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Wie funktioniert eine Wärmepumpe? Das Funktionsprinzip einer Wärmepumpe

Die Wärmepumpe ist DIE Technologie für nachhaltiges Heizen in der Zukunft und damit ein zentraler Baustein der Energiewende. Im Winter macht sie unabhängig von fossiler Energie und beschert uns neben warmen Heizkörpern oder Flächenheizungen ein gutes Klimagewissen.

Wärmepumpen haben Ihren Ursprung bereits im 19. Jahrhundert. Durch die industrielle Revolution und zahlreiche weitere historische Ereignisse ist sie dennoch für sehr lange Zeit aus dem Fokus gerückt. Erst in den 1970er Jahren wurde, durch sehr hohe Erdölpreise, die Weiterentwicklung der Wärmepumpe für den privaten Bereich fokussiert. Ende der 1990er Jahre waren die Wärmepumpen, so wie wir sie heute kennen, serienreif.

Im Jahre 2020 wurde ein Meilenstein in Deutschland erreicht - die 1.000.000. Wärmepumpe wurde verbaut. (Quelle: BWP e.V.)

Was ist eine Wärmepumpe?

Unabhängig von der Bauart arbeitet jede Wärmepumpe mit einem Kältekreislauf: Ein Kältemittel nimmt Energie aus der Luft, dem Grundwasser oder der Erde auf und wird so lange auf ein höheres Temperaturniveau gepumpt, bis es vom Heizkörper oder der Warmwasserleitung im Haus genutzt und verteilt werden kann.

1873 gelang es dem Ingenieur Carl von Linde, den ersten funktionsfähigen Kältekreislauf zu bauen. Was viele nicht wissen: von Linde hat seine Wurzeln hier in Oberfranken, er kam nur wenige Kilometer von unserem Firmensitz in Kasendorf zur Welt. Seinen Forschungen und Entwicklungen zum Kühlen von Lebensmitteln haben wir nicht nur Lagerbier und Kühlschrank, sondern auch die Wärmepumpe zu verdanken, die nichts anderes ist als eine umgekehrte Kältemaschine. Im Kühlschrank führt das Kältemittel die Wärme aus dem Innenraum ab, in der Wärmepumpe wird die Wärmeenergie aus Luft, Erde oder Grundwasser nach innen transportiert. Aber der Reihe nach.

Warum heißt die Wärmepumpe so?

Die Antwort gibt der zweite Hauptsatz der Thermodynamik: „Wärme kann nicht von selbst von einem Körper mit niedriger Temperatur auf einen Körper mit höherer Temperatur übergehen.“ Je wärmer ein Körper, desto schneller bewegen sich seine Teilchen. Beim Zusammenstoß mit den Teilchen eines kalten Körpers geben sie Energie ab und werden selbst kühler. Im Kältekreislauf eines Kühlschranks und einer Wärmepumpe wird Wärme aber gegen die natürliche Fließrichtung gepumpt. Das funktioniert nur, wenn von außen elektrische Energie in Form von Strom zugeführt wird, um diesen Prozess kontinuierlich am Laufen zu halten.

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Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Viele Menschen, die eine Heizung ohne Öl und Gas anschaffen wollen, fragen sich: Wie funktioniert eine Wärmepumpe? Genau wie die ersten Wärmepumpen im 19. Jahrhundert nutzen auch die modernen Wärmepumpen weiterhin die vier Hauptkomponenten: einen Verdampfer, einen Verdichter / Kompressor, einen Verflüssiger / Kondensator und ein Expansionsventil / Entspannungsventil.

Grafik Funktionsweise Wärmepumpe

Die vier Prozessschritte für den Betrieb einer Wärmepumpe. Zur Erzeugung von Energie benötigt die Wärmepumpe 75% Umweltenergie und 25% Strom.

 

Die physikalischen Gesetze werden in den vier wesentlichen Komponenten einer Wärmepumpe also nicht außer Kraft gesetzt, sondern im Gegenteil bestmöglich für das Heizen mit regenerativer Energie, die Warmwassererzeugung und bei speziellen Wärmepumpen durch Umkehren des Prozesses auch zum Kühlen genutzt.

Im ersten Bauteil, dem Verdampfer nimmt das spezifische Kältemittel – ein flüssiges Gas oder Gasgemisch, das kälter ist als die Umwelt – bei niedrigem Druck die Wärmeenergie aus Luft, Grundwasser oder Erde auf und geht in den gasförmigen Zustand über, sprich, es verdampft.

Die Siedetemperaturen von Kältemitteln sind sehr niedrig. So siedet das natürliche Kältemittel Propan (R290), das bereits seit 1989 in ait-Geräten eingesetzt wird, bei normalem Atmosphärendruck bei minus 42,1 °C. Diese niedrigen Siedetemperaturen sind dafür verantwortlich, dass Wärmepumpen im Winter ihren Betrieb aufrechterhalten können und das Haus auch ohne zusätzliche Heizung mollig warm wird.

Im Verdichter oder auch Kompressor passiert jetzt das eigentliche Hochpumpen: Durch mechanische Krafteinwirkung wird das Gas verdichtet, der Druck steigt und das Kältemittel erwärmt sich weiter. In modernen Wärmepumpen werden Vorlauftemperaturen bis 70 °C erreicht. Erklären kann man dieses Phänomen mit dem Joule-Thomson-Effekt, den wir an vielen Stellen im Alltag beobachten: wenn das Deo kalt aus der Dose kommt, eine Fahrradpumpe durch den steigenden Druck warm wird, eine Schneekanone im Winter die Skipisten beschneit oder Vereisungsspray mit Minusgraden auf Sportverletzungen aufgesprüht wird. Der Verdichter ist auch das Bauteil, das für seinen Betrieb die größte Menge an elektrischem Strom benötigt.

Im Verflüssiger gibt das Gas seine Wärmeenergie an die Heizkörper ab und wird aufgrund der sinkenden Temperatur wieder flüssig.

Last, but not least, wird das Kältemittel im Expansionsventil wieder entspannt. Temperatur und Druck sinken auf das Ausgangsniveau und der Kreislauf für den nachhaltigen Betrieb Ihrer Heizung beginnt von vorne.

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Erklärvideo: Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Verschiedene Wärmequellen im Überblick

Luft/Wasser Wärmepumpen

Luft/Wasser-Wärmepumpen nutzen die Wärmeenergie aus der Außenluft und können entweder im Gebäude (Luft/Wasser-Wärmepumpen zur Innenaufstellung) platziert oder im Außenbereich, an Hauswand, im Garten oder auf Dachflächen platziert werden (Luft/Wasser-Wärmepumpen zur Außenaufstellung). Selbst bei Minustemperaturen arbeiten Luft/Wasser-Wärmepumpen noch immer sehr effizient.

Mehr zur Wärmequelle Luft

SOLE/WASSER WÄRMEPUMPEN

Sole/Wasser-Wärmepumpen nutzen die Wärmeenergie aus dem Erdreich und werden im Gebäudeinneren aufgestellt. Gewöhnlich werden Erdwärmepumpen mit Tiefenbohrungen (Erdsonden) oder Erdkollektoren betrieben. Außerdem können Sole/Wasser-Wärmepumpen mit sogenannten Erdkörben oder Ringgrabenkollektoren betrieben werden. In den Leitungen zur Wärmepumpe befindet sich ein Wasser/Glykol-Gemisch, auch Soleflüssigkeit genannt, welches die nötige Wärmeenergie an die Wärmepumpe liefert. Durch die konstanten Temperaturen von ca. 8 -12° C im Erdreich, ist der Betrieb von Sole/Wasser-Wärmepumpen sehr effizient und kostengünstig.

Mehr zur Wärmequelle Erde

Vor- und Nachteile einer Wärmepumpe

Vorteile

Nachteile

Unabhängigkeit von fossilen Energieträgern

Höherer Planungsaufwand, da teilweise
genehmigungspflichtig (Sole/Wasser-Wärmepumpen)

Hohe staatliche Förderungen (bis zu 70%)

Hohe Stromkosten bei fehlerhafter
Auslegung

Wertsteigerung der Immobilie

Geräuschentwicklung bei fehlerhafter
Positionierung (Luft/Wasser-Wärmepumpen
zur Außenaufstellung)

Hohe Effizienz = geringe Heizkosten

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CO2 freier Betrieb (Nutzung von Ökostrom oder PV)

-

Wartungsarmer Betrieb

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