wärmepumpensystem arbeitet.

Die Wärmequelle (Luft, Erdreich, Grundwasser), der die Energie aus der Umwelt entzogen wird.
Die Wärmepumpe, die die gewonnene Umweltwärme mittels Wärmepumpentechnik nutzbar macht.
Das Wärmeverteil- und Speichersystem, das die Wärme an die Wohnräume verteilt bzw. speichert.

Die Komponenten einer Wärmepumpe ermöglichen erst im Zusammenspiel die Nutzung von Umweltenergie.

Zur Erzeugung von Heizwärme wird in der Wärmepumpe ein Kältemittel in einem geschlossenen Kreislauf verdampft, verdichtet, verflüssigt und wieder entspannt. Im Verdampfer entzieht das Kältemittel der Umgebung Wärme und verdampft. Um die Temperatur auf ein für das Heizsystem nutzbares Niveau anzuheben, erhöht der Verdichter mit Hilfe von Strom den Druck. Im Kondensator gibt das Kältemittel die Wärme an das Heizsystem ab und verflüssigt sich dabei. Schließlich entspannt sich das Kältemittel im Expansionsventil und der Kreislauf beginnt von neuem.

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Was sind die Hauptkomponenten einer Wärmepumpe?

Eine Wärmepumpe besteht im Wesentlichen aus vier Hauptkomponenten: dem Verdampfer, dem Kompressor, dem Verflüssiger und dem Expansionsventil. Diese Komponenten bilden zusammen den geschlossenen Kältemittelkreislauf, der für die Wärmeübertragung verantwortlich ist.

Alle Hauptkomponenten einer Wärmepumpe im Detail erklärt:

1. Verdampfer

In einer Wärmepumpenanlage spielt der Verdampfer eine entscheidende Rolle, da er die Aufgabe hat, die notwendige Wärmeenergie aus der Umgebung (Luft, Erdreich, Grundwasser) aufzunehmen, damit die Wärmepumpe effizient arbeiten kann. Im Verdampfer geht das Kältemittel von seinem flüssigen in einen gasförmigen Zustand über. Der Verdampfer ist also ein Wärmetauscher zwischen zwei Medien: dem Kältemittel und der externen Energiequelle.

2. Kompressor

Ein Verdichter oder Kompressor ist ein elektrisch betriebenes Bauteil, das Kältemitteldampf ansaugt und verdichtet, um den Druck im Inneren zu erhöhen. In einer Wärmepumpe dient der Verdichter dazu, das gasförmig gewordene Kältemittel weiter zu erhitzen, um die gewünschte Temperatur zu erreichen.

3. Verflüssiger

Der Verflüssiger (auch Kondensator genannt) einer Wärmepumpe besteht aus einem Wärmetauscher, durch den das erwärmte und verdichtete Kältemittel an das Wärmeverteilsystem abgegeben wird. Während sich das Kältemittel abkühlt, wird die Wärme an das Heizsystem abgegeben.

4. Expansionsventil

Das Entspannungs- oder Expansionsventil dient dazu, den Druck des Kältemittels zu verringern, damit es in seinen Ausgangszustand zurückkehren kann. Im Einzelnen sorgt das Expansionsventil dafür, dass das Kältemittel so viel Druck und Temperatur verliert, dass die Temperatur wieder unter der der Wärmequelle liegt. Dadurch kann das abgekühlte flüssige Kältemittel im Verdampfer wieder Wärme aus der Wärmequelle aufnehmen. Der Wärmepumpenprozess kann anschließend von neuem beginnen.

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Hat eine Wärmepumpe Heiz- und Kühlfunktionen?

Wärmepumpen können sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen von Gebäuden eingesetzt werden und nutzen für ihren Betrieb hauptsächlich die Umgebungswärme und nur wenig Strom. Im Heizbetrieb wird der Umwelt Wärme entzogen und an das Heizsystem abgegeben. Im Kühlbetrieb wird das Prinzip umgekehrt: Die Wärmepumpe entzieht dem Gebäude Wärme und gibt sie an die Umgebung ab; die Wärmepumpe funktioniert hier wie ein Kühlschrank.

Hier finden Sie eine Tabelle, die die Heiz- und Kühlfunktion von Wärmepumpen vergleicht:

Funktion	Heizen mit Wärmepumpe	Kühlen mit Wärmepumpe
Funktionsweise	Der Umgebungsluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser wird Wärme entzogen und auf ein höheres Temperaturniveau gebracht.	Die Wärme wird dem Innenraum entzogen und nach außen abgeführt.
Effizienz	Sehr hoher Wirkungsgrad, da die Wärmeenergie der Umgebung entzogen wird.	Etwas geringerer Wirkungsgrad als beim Heizen, da die Temperaturdifferenz zwischen Innen- und Außenluft geringer ist.
Investitionskosten	Relativ hohe Anschaffungskosten, dafür niedrigere Betriebskosten als bei konventionellen Heizsystemen.	Relativ hohe Anschaffungskosten, aber geringere Betriebskosten als bei konventionellen Kühlsystemen.
Anwendungsbereich	Geeignet für Neubau und Sanierung, insbesondere bei guter Dämmung und geringem Heizwärmebedarf.	Geeignet für Neubau und Sanierung, insbesondere bei guter Dämmung und hohem Kühlbedarf.
Umweltverträglichkeit	Sehr umweltfreundlich, da erneuerbare Energiequellen genutzt werden.	Weniger umweltfreundlich als Heizen, da Energie benötigt wird, um die Wärme von innen nach außen zu transportieren.

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Welche Energiequellen nutzen Wärmepumpen?

Wärmepumpen können verschiedene Energiequellen nutzen, um Wärme aufzunehmen und abzugeben. Die häufigsten Energiequellen sind Luft, Wasser und Erde. Luftwärmepumpen entziehen der Umgebungsluft Wärme, während Erdwärmepumpen Wärme aus dem Erdreich beziehen. Wasserwärmepumpen nutzen die Wärme aus Grund- oder Oberflächenwasser. Auch Prozessenergie aus Abluft oder sogar Abwasser sind möglich, ebenso die gespeicherte Energie aus Eisspeichern.

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Was sind Vorteile und Nachteile von Wärmepumpen?

Wärmepumpen bieten eine Alternative zu Heizsystemen auf Basis fossiler Brennstoffe und tragen zur Unabhängigkeit von Heizöl und Erdgas bei. Außerdem gewinnen sie Wärme aus erneuerbaren Energien und tragen zur CO2-Reduzierung bei.

Doch die Nutzung erneuerbarer Energien allein macht das System noch nicht klimafreundlich. Denn Wärmepumpen brauchen viel Strom, und der kommt immer noch zu einem großen Teil aus klimaschädlichen Kohlekraftwerken.

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Je mehr Strom aus Wind, Sonne und anderen erneuerbaren Energien künftig zum allgemeinen Strommix beiträgt, desto klimafreundlicher wird die Wärmepumpe. Wer seine Wärmepumpe schon heute mit Ökostrom betreiben will, sollte einen Gütesiegeltarif wählen oder den hauseigenen Solarstrom vom Dach nutzen.

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Für wen lohnt sich eine Wärmepumpe?

Elektrische Wärmepumpen sind heute die am häufigsten installierte Heizungsart in Neubauten. Aber auch in Altbauten und anderen bestehenden Gebäuden können Wärmepumpen effizient und umweltfreundlich betrieben werden. Allerdings müssen vor dem Umstieg wichtige Voraussetzungen erfüllt sein, damit die Heizung nicht zu viel Strom verbraucht und weder dem Klima noch dem eigenen Geldbeutel Vorteile bringt.

Folgende Voraussetzungen müssen erfüllt sein:

Guter Wärmeschutz des Gebäudes: Dämmung und moderne Fenster sind hier vorbildlich, damit nicht zu viel Wärme ungenutzt verloren geht.
Große Heizkörper: Idealerweise verfügt das Gebäude über eine Fußboden- oder Wandheizung, da dann schon niedrige Heizwassertemperaturen ausreichen, um das Haus zu erwärmen.

Ist beides noch nicht vorhanden, kann der Sanierungszustand des Hauses durch nachträgliche Fassadendämmung, Austausch der Fenster oder einzelner Heizkörper verbessert werden.

Vor der Beauftragung eines Heizungsfachbetriebes ist es ratsam, sich über die Energiebilanz des gesamten Hauses und die benötigte Heizleistung beraten zu lassen. So kann man herausfinden, ob das eigene Gebäude für eine Wärmepumpe geeignet ist und eine fundierte Entscheidung treffen. Denn eine Wärmepumpe lohnt sich nur dann, wenn die Summe der Einsparungen beim Gas beziehungsweise Öl größer sind als der erhöhte Stromeinsatz.

Wie funktioniert eine Wärmepumpe? Technologie leicht erklärt

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