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Aufbau und Funktionsweise von Wärmepumpen

Wärmepumpen gewinnen als effiziente und umweltfreundliche Alternative zu anderen Heizungen zunehmend an Bedeutung. Die generelle Funktionsweise ist bei fast allen Wärmepumpen gleich. Mehr über ihren Aufbau und ihr Funktionsprinzip lesen Sie hier.

Prinzip der Wärmepumpe

Wärmepumpen sind Heizungen, die Umweltwärme aus verschiedenen natürlichen Wärmequellen nutzen. Am häufigsten dienen dazu Luft, Grundwasser oder thermische Energie aus dem Erdboden. So wird die Bereitung von Warmwasser und das Heizen effizient möglich und kann zudem mit erneuerbaren Energien kombiniert werden. Deshalb gelten Wärmepumpen als klimafreundliche Heizsysteme mit enormem Zukunftspotenzial.

Die Funktionsweise der Wärmepumpenheizungen folgt im Grunde genommen immer demselben Prinzip. Es basiert auf dem Kältekreisprozess. Thermische Energie in Form von Umgebungswärme wird einer Wärmequelle entzogen und dem Heizkreislauf über ein Rohrsystem zugeführt. Als Transportmedium wird ein Kältemittel verwendet. Dieses wird im Prozess verdichtet und bei Abgabe der Wärme wieder entspannt. Mit der abgegebenen Wärme lässt sich heizen oder Warmwasser bereiten.

Zwei Männer im Wohnzimmer

Was sind die Vorteile von Wärmepumpen?

Ein großer Vorteil von Wärmepumpen ist, dass sie Umgebungswärme nutzen. Je nach Typ beziehen sie diese aus der Luft, dem Grundwasser oder dem Erdreich. Da diese Ressourcen nahezu unbegrenzt vorhanden sind, funktionieren sie sehr nachhaltig, höchst effizient und wartungsarm. Diese Eigenschaften machen Wärmepumpen zudem zukunftssicher, was sich auch in den immer steigenden Installationszahlen zeigt. Die Möglichkeit, die Heizung mit Strom aus erneuerbaren Energien zu speisen und so die Stromkosten weiter zu minimieren, bietet Verbrauchern Flexibilität und Zuverlässigkeit.

Aufbau und Funktionsweise

Die Wärmepumpe wird von der Wärmequellanlage versorgt. Diese entzieht der Umgebung die erforderliche Wärme und transportiert sie zur Wärmepumpe. Die Pumpe selbst macht die gewonnene Wärme nutzbar und gibt sie an das Wärmeverteil- und Speichersystem weiter. Im Allgemeinen versteht man unter einer Wärmepumpenheizung die Gesamtheit dieser drei Komponenten.

Bauarten

Wärmepumpen zum Zweck der Gebäudeheizung gibt es in zwei Varianten. Der Monoblock verbindet alle baulichen Komponenten (Verdichter, Verdampfer, Verflüssiger, Expansionsventil) in einer Einheit. 

Im Gegensatz dazu weisen Luft-Wasser-Wärmepumpen einige bauliche Besonderheiten auf. Sie bestehen aus einer Außen- und einer Inneneinheit, die mit Kältemittelleitungen miteinander verbunden sind. Hier sind die baulichen Komponenten lokal getrennt. Die Außeneinheit beherbergt die geräuschintensiven Bauteile (Verdampfer, Verdichter, Ventilator) während die Inneneinheit lediglich den Verdichter, das Expansionsventil und weitere Anschlusstechnik umfasst. Diese sind deutlich leiser und lassen sich deshalb gut im Innenraum platzieren. Der getrennte Aufbau wird auch als Splitbauweise bezeichnet.

Wärmepumpe

Komponenten und Ablauf des Prozesses

Der Kältekreisprozess

Damit eine Wärmepumpe einwandfrei funktioniert, ist ein Zusammenspiel von verschiedenen Komponenten notwendig. Unabhängig von der genutzten Wärmequelle ist der Ablauf immer ähnlich. Er baut auf dem sogenannten Kältekreisprozess auf.

Dieser erfolgt in vier Schritten:

1: Verdampfen

Unter Zufuhr von Energie steigt die Temperatur einer Flüssigkeit. Ab einem gewissen Punkt beginnt diese zu verdampfen. Die Temperatur steigt dabei nicht weiter an. Verschiedene Flüssigkeiten ändern ihren Aggregatzustand bei unterschiedlichen Temperaturen. Bei Wasser liegt diese bekanntermaßen bei 100 Grad Celsius.

Das Kältemittel in Wärmepumpen funktioniert genauso, allerdings werden hier Flüssigkeiten verwendet, die schon bei wesentlich niedrigen Temperaturen verdampfen. So muss weniger Energie hinzugeführt werden, um die Vorlauftemperatur zu erreichen. Das spart Ressourcen und ist dadurch effizienter.

2: Verdichten

Wird der Druck auf ein Gas erhöht, steigt dessen Temperatur.

3: Kondensieren

Durch die physikalischen Gesetze des Energieerhaltungssatzes geht die einem Medium zugeführte Energie nicht verloren. Kondensiert Dampf, gibt er also die ihm zuvor zugeführte Energie in Form von Wärme in gleichem Maße wieder ab.

4: Entspannen

Wird der aufgebaute Druck auf ein Medium schlagartig abgesenkt, sinkt dessen Temperatur um ein Vielfaches.
Diese Prozesse laufen in Wärmepumpen in einem kontinuierlichen Kreislauf ab. Am Beispiel von Luft-Wasser-Wärmepumpen lässt sich die Übersetzung dieser Abläufe anhand der Funktion einfach erklären.

Funktionsweise verschiedener Pumpentypen mit unterschiedlichen Wärmequellen

Wärmepumpe vor einem Haus

Luft-Wasser-Wärmepumpen

Bei Luft-Wasser-Wärmepumpen wird die thermische Energie der Umgebungsluft genutzt. Diese wird über einen Ventilator angesaugt und an einen Wärmetauscher weitergegeben. Im Wärmetauscher zirkuliert ein Kältemittel, das durch die angesaugte Luft erwärmt wird. Die relativ niedrigen Temperaturen der Luft reichen aus, um den Aggregatzustand des Mittels zu ändern – es verdampft langsam. Um diesen Prozess zu beschleunigen und die Temperaturen auf das gewünschte Niveau zu heben, kommt ein Verdichter zum Einsatz. Unter steigendem Druck wird der Dampf komprimiert, weshalb die Temperatur des Kältemitteldampfes weiter ansteigt.

Der Verflüssiger, ein Bauteil, das auch die Funktion eines Wärmetauschers hat, verteilt die Energie anschließend auf das Heizsystem und versorgt somit die Heizung und Warmwasserspeicher. Während dieses Vorgangs kühlt das unter Druck stehende Kältemittel weiter herunter, da es Wärme abgibt. Mit Hilfe eines Expansionsventils wird das Mittel weiter entspannt. Es verflüssigt sich zusehends wieder und wird schließlich in den Heizkreislauf zurückgeführt und der Kältekreislauf beginnt erneut.

Alle Wärmepumpen funktionieren immer mehr oder weniger nach diesem Prinzip. Lediglich die Vorgänge bei der Förderung der Wärme über die Wärmequellanlagen unterscheiden sich.

Erdwärmepumpen

Erdwärme- oder Sole-Wasser-Wärmepumpen, nutzen die thermische Energie des Erdbodens. Die Erdwärme kann mit Hilfe von Erdwärmekollektoren oder Erdsonden gesammelt und an das Heizsystem übertragen werden.

Erdwärmekollektoren eignen sich besonders auf einem großen Grundstück. Sie werden unmittelbar unter der Erdoberfläche (unterhalb der Frostgrenze) großflächig installiert und sammeln über ein Rohrsystem Wärme aus dem Erdboden. Diese wird durch Regenwasser und Sonnenbestrahlung im Boden gespeichert.

Erdsonden kommen bei kleinen Grundstücksflächen zum Einsatz. Durch eine Tiefenbohrung wird Wärme aus tiefen Bodenschichten gefördert. Die Sonde reicht dabei bis über 100 Meter tief in den Erdboden und fördert die Wärme über eine Sole zur Erdoberfläche.

Erdwärme-Wärmepumpe

Grundwasserwärmepumpen

Grundwasser hat ganzjährlich eine konstante Temperatur von etwa 10 Grad Celsius. Es wird mithilfe eines Saugbrunnens über ein Rohrsystem an die Wärmepumpe weitergeleitet. Dort wird ihm thermische Energie entzogen, bevor es über den Schluckbrunnen wieder in den Grundwasserspeicher zurückgeführt wird.

Solar-Speicher-Heizung

Solar-Eisspeicher haben eine besondere Bauweise. Sie fördern thermische Energie über eine mit Wasser befüllte Betonzisterne im Erdboden. Im Inneren der Zisterne verlaufen Leitungen, die dem Wasser die Wärme entziehen – selbst bei Minusgraden. Der Gefrierprozess des Wassers setzt eine beträchtliche Menge Kristallisationswärme frei, die wiederum zum Heizen genutzt werden kann. Solartechnik auf dem Dach erzeugt Naturstrom, der dazu genutzt wird, das Eis langsam wieder abschmelzen zu lassen. Auch Luft-Wärme-Absorber werden zu diesem Zweck häufig eingesetzt.

Am Ende der Heizperiode lässt sich das Prinzip sogar umkehren. Der Eisspeicher kann dann zum Kühlen des Gebäudes verwendet werden.

Vattenfall Tipp

Die generelle Funktionsweise einer Wärmepumpe ist bei fast allen Wärmepumpen gleich, jedoch unterscheiden sie sich in Hinblick auf die Voraussetzungen, Effizienz und Kosten. Mehr zu diesem Thema erfahren Sie in unserem Artikel Wärmepumpen: Ein Vergleich.
 

Mann mit einer Wärmepumpe im Hintergrund

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Bauteile von Luft-Wasser-Wärmepumpen im Detail

Die Bauteile von Wärmepumpen orientieren sich in ihren Aufgaben direkt am Kältekreisprozess. Sie replizieren diesen eins zu eins:

Verdampfer

Der Verdampfer ist ein Wärmeüberträger, der die aufgenommene Umweltwärme auf ein flüssiges Kältemittel überträgt. Sobald die Temperatur des Kältemittels steigt, verdampft es und transportiert die Wärme innerhalb des Heizsystems. Deshalb wird es auch als Arbeitsgas bezeichnet.

Verdichter

Der Verdichter saugt das Arbeitsgas an und komprimiert es. Unter erhöhtem Druck steigt die Temperatur des Kältemitteldampfes weiter an. Dadurch wird auch das Kältemittel weiter erwärmt, was ein Vorteil für den weiteren Prozess ist. Das Kältemittel kann so mehr Wärme an das Heizungswasser übertragen und ist effizienter.

Verflüssiger

Der Verflüssiger leitet den Kältemitteldampf am Heizungswasser vorbei. So wird die Wärme von einem Medium auf das andere übertragen. Der Verflüssiger ist also, wie der Verdampfer, ein Wärmeüberträger. Die Temperatur des Kältemittels sinkt bei diesem Vorgang, da es Energie abgibt. Das Heizungswasser nimmt diese Energie auf und wird erhitzt.

Expansionsventil

Das Expansionsventil dient als Drosselung und senkt den Druck des Kältemittels. Es regelt die Ausdehnung und Verflüssigung des Kältemittels und sichert die kontinuierliche Rückführung dieses an den Verdampfer. Zurück im Ursprungszustand kann der Prozess erneut beginnen. Es gibt thermische und elektrische Expansionsventile.

Expansionsventil

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