Die Wärmepumpe: Funktion und Nutzen

Schritt für Schritt
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Gehört hat man ja schon viel von ihr und von ihren vielen Vorteilen. Doch obwohl sie in so gut wie jedem Energie-Ratgeber Erwähnung findet, fragen sich noch immer viele Menschen: Was ist eigentlich eine Wärmepumpe? Funktion und Nutzen einer Wärmepumpe werden vielerorts hervorgestrichen und hochgelobt, doch selten wird so recht klar, worum es sich dabei eigentlich handelt. Wir wollen bei dem Thema noch einmal ganz von vorne anfangen und in aller Ruhe erklären, was die Wärmepumpe ist, was sie kann und warum sie es kann. So ist der Durchblick garantiert, um sich intensiver mit dem Thema auseinanderzusetzen.

Was ist eigentlich eine Wärmepumpe?

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© Bundesverband Wärmepumpe | Mit einer im Haus installierten Wärmepumpe kann es schon mal unübersichtlich werden im Heizkreislauf. Das…

Eine Wärmepumpe ist prinzipiell ein maschineller Kreislauf, der dazu dient, natürliche Wärme aus Luft, Grundwasser oder Erdreich zu gewinnen, um sie anschließend als Nutzwärme an einen Haushalt abzugeben. Dazu ist in der Regel eine elektrische Antriebsquelle erforderlich. Die gewonnene Wärme kann zur Einspeisung in das Heizsystem vorgesehen sein oder auch zur Warmwasseraufbereitung. In letzterem Fall wird speziell von einer Warmwasser- oder auch Brauchwasser-Wärmepumpe gesprochen. Der Begriff einer "Pumpe" wird verwendet, weil die gewonnene Energie vor der Nutzung durch Kompression auf ein höheres Temperaturniveau gebracht, anders gesagt: "gepumpt" wird.

Das Spannende an einer Wärmepumpe ist, dass die erforderliche Wärmeenergie nicht aus fossilen Brennstoffen, sondern aus natürlicher Umgebungswärme gewonnen wird. Das ist umso erstaunlicher, als die verfügbaren Wärmequellen mit Luft, Erdwärme und Grundwasser eigentlich vergleichsweise kühl sind. Niemand wird behaupten wollen, dass Grundwasser besonders warm ist. Die Temperatur in den für Erdwärmepumpen nutzbaren Bodenschichten beträgt gerade einmal um die 8-10 Grad. Dennoch dient beides als Energiequelle für die Wärmepumpe. Und Außenluft kann selbst um den Gefrierpunkt herum noch Wärme an den Haushalt liefern. Wie ist das möglich?

Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

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© Bundesverband Wärmepumpe | Der Lufteinzug einer Luftwärmepumpe macht sich im Garten sichtlich bemerkbar. Auch arbeitet er nicht völlig…

Um genau verstehen zu können, wie eine Wärmepumpe funktioniert, hilft es tatsächlich noch immer am besten, einen bereits reichlich strapazierten Vergleich heranzuziehen. Denn die Wärmepumpe ist von ihrer Funktion her direkt verwandt mit unser aller Haushaltsgerät Nr. 1, dem Kühlschrank! Genau wie in dem praktischen Küchenhelfer findet sich in der Wärmepumpe ein Flüssigkeitskreislauf mit einem flüchtigen Kühlmittel, das schon bei seichten Temperaturschwellen verdampft. Bei der Umwandlung vom flüssigen in den gasförmigen Zustand entzieht das Kühlmittel seiner Umgebung Wärmeenergie und trägt diese im Kreislauf mit sich fort.

Dank des niedrigen Siedepunkts erfolgt der beschriebene Energietransfer selbst bei relativ kühlen Umgebungstemperaturen. Anders als beim Kühlschrank, bei dem der Mensch genau auf diesen Effekt setzt, um das Innere des Geräts kalt zu halten, will er bei der Wärmepumpe aber lieber am anderen Ende des Kreislaufs profitieren – nämlich dort, wo die im Kreislauf gespeicherte Energie wieder freigesetzt wird.

Der Aufbau einer Wärmepumpe

Wie lassen sich bei einer Wärmepumpe Funktion und Prinzip im Detail darstellen? Nun, das ist eigentlich gar nicht so schwer. Grundsätzlich braucht es im Herzen der Wärmepumpe zunächst ein Kreislaufsystem, durch welches ein flüssiges Kühlmittel geführt wird. In einem speziellen Wärmetauscher, dem sogenannten Verdampfer, wird über einen externen Wasser- bzw. Luftkreislauf die Umweltwärme an den Kühlmittelkreislauf herangeführt. Das Kühlmittel kann dank dieses Arrangements Wärmeenergie aufnehmen, wobei es aufgrund seiner niedrigen Siedetemperatur sofort in den gasförmigen Zustand übergeht. Die Energie bleibt nun in dem gasförmigen Mittel gespeichert und wird von diesem weiter durch den Kreislauf der Wärmepumpe geführt.

Nun gelangt das Kühlmittel in einen Verdichter, wo es auf ein geringeres Volumen zusammengedrückt und somit verdichtet wird. Mit dem Druck steigt aber auch die Temperatur in dem Gas weiter an. Das Medium wird dadurch auf ein höheres Temperatur-Niveau gepumpt. Für diesen Vorgang ist der Einsatz externer Antriebsenergie notwendig – zumeist in Form von Elektrizität. Die Wärmpumpe erzeugt also nicht nur Wärme, sondern verbraucht dabei durchaus auch selbst Energie.

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© Bundesverband Wärmepumpe | Wie arbeitet eine Wärmepumpe? Funktion und Kreislauf werden an diesem Schaubild deutlich: Mit Wärmeenergie aus…

Schließlich gelangt das verdichtete und erhitzte Gas in den Wärmetauscher. Hier kann die gespeicherte Energie endlich abgegeben werden, z.B. an den Heizkreislauf oder einen Warmwasserspeicher. Das dabei abkühlende Gas kondensiert und wandelt sich wieder in eine Flüssgkeit um. Deshalb wird dieser Bereich auch Kondensator genannt. Das kühlere, aber immer noch verdichtete Kühlmittel passiert schließlich ein Expansionsventil, wo nach der Wärmeabgabe auch eine Druckentlastung erfolgt. Von nun an kann der Kreislauf in der Wärmepumpe neu beginnen.

Die Wärmepumpe umfasst damit als komplettes Wärmetauschsystem eigentlich gleich drei Kreisläufe: den Wärmequellkreislauf, der von außerhalb die Umweltwärme aufnimmt und an die Wärmepumpe heranführt; den Kühlmittelkreislauf der Wärmepumpe, über den die Umweltwärme als Wärmeenergie nutzbar gemacht wird; und den angebundenen Heizungskreislauf, der die Wärmeenergie schließlich im Haus verteilt. Wird mit dem Begriff Wärmepumpe dagegen einzig das eigentliche Gerät angesprochen, so ist damit nur der zentrale Kühlmittelkreislauf gemeint.

Welchen Nutzen hat eine Wärmepumpe?

Wärmepumpen bieten einige beachtenswerte Vorteile, die aber nicht in jedem Fall gelten. So sind für den laufenden Betrieb und die eigentliche Wärmegewinnung keine zusätzliche Energieträger wie Öl, Gas, Koks oder Pellets erforderlich. Das hält die laufenden Kosten erfreulich niedrig und spart Platz im Haus. Andererseits arbeitet die Wärmepumpe, Funktion und Effizienz betreffend, am besten, wenn die Vorlauftemperatur im Heizungskreislauf möglichst niedrig ist. Wärmepumpen bieten sich somit vor allem dann an, wenn mit ihnen Niedertemperaturheizungen, also Flächenheizungen wie Fußboden- oder Wandheizung betrieben werden sollen. Kommt im Haus dagegen bereits ein elektrisches Heizsystem, z.B. eine Infrarotheizung, zum Einsatz, kann eine zusätzliche Wärmepumpe dennoch von Nutzen sein. Denn diese übernimmt hier die Warmwasseraufbereitung, welche sich in einem solchen Szenario nicht über den Heizungskreislauf realisieren ließe.

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© Bundesverband Wärmepumpe | Wärmepumpen nehmen nicht viel Platz ein und ersparen außerdem noch den zusätzlichen Vorratsraum für Heizmittel…

Es braucht nicht noch einmal gesondert darauf hingewiesen zu werden, dass eine Wärmepumpe aus ökologischer Sicht eine besonders schonende Form der Wärmegewinnung darstellt. Denn die genutzte Energie wird aus natürlicher Umgebungswärme gewonnen und nicht unter Erzeugung von Schadstoffen produziert. Diese Bilanz wird allenfalls etwas getrübt durch die Notwendigkeit elektrischer Energie, die zur Betreibung des Kompressors eingespeist werden muss. Daher zeichnen sich effiziente Wärmepumpen durch ein besonders hohes Verhältnis der verfügbar gemachten Wärmeleistung zur eingesetzten elektrischen Energie aus. Beschrieben wird dieses Verhältnis durch die sogenannte Leistungszahl. Doch damit beschäftigen wir uns im nächsten Teil dieser Serie.

© Bundesverband Wärmepumpe | Mit einer im Haus installierten Wärmepumpe kann es schon mal unübersichtlich werden im Heizkreislauf. Das Prinzip dahinter ist letztlich aber gar nicht so schwer zu verstehen. Deshalb muss sich niemand vor der Wärmepumpe fürchten.
© Bundesverband Wärmepumpe | Der Lufteinzug einer Luftwärmepumpe macht sich im Garten sichtlich bemerkbar. Auch arbeitet er nicht völlig geräuschlos. Dafür jedoch sind Luftwärmepumpen die mit Abstand günstigste Variante der Wärmepumpe.
© Bundesverband Wärmepumpe | Wie arbeitet eine Wärmepumpe? Funktion und Kreislauf werden an diesem Schaubild deutlich: Mit Wärmeenergie aus dem Quellkreislauf versorgt, verdampft das Kühlmittel in der Wärmepumpe und wird anschließend in einem Kompressor verdichtet. Dabei steigt auch die Temperatur. Anschließend gibt das Kühlmittel die Wärme im Kondensator an den Heizkreislauf weiter, wo es aufgrund der Abkühlung wieder flüssig wird. Ein Expansionsventil nimmt schließlich den Druck heraus, und der Kreislauf beginnt erneut.
© Bundesverband Wärmepumpe | Wärmepumpen nehmen nicht viel Platz ein und ersparen außerdem noch den zusätzlichen Vorratsraum für Heizmittel wie Öl oder Pellets. Eine Brauchwasser-Wärmepumpe ohne Anbindung an die Heizung kann dabei die benötigte Wärmeenergie schon aus der Abwärme von Waschmaschine und Trockner beziehen – eine besonders sparsame Konstellation.