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Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Möglicherweise haben Sie bereits von Wärmepumpen als Option für die Bereitstellung von Warmwasser sowie Heizung oder Kühlung in Innenräumen gehört. Falls Sie sich jedoch fragen, wie genau Wärmepumpen funktionieren, bietet unser Artikel einen umfassenden Überblick über das System sowie dessen Vor- und Nachteile.

Wie funktioniert eine Wärmepumpe?
Wärmepumpen
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Inhalt

Einführung in Wärmepumpen

Die Verwendung von Wärmepumpen zum Heizen ist keine neue Entwicklung der letzten Jahre. Tatsächlich ist das Prinzip der Wärmepumpe bereits seit über 100 Jahren bekannt. Obwohl sich die Grundprinzipien der heutigen Wärmepumpen kaum verändert haben, ist es heutzutage möglich, deutlich kleinere und kostengünstigere Geräte zu entwickeln, die problemlos die Heizanforderungen eines Standardwohnhauses erfüllen können. Darüber hinaus können Wärmepumpen die Betriebskosten für Ihr Haus senken.

Das ist auch der Grund, warum die Bedeutung von Wärmepumpen in den heutigen Energiesystemen zunimmt. Wenn Sie die Gesamtkosten für den Kauf einer Wärmepumpe und eines Heizsystems betrachten, können Sie selbst berechnen, wie lange es dauert, bis sich Ihre Investition amortisiert hat. Im Allgemeinen gilt: Je geringer der Energiebedarf für die Beheizung Ihres Hauses ist, desto länger dauert es, bis sich die Investition in ein effizienteres Heizsystem amortisiert hat.

In diesen Monaten haben Sie auch die Möglichkeit, von der sogenannten Kesseltausch Förderung Gebrauch zu machen. Dadurch können Sie ein Großteil der Kosten für die Wärmepumpe erstattet bekommen, je nach Kategorie, in der Sie sich befinden.

Das Funktionsprinzip einer Wärmepumpe

Stellen Sie sich das Konzept einfach wie einen umgekehrten Kühlschrank vor: Wärme wird auf der einen Seite aufgenommen und auf der anderen Seite abgegeben. Während bei einem herkömmlichen Kühlschrank die Wärme ein Nebenprodukt ist, ist sie bei einer Wärmepumpe ein erwünschtes Phänomen.

Der Betrieb einer Wärmepumpe gliedert sich in drei Phasen. Wir werden das Prinzip anhand von Luft-Wasser-Wärmepumpen veranschaulichen. Diese Phasen können kurz wie folgt beschrieben werden: Zunächst wird der Umgebungsluft Wärme entzogen, dann wird ihre Temperatur erhöht, und schließlich wird die erzeugte Wärme im Haus genutzt. Im Folgenden wird die Funktionsweise der einzelnen Schritte genauer erläutert.

1. Entzug von Wärme aus der Luft

In der Luft befindet sich Wärmeenergie, die Sie mit einer Wärmepumpe nutzen wollen. Das können Sie mit einem Verdampfer tun. Stellen Sie sich diesen als eine Reihe von Rohren vor, durch die ein Kältemittel zirkuliert (bei Schlieger verwenden wir das Kältemittel Green Gas R32). Die Temperatur des Kältemittels ist immer niedriger als die Temperatur der Luft, die es umströmt, und deshalb kann das Kältemittel der Luft Wärme entziehen.

Das Kältemittel kann eine Temperatur von bis zu -25 °C erreichen und gewinnt somit Wärme, selbst wenn die Außentemperatur unter Null Grad liegt. Angenommen, die Außentemperatur beträgt etwa -2 °C und das Kältemittel im Verdampfer hat -4 °C. Die Luft ist also zwei Grad wärmer und kann daher das Kältemittel erwärmen. Diese Wärme wird dann auf den Kompressor übertragen.

2. Erhöhung der Kältemittel-Temperatur

Der Verdichter komprimiert das Kältemittel stark, wodurch es sich schnell erwärmt (bis zu 120 °C) und seinen Zustand von flüssig zu gasförmig ändert. Sie können das Prinzip der Erwärmung beim Verdichten anhand einer Pumpe veranschaulichen. Wenn Sie den Auslass mit Ihrem Finger verstopfen und auf den Kolben drücken, spüren Sie die Wärme an Ihrem Finger. Das Kältemittel befindet sich nun in einem gasförmigen Zustand und ist sehr heiß. Es ist also an der Zeit, seine hohe Temperatur zu nutzen.

3. Nutzung der gewonnenen Wärme

Das erwärmte Kältemittelgas gelangt in den Wärmetauscher, wo der Primärkreislauf (Kältemittel) der Wärmepumpe auf den Sekundärkreislauf (Wasser) trifft. Im Sekundärkreislauf gibt das Kältemittel seine Wärmeenergie an das Wasser ab. Das erwärmte Wasser gelangt dann weiter in den Technikraum, wo es über ein Dreiwegeventil an den Kesselwasserspeicher, die Heizung oder den Brauchwasserspeicher verteilt wird.

Sobald das heiße Kältemittel seine Wärme übertragen hat, wird es abgekühlt und wieder verflüssigt. Es steht jedoch immer noch unter hohem Druck und ist zu heiß, um erneut Wärmeenergie aufzunehmen. Daher muss es durch ein Expansionsventil abgekühlt werden. Sie können dieses Kühlprinzip an einer Spraydose ausprobieren. Wenn Sie die Sprühflasche längere Zeit halten und sprühen, beginnt der Behälter abzukühlen.

Durch die Expansion wird das Kältemittel so stark abgekühlt, dass es wieder in der Lage ist, Wärme aus der Umgebung aufzunehmen, und der gesamte Prozess beginnt von vorn.

luft-wasser-wärmepumpe schema
luft-wasser-wärmepumpe schema

 

Verschiedene Wärmequellen für Wärmepumpen

Luft, Wasser und Erdreich dienen als Wärmequellen, und Wärmepumpen werden dementsprechend klassifiziert.

Wenn Sie Wasser als Energiequelle wählen, kann es sich um Oberflächenwasser oder Grundwasser aus einem Bohrloch handeln. Dieses Wasser wird von der Wärmepumpe abgekühlt und über ein weiteres Bohrloch zurück in den Boden geleitet. Diese Anwendung ist am häufigsten bei Wasser-Wasser-Wärmepumpen zu finden.

Die Wärmepumpe kann auch auf die in den Felsen gespeicherte geothermische Energie oder auf die in den oberen Erdschichten gespeicherte Sonnenenergie zurückgreifen. Diese Quellen werden hauptsächlich von Sole-Wasser-Wärmepumpen genutzt.

Die letzte Energiequelle ist Luft, die sowohl in Luft-Wasser- als auch in Luft-Luft-Systemen genutzt wird.

Arten von Wärmepumpen

Abhängig von der Energiequelle und der Art der Wärmeübertragung werden Wärmepumpen mit spezifischen Bezeichnungen versehen. Die gängigsten Wärmeträger sind Wasser und Luft. Die vier gebräuchlichsten Wärmepumpentypen sind Luft-Wasser, Luft-Luft, Wasser-Wasser und Sole-Wasser. Jeder Typ hat seine eigenen Vor- und Nachteile.

Sole-Wasser-Wärmepumpe

Eine Sole-Wärmepumpe entzieht dem Erdreich entweder durch Tiefbohrungen oder durch oberirdische Systeme Temperatur. Der größte Nachteil sind die hohen Anschaffungskosten. Wenn das System jedoch gut konzipiert ist die Quelle nicht in ein paar Jahren auskühlt, ist es ein sehr effizientes System mit einem hohen Heizfaktor.

Wasser-Wasser-Wärmepumpe

Eine der effizientesten Heizungsmethoden für Wohnhäuser ist die Wasser-Wasser-Wärmepumpe. Allerdings erfordert dieses System spezifische Standortbedingungen. Eine Option besteht darin, Wärme aus Brunnenwasser zu gewinnen, wobei eine ausreichend hohe Brunnenleistung erforderlich ist. Eine alternative Möglichkeit für eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe ist die Nutzung fließenden Wassers, sei es aus einem Fluss oder einem größeren Wassertank. Obwohl der Heizfaktor in diesem Fall nicht so hoch ist, bleibt es dennoch eine äußerst effiziente Heizmethode. Der Hauptnachteil dieses Heizsystems liegt jedoch im begrenzten Angebot geeigneter Standorte.

Luft-Luft-Wärmepumpe

Luft-Luft-Wärmepumpen werden typischerweise als Klimaanlagen entwickelt, die im Winter auch als Wärmepumpe fungieren können. Sie sind besonders geeignet für das Heizen während der Übergangszeiten im Frühjahr und Herbst. Mit dem verstärkten Bau von Niedrigenergiehäusern und der Implementierung kontrollierter Lüftungssysteme wird diese Methode zunehmend populär.

Luft-Wasser-Wärmepumpe

Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe zieht ihre Wärmequelle aus der Umgebungsluft, die in den meisten Jahreszeiten eine höhere Temperatur aufweist als das Kältemittel im Wärmepumpenkreislauf. Ihr Hauptvorteil liegt im vergleichsweise niedrigen Anschaffungspreis sowie den geringen Betriebskosten. Die Installation dieser Art von Wärmepumpe gestaltet sich äußerst unkompliziert, und es gibt keine spezifischen Anforderungen bezüglich der Grundstücksgröße. Zudem spricht die nahezu unbegrenzte Verfügbarkeit der Umgebungsluft für den Einsatz einer Luft-Wasser-Wärmepumpe.

Weitere Vorteile der Luft-Wasser-Wärmepumpe

✓ Minimale Auswirkungen auf das Ökosystem – Die entzogene Wärme wird durch Gebäude und ähnliche Quellen wieder an die Luft abgegeben.

✓ Kühlung im Sommer.

✓ Nutzung von bis zu 70% erneuerbarer Energie.

✓ Wartungsfreies System – Dank des Monoblock-Designs ist kein Nachfüllen von Kältemittel erforderlich.

Nachteile der Luft-Wasser-Wärmepumpe

✓ Geringere Leistungsfähigkeit bei extremen Kältebedingungen.

✓ Höherer Stromverbrauch im Vergleich zu Sole-Wasser-Wärmepumpen.

✓ Potenziell erhöhte Laustärke des Außengeräts bei minderwertigen Pumpen.

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Die Wahl des richtigen Wärmepumpen-Typs

Die Auswahl der optimalen Wärmepumpe für Ihr Zuhause muss nicht so kompliziert sein, wie es auf den ersten Blick erscheinen mag. Die wichtigsten Faktoren, die bei der Entscheidung für eine Wärmepumpe zu berücksichtigen sind, umfassen das lokale Klima, die Energieeffizienz sowie die anfänglichen Installationskosten.

Vorteile einer Wärmepumpe

Niedrige Betriebskosten – Eine Wärmepumpe wird oft als eine der kostengünstigsten Heizoptionen auf dem Markt angesehen. Bis zu 75 % der benötigten Wärmeenergie werden aus der Umgebung (Wasser, Luft, Boden) entzogen, während nur 25 % aus dem Stromnetz bezogen werden. Mit anderen Worten, Sie zahlen nur für 25 % des Stromverbrauchs, um 100 % der benötigten Wärme zu erhalten.

Günstigerer Stromtarif – Durch die Verwendung einer Wärmepumpe können Sie von einem günstigeren Stromtarif profitieren, ähnlich wie bei einem Elektro-Heizkessel, der Ihnen Zugang zu Nachtstrom ermöglicht (20 Stunden pro Tag). Dies wirkt sich nicht nur positiv auf die Kosten für Heizung und Warmwasser aus, sondern auch auf andere elektrische Geräte wie Beleuchtung, wäschewaschen und Geschirrspülen.

Sauberes und müheloses Heizen – im Gegensatz zu einem Heizkessel mit festen Brennstoffen funktioniert eine Wärmepumpe vollständig automatisiert und ohne ständige Überwachung. Sie müssen lediglich die gewünschte Raumtemperatur einstellen und die Wärmepumpe übernimmt den Rest.

Umweltfreundliche Lösung – Im Gegensatz zu Festbrennstoffkesseln emittiert eine Wärmepumpe keine Abgase, was sie zu einer passenden Heizoption für städtische Gebiete macht. Darüber hinaus trägt sie aktiv zur Reduzierung von Treibhausgasen und Emissionen bei.

Kombinierbar mit anderen Energiequellen – Wärmepumpen können mit Solarpanelen oder Gasheizkesseln kombiniert werden. Dadurch können Sie Ihre Heizkosten noch weiter senken.

Fazit

Wärmepumpen ermöglichen eine kostengünstige und umweltfreundliche Möglichkeit zu heizen.

Sie haben die Auswahl zwischen vier Arten von Wärmepumpen: Luft-Wasser, Luft-Luft, Wasser-Wasser und Sole-Wasser.

Entscheiden Sie sich für den spezifischen Wärmepumpentyp entsprechend Ihrer Anforderungen an Energieeffizienz, Installationskosten, Standortgegebenheiten und Klimabedingungen.

Wärmepumpen haben zweifellos eine vielversprechende Zukunft, insbesondere für die Warmwasserbereitung, entweder als Teil eines Heizsystems oder als eigenständige Einrichtung. Durch die Nutzung natürlicher Ressourcen zur Wärmeerzeugung leisten sie einen signifikanten Beitrag zur Reduzierung von Treibhausgas-Emissionen und bieten somit eine umweltfreundliche Heizoption.

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