Wärmepumpe Funktion: Energiebewusstes Bauen leicht gemacht

Wärmepumpen gelten als klimaschonende Alternative zum Heizen oder Kühlen und nutzen Wärme aus der Luft, aus dem Grundwasser oder aus der Erde für ihre Funktion. Die Umweltwärme wird unter Einsatz eines geringen Anteils an Strom und unter Zuhilfenahme einer Pumpe nutzbar.

Wärmepumpe Funktion: Effizient und klimaschonend

Wasser fließt normalerweise bergab – ohne weiteres Zutun. So ist es auch mit Wärme, die nach unten fällt bzw. von einem höheren zu einem tieferen Temperaturniveau sinkt. Die Wärmepumpe muss nun die Natur außer Kraft setzen und die Heizwärme entgegen ihres natürlichen Flusses pumpen.

Wärmepumpen greifen auf die Umweltwärme zu bzw. nehmen diese auf, dann wird die Temperatur hochgepumpt und die Heizwärme gelangt zum Heiz- und Brauchwasser. Die Pumpe muss umso weniger arbeiten, je geringer der Unterschied zwischen der vorhandenen und der tatsächlichen Temperatur ist. Daher setzt die Wärmepumpe bei ihrer Arbeit vor allem auf Wärmequellen, die auch im Winter nicht allzu weit hochgeheizt werden müssen. So zum Beispiel das Grundwasser oder auch eine Heizung, die mit einer niedrigen Vorlauftemperatur arbeiten kann.

Hier kommen die Flächenheizungen ins Spiel, die in Wohnungen als Fußbodenheizungen bekannt sind. Dadurch, dass die gesamte Fläche beheizt wird, ist eine geringere Temperatur ausreichend, um einen Raum angenehm zu temperieren. Ein Heizkörper hingegen verbreitet punktuell höhere Temperatur, die sich dann wieder im Raum verbreiten muss – es ist in der Nähe der Heizung wärmer, am anderen Ende des Raumes spürbar kühler.

Funktion der Wärmepumpe: Wärmegewinnung und Umwandlung

Ein Wärmepumpensystem funktioniert im Prinzip wie ein Kühlschrank – nur umgekehrt. Als Wärmequellen werden dabei beispielsweise Abluft oder Prozesswärme aus Abwasser sowie die Wärme von Luft, Wasser oder Erde genutzt. Diese wiederum gelangt durch das Sonnenlicht in das jeweilige „Ausgangswärmematerial“, welches das Licht in Form von Wärmeenergie speichert.

Soll Umweltwärme in für die Heizung nutzbare Wärme umgewandelt werden, so benötigen Wärmepumpen dafür elektrischen Strom. Dabei ist der Energiebedarf mit 25 Prozent vergleichsweise gering, denn die übrigen 75 Prozent werden mit der kostenlosen Umweltwärme gedeckt. Wird eine solarthermische Anlage zugeschaltet, erhöht sich übrigens der Effekt und die Effektivität der Anlage steigert sich.

Die Wirkung der Pumpe ist umso besser – bzw. ist sie deutlich effektiver – wenn der Temperaturhub gering ist. Das Verhältnis von Außen- und Systemtemperatur muss also so gering wie möglich sein.

Dabei gibt es zwei Arten von Wärmepumpen:

• Die Kompressionswärmepumpe
• Die Gaswärmepumpe (Ab- und Adsorptionspumpe)

Die erstgenannte Variante gilt als die die am häufigsten eingesetzte Pumpenart, wobei hier auf Verdampfungswärme gesetzt wird. Im Inneren der Pumpe befindet sich ein Kältemittel, welches zuerst den Verdampfer, dann den Kompressor, den Kondensator und das Expansionsventil in genau dieser Reihe durchläuft. Der Kreislauf mit diesem Kühlmittel ist geschlossen, der Antrieb erfolgt elektrisch.

Die Absorptionswärmepumpe setzt auch auf einen geschlossenen Kreislauf, dabei aber nicht auf das eingesetzte Kältemittel. Vielmehr erfolgt die Übertragung der Wärme über einen physikalisch-chemischen Prozess, die nötige Energie stammt von einer Wärmequelle. Nun kommt das Lösungsmittel zuerst zum Verdampfer, in dem das Fluid verdampft wird. Danach folgt der Kreislauf dem Kompressor, der elektrisch angetrieben wird und ein hohes Temperaturniveau erreicht. Alsdann ist der Kondensator das nächste Glied der Kette, wobei hier die Abgabe der Wärmeenergie an ein Heizmedium erfolgt. Das Fluid wird nun wieder flüssig und verlässt seinen gasförmigen Zustand. Der Druckabbau erfolgt danach im Expansionsventil.

Zu unterscheiden ist des Weiteren zwischen der bivalenten und der monovalenten Betriebsweise. Die bivalente Funktion kann den Wärmebedarf nur bis zu einer bestimmten Außentemperatur decken, die monovalente Funktion hingegen ist in der Lage, den Wärmebedarf das ganze Jahr über zu decken bzw. die benötigte Heizenergie zur Verfügung zu stellen.

 

Einfache Funktion der Wärmepumpe

Die Funktion der Wärmepumpenanlage ist denkbar einfach, wie auch der Bundesverband Wärmepumpe e. V.erklärt. Doch so einfach, wie die Technik ist, so genial ist sie auch! Zur Erklärung:

Das Wärmepumpensystem bzw. die zugehörige Heizungsanlage ist aus drei Teilen gefertigt. Es gibt die Wärmequellenanlage, die Pumpe und das Wärmeverteil- und Speichersystem. Die Wärmequellenanlage ist dafür zuständig, der Umgebung (Luft, Wasser, Erde) die nötige Heizwärme zu entziehen. Die Wärmepumpe selbst hat die Funktion, die Umweltwärme in einer nutzbaren Art und Weise zur Verfügung zu stellen. Das Wärmeverteil- und Speichersystem muss – wie der Name schon vermuten lässt – die Wärmeenergie im Haus und in allen Zimmern verteilen oder für die spätere Nutzung speichern.

Dabei erfolgt der gesamte Wärmegewinnungs- und –speicherprozess in drei Schritten:

1. Gewinnung der Wärmeenergie

   Die Wärmequellenanlage ist mit einer Flüssigkeit gefüllt, wobei es sich hier meistens um ein Kühlmittel handelt (Frostschutzmittel versetzt mit Wasser). Dieses Mittel ist in der Lage, aus der Umgebung Wärme aufzunehmen, sodass Wasser, Erde oder Luft „angezapft“ werden. Diese Wärmeenergie wird nun nach oben zur Pumpe transportiert. Bei einer Luft-Wärmepumpe ist dieser Schritt nicht nötig, sie saugen die Außenluft über einen installierten Ventilator ein und führen der Wärmepumpe die Umgebungswärme zu.

2. Nutzung der Wärmeenergie

   Die Pumpe besitzt, damit sie ihrer Funktion gerecht werden kann, einen eigenen Kreislauf. In diesem ist ein Kühlmittel vorhanden, welches hier zirkuliert. Die Umweltenergie wird in einem Verdampfer (auch Wärmetauscher genannt) von dem ersten Kreislauf übertragen und steht so für das Kältemittel bereit. Nun verdampft das Mittel. Handelt es sich um eine Luftwärmepumpe, so wird das Kältemittel durch die Außenluft erhitzt. Nun kann der entstandene Dampf zum Kompressor bzw. zum Verdichter weitergeleitet werden. Das Temperaturniveau hebt sich nun für das gasförmige Mittel, das heißt, es wird langsam wärmer. Nun nimmt ein weiterer Wärmetauscher seine Arbeit auf, er ist für die Kondensation des unter Druck stehenden und heißen Kältemittelfluids zuständig. Der Kondensator gibt in seiner Funktion den Druck des Mittels wieder ab. Nun ist dieses flüssig und entspannt und kann zum Verdampfer zurückgeführt werden. Damit beginnt Schritt 1 wieder von vorn.

3. Beheizen mit der Wärmepumpe

   Die Funktion der Wärmepumpe ist darauf ausgelegt, ein Gebäude beheizen zu können. Nun findet sich dort ein System, das die Heizwärme ebenso verteilen wie auch speichern kann. Im System zirkuliert das Heizmedium, was in den meisten Fällen Wasser ist. Dieses nimmt die Heizwärme mit, welche durch das Kältemittel im Verflüssiger aufgenommen worden ist, und leitet sie zum Verteilsystem. Dieses wird beispielsweise durch Heizkörper, die eine geringe Vorlauftemperatur benötigen, oder durch Flächenheizungen dargestellt. Möglich ist auch die Weiterleitung an den Warmwasserspeicher.

 

Besondere Funktion der Wärmepumpe: Mehr nehmen als geben

Das Kältemittel, das bei der Wärmepumpe die Funktion hat, die Heizwärme aufzunehmen, erfährt eine laufende Veränderung im System. Dabei ist bemerkenswert, dass es mehr Wärmeenergie abgeben kann, als es ursprünglich aufnehmen konnte. Möglich wird das durch eine andauernde Kompression und Ausdehnung – durch Verdampfung und Verflüssigung.

Wichtig ist im Zusammenhang mit der Wärmepumpe die Jahresarbeitskennzahl. Sie gilt als wichtigste Kennzahl für das gesamte System und bezeichnet das Verhältnis von bereitgestellter Menge an Wärmeenergie pro Jahr und der dafür benötigten Strommenge. Um dieses Zahl zu messen, muss ein Wärmemengenzähler angeschlossen sein. Auch herstellerseitig sind Wärmepumpen-Anlagen mit einer Jahresarbeitskennzahl versehen – diese sollte mit den tatsächlichen Werten vom Wärmemengenzähler verglichen werden. Im Zusammenhang mit diesen Nachmessungen sollte auch der Stromverbrauch ständig und vollständig aufgenommen werden, wobei die Warmwasserbereitung ebenso dazugehört wie die verwendeten Pumpen und eventuell der eingesetzte Elektroheizstab. Aus den gemessenen Werten lässt sich ein Überblick über alle Kosten erlangen, die das System pro Jahr verursacht.

 

Wärmepumpe in voller Funktion: Welche Kosten fallen an?

Ehe nun jemand über die Anschaffung einer Wärmepumpen-Anlage nachdenkt, sollte er sich über die möglichen Kosten ein Bild machen. Dabei ist es längst nicht nur mit der Anschaffung der Anlage getan, wenngleich diese sicherlich den größten Kostenfaktor ausmachen dürfte. Zuerst muss nämlich geprüft werden, ob die Anlage überhaupt funktionieren könnte und die Wärmepumpe in der geplanten Funktion Sinn macht.

Die nötigen Erdaushubarbeiten müssen bezahlt werden und schlagen mit mehreren Tausend Euro zu Buche. Erst dann, wenn alle Vorbereitungen getroffen wurden, geht es an die Anschaffung der Anlage, wobei es empfehlenswert ist, mehrere Anbieter preislich miteinander zu vergleichen. Die Luftwärmepumpe startet dabei ab 4000 Euro, am teuersten ist die Grundwasserwärmepumpe mit einem Anschaffungspreis ab 9.000 Euro. Dafür ist diese in den Verbrauchskosten die günstigste. Merke: Wärmepumpensysteme, die in der Anschaffung viel kosten, sind im Verbrauch günstig, Varianten mit einem niedrigen Anschaffungspreis sind im Verbrauch teurer. Wobei wir immer noch von mehreren Tausend Euro sprechen, auch wenn es sich um „günstige“ Anlagen handelt.

Nun sind noch die Betriebskosten zu nennen, die sich pro Jahr auf rund 150 Euro belaufen – hierzu zählt etwa die Wartung. Sollte eine Reparatur anfallen, wird dieser Punkt natürlich höher, lässt sich an dieser Stelle aber nicht genau beziffern. Eventuell können noch Zusatzkosten auftreten, die fallabhängig unterschiedlich sein können. Besonders häufig ist ein Pufferspeicher zusätzlich anzuschaffen, wobei die Preise für derartige Systeme ab 500 Euro beginnen.

Gut zu wissen: Ein hochwertiges Wärmepumpensystem arbeitet zuverlässig, die Gefahr einer nötigen Reparatur ist vergleichsweise gering, sofern Sie auf ein gutes Produkt und einen entsprechenden Einbauservice achten. Im Endeffekt haben Sie damit ein Heizsystem, welches klimaschonend und zuverlässig arbeitet und sich besonders effizient für Flächenheizungen nutzen lässt. Ein Vergleich mit einem anderen System? Kaum möglich, denn das Wärmepumpensystem beansprucht vielfältige Vorteile für sich und wartet kaum mit Nachteilen auf (abgesehen vom Preis).

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