Wie funktioniert eine Wärmepumpe? Verständlich erklärt

Die Funktion einer Wärmepumpe unterscheidet sich grundlegend von der anderer Heizungsarten. Während Pellet-, Öl- und Gasheizungen Wärme erzeugen, indem sie einen Brennstoff verbrennen, gewinnt die Wärmepumpe Heizenergie aus der Umwelt. Je nach Wärmepumpentyp greift sie dabei auf das Grundwasser, Erdwärme oder Umgebungsluft zurück. Wie genau das funktioniert, fassen die folgenden Abschnitte zusammen.

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Die Funktion der Wärmepumpe

Unterschiede in der Funktionsweise je nach Energiequelle

Luft-Wasser-Wärmepumpe

Luft-Luft-Wärmepumpe

Sole-Wasser-Wärmepumpe

Wasser-Wasser-Wärmepumpe

Die Funktion der Wärmepumpe Schritt für Schritt erklärt

Unabhängig davon, ob es sich um eine Grundwasser-, Luft- oder Erdwärmepumpe handelt, ist die Funktionsweise zunächst einmal die gleiche:

Aufnahme: Die Wärmepumpe nutzt Umweltwärme aus der Erde, dem Grundwasser oder der Luft. Diese Wärme wird über ein Kältemittel wie beispielsweise R290 im Verdampfer der Wärmepumpe aufgenommen.
Verdampfung: Das Kältemittel verdampft bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen. Sobald es in Kontakt mit Umweltwärme kommt, ändert es seinen Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig.
Verdichtung: Das nun gasförmige Kältemittel wird durch einen elektrisch betriebenen Kompressor verdichtet. Dabei steigt sowohl der Druck als auch die Temperatur stark an. Deshalb ist es möglich, auch aus Energiequellen mit vergleichsweise niedrigen Temperaturen wie der Außenluft im Winter ausreichend Wärme für Heizung und Warmwasser zu gewinnen.
Verflüssigung: Im nächsten Schritt strömt das erhitzte Kältemittel durch einen Wärmetauscher, den sogenannten Kondensator. Dort gibt es seine Energie an das Heizungswasser ab. Letzteres dient als Transportmedium für die Wärme und transportiert sie über Rohrleitungen zu den Heizkörpern oder der Fußbodenheizung.
Expansion: Nachdem es die Wärme auf das Heizungswasser übertragen hat, sinkt die Temperatur des Kältemittels und es verflüssigt sich wieder. Allerdings steht es nach wie vor unter hohem Druck. Über das sogenannte Expansionsventil entspannt es sich und fließt zurück in den Verdampfer. Von hier aus kann es wieder Wärme aufnehmen und der Prozess beginnt von vorne.

Unterschiede in der Funktionsweise je nach Energiequelle

Die Bezeichnung für unterschiedliche Wärmepumpenarten besteht aus zwei Bestandteilen. Der erste Bestandteil steht für die genutzte Energiequelle, der zweite Bestandteil für das Transportmedium, das die Wärme im Haus verteilt. Demnach nutzt eine Luft-Wasser-Wärmepumpe Umgebungsluft als Energiequelle und transportiert die daraus gewonnene Wärme mittels Wasser zur Fußbodenheizung und zu den Heizkörpern. Eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe gewinnt Wärmeenergie aus dem Grundwasser, die sie ebenfalls über das Heizungswasser im Haus verteilt.

Auch wenn das Prinzip einer Wärmepumpe grundsätzlich immer dasselbe ist, unterscheiden sich die einzelnen Arten in ihrer Funktionsweise vor allem darin, wie sie die Wärme aufnehmen.

Luft-Wasser-Wärmepumpe

Auch als Luftwärmepumpe bezeichnet, nutzt diese Wärmepumpenart die Außenluft als Wärmequelle. Ein Außengerät saugt die Luft über einen Ventilator an. Luft-Wasser-Wärmepumpen gibt es als Splitgerät und als Monoblock-Wärmepumpe. Letztere vereint alle Funktionseinheiten in einem Gerät, während sich ein Splitgerät in eine Innen- und eine Außeneinheit aufteilt.

Luft-Wasser-Wärmepumpen sind vergleichsweise einfach zu installieren. Anders als bei einer Sole-Wasser- oder Wasser-Wasser-Wärmepumpe sind hier keine Erdarbeiten oder Bohrungen erforderlich. Allerdings schwankt ihre Effizienz mit der Außentemperatur: Je kälter es wird, desto höher ist der Stromverbrauch, um die gewünschte Heizleistung zu erzielen. Somit kommen Luftwärmepumpen auf eine geringere Jahresarbeitszahl als Erd- und Grundwasserwärmepumpen.

Luft-Luft-Wärmepumpe

Was die Wärmeaufnahme angeht, ist die Funktion komplett identisch zu der einer Luft-Wasser-Wärmepumpe. So unterscheiden sich die beiden Wärmepumpenarten dahingehend, wie sie die Wärme im Gebäude verteilen. Während eine Luft-Wasser-Wärmepumpe Wärme über das Heizungswasser zur Fußbodenheizung oder den Heizkörpern transportiert, erfolgt die Wärmeverteilung bei einer Luft-Luft-Wärmepumpe über Luftkanäle oder Gebläsekonvektoren. Dahingehend gleicht sie dem Prinzip einer Klimaanlage. Rohrleitungen sind keine erforderlich.

Eine Luft-Luft-Wärmepumpe ist zwar unkompliziert im Hinblick auf die Installation, lohnt sich jedoch nur in gut gedämmten Neubauten mit entsprechenden Lüftungssystemen. Außerdem dient sie lediglich der Raumheizung und kann kein Warmwasser bereitstellen. Für die Warmwasserbereitung ist dann beispielsweise eine zusätzliche Brauchwasserwärmepumpe erforderlich.

Sole-Wasser-Wärmepumpe

Auch als Erdwärmepumpe bezeichnet, gewinnt diese Wärmepumpenart Wärme aus dem Erdreich. Um die Wärme aus der Erde aufzunehmen, kommen verschiedene Technologien zum Einsatz. Eine Möglichkeit besteht in Erdsonden. Dabei handelt es sich um U-förmige Rohre, die bis zu 100 Meter tief in die Erde eingelassen werden. In diesen Rohren zirkuliert Sole, die als Transportmedium dient und die Geothermie aus dem Erdreich an die Oberfläche befördert. Eine andere Möglichkeit besteht in Erdkollektoren, die keine Tiefbohrung erfordern, sondern großflächig in 1,2 bis 1,5 Metern Tiefe verlegt werden.

Im Vergleich zur Umgebungsluft schwankt die Temperatur von Erdwärme im Jahresverlauf deutlich weniger stark. Das führt dazu, dass Erdwärmepumpen deutlich höhere Werte bei Effizienz-Kennzahlen wie dem Coefficient of Performance (COP) und der Jahresarbeitszahl erzielen. Dafür sind sie aufgrund der erforderlichen Erdarbeiten deutlich aufwendiger, was die Installation angeht.

Wasser-Wasser-Wärmepumpe

Da sie Wärme aus dem Grundwasser gewinnt, wird dieser Wärmepumpentyp auch als Grundwasserwärmepumpe bezeichnet. Die Wärmegewinnung funktioniert über einen Förderbrunnen mit einer Tiefe von 10 bis 20 Metern. Nachdem das Grundwasser den oben beschriebenen Funktionskreislauf einer Wärmepumpe durchlaufen hat, wird es über den sogenannten Schluckbrunnen wieder in die Erde abgegeben.

Hierzulande hat das Grundwasser eine relativ konstante Temperatur von 8 bis 12 °C, auch im Winter. Was die Jahresarbeitszahl angeht, erreichen Wasser-Wasser-Wärmepumpen deshalb Spitzenwerte von bis zu 5. Dafür sind sie vergleichsweise anspruchsvoll im Hinblick auf Standort und Installation. So ist eine Brunnenbohrung aufgrund der Geologie nicht immer möglich. Da in das Grundwasser eingegriffen wird, ist außerdem eine Genehmigung durch die Wasserbehörde erforderlich.