Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Ganz einfach: Eine Wärmepumpe pumpt Wärme aus der Umwelt ins Haus, hebt sie auf ein höheres Temperaturniveau und macht sie so für die Heizung nutzbar. Im Prinzip funktioniert die Wärmepumpe dadurch wie ein Kühlschrank – nur umgekehrt.

(c) Stiebel Eltron

So funktioniert das also: Das Prinzip einer Wärmepumpe ist einfach, aber effektiv.

Während der Kühlschrank den Lebensmitteln und der Luft im Innern Wärme entzieht und diese (ungenutzt) an die Umgebung abgibt, entzieht die Wärmepumpe bei diesem Prinzip der Umgebung Wärme und leitet sie ins Hausinnere. Dafür benötigt sie nicht einmal hohe Temperaturen: Häufig reichen schon Temperaturen knapp über dem Gefrierpunkt.

Vom Kältemittel zur Heizwärme – so funktioniert eine Wärmepumpe

Das Prinzip der Wärmepumpe funktioniert wie ein umgekehrter Kühlschrank und ist unabhängig von den verschiedenen Varianten immer gleich:

  1. Im Verdampfer befindet sich ein flüssiges Kältemittel, welches bereits bei relativ niedrigen Temperaturen verdampft. Dafür genügt beispielsweise schon die Wärme aus dem Erdboden, die vom Kältemittel aufgenommen wird.
  2. Das gasförmige Kältemittel wird im Kompressor verdichtet. Dies erhöht den Druck und damit die Temperatur des Kältemittels.
  3. Das erwärmte Kältemittel gelangt nun in den Kondensator (Verflüssiger), gibt dort seine Wärme an das Heizungssystem für das Gebäude ab und wird wieder flüssig.
  4. Das noch unter Druck stehende Kältemittel gelangt durch das sogenannte Expansions- oder Entspannungsventil wieder auf das ursprüngliche niedrige Druckniveau und dann weiter zum Verdampfer, wo der Prozess neu beginnt.

Das Resultat: Die Heizkörper werden mollig warm – und das, obwohl die „Wärme“ zum Beispiel aus dem schneebedeckten Boden hinterm Haus stammt.

Leistungszahl und Jahresarbeitszahl: Kennzahlen für die Qualität von Wärmepumpen

Für die Qualität der Wärmepumpe ist entscheidend, wie das Verhältnis zwischen der zugeführten und der gewonnenen Energie ist. Dafür gibt es zwei Kennzahlen:

  1. Die Leistungszahl (engl. COP) stellt das Verhältnis zwischen Aufwand und Nutzen dar. Entscheidend ist die Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und der zu bereitstellenden Temperatur für die Heizungsanlage (Vorlauftemperatur).
  2. Die Jahresarbeitszahl benennt das Verhältnis zwischen der erzeugten Heiz-Energie (kWh) und der eingesetzten elektrischen Energie (kWh) während einer Heizperiode. Sie gibt also an, wie viel Einheiten Wärme aus einer Einheit Strom im Jahresdurchschnitt gewonnen werden. Die Jahresarbeitszahl ist daher der beste Kennwert um die Qualität einer Wärmepumpe zu bewerten.

Wo werden Wärmepumpen sinnvoll eingesetzt?

Bei der Jahresarbeitszahl werden Werte zwischen 3,5 und 4 als gut angesehen. Diese Werte werden am ehesten erreicht, wenn z.B.

  • der Heizwärmebedarf durch Dämmung des Gebäudes möglichst gering gehalten wird,
  • das Heizsystem eine niedrige Vorlauftemperatur (max. 40°C) benötigt. Dies ist z.B. bei Flächenheizungen (Fußboden- oder Wandheizung) der Fall,
  • eine Wärmequelle gewählt wird, die das ganze Jahr eine möglichst gleichmäßige und hohe Temperatur hat (z.B. Erdboden, Grundwasser).

Wärmequellen für Wärmepumpen   

Als Wärmequellen kommen dass Erdreich, das Grundwasser und die Umgebungsluft in Frage:

Der Erdboden hat das ganze Jahr eine gleichmäßige Temperatur. Daher werden entweder in einer Tiefe von ca. 1,5 Metern Flächenkollektoren ausgelegt, durch dessen Rohre ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel fließt, die sog. Sole. Die nötige Fläche ist abhängig vom Wärmebedarf des Gebäudes. Diese Variante ist möglich bei genügend vorhandenen Freiflächen. Erdwärmesonden werden dagegen 30 bis 100 Meter tief senkrecht in den Boden gebracht. Dies benötigt weniger Fläche, ist aber genehmigungspflichtig.

Grundwasser eignet sich aufgrund seiner konstanten Temperatur als Wärmequelle ebenfalls gut. Dafür muss jedoch das Grundwasservorkommen auf dem Grundstück ausreichend sein. Das kann durch eine Probebohrung festgestellt werden. Die Qualität des Wassers muss über eine Wasseranalyse geprüft werden. Die Nutzung des Grundwassers obliegt der Genehmigungspflicht durch die Untere Wasserbehörde (i.d.R. bei der Kommune).

Die Luft als Wärmequelle ist leicht zu erschließen und überall in ausreichender Menge vorhanden. Der Nachteil ist, dass Luft dann am kältesten ist, wenn der Wärmebedarf am höchsten ist (Heizperiode).

Der Klima-Knackpunkt: Wärmepumpen funktionieren mit Strom

Wie ein Kühlschrank braucht auch die Wärmepumpe bei diesem Prinzip für die Kompression des Kältemittels Energie, in der Regel in Form von Strom. Strom ist aber eine vergleichsweise aufwändig herzustellende Energieform. Für eine Kilowattstunde Strom muss man etwa dreimal so viel Primärenergie einsetzen wie bei Wärme. Da elektrische Energie in Deutschland häufig in klimaschädlichen Kohlekraftwerken gewonnen wird, ist beim Umweltnutzen der Wärmepumpen entscheidend, wie hoch der Energieverbrauch ist.

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