Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Da nachhaltige und effiziente Heizsysteme zunehmend an Bedeutung gewinnen, rücken Wärmepumpen immer stärker in den Fokus. Aber was genau ist eine Wärmepumpe und wie funktioniert sie? Dieser Leitfaden erklärt die Funktionsweise einer Wärmepumpe leicht verständlich und verdeutlicht ihre Vorteile sowie die optimalen Einsatzbedingungen. Gleichzeitig wird erläutert, in welchen Situationen der Einsatz einer Wärmepumpe weniger empfehlenswert sein könnte.

Was ist eine Wärmepumpe?

Eine Wärmepumpe ist ein Gerät, das Wärmeenergie von einem Ort mit niedrigerer Temperatur (z. B. Außenluft, Erdreich, Grundwasser) zu einem Ort mit höherer Temperatur (z. B. Innenbereich eines Gebäudes) transportiert. Sie arbeitet nach dem Prinzip eines Kühlschranks, jedoch in umgekehrter Richtung. Eine zentrale Rolle spielt dabei das Kältemittel, das bereits bei niedrigen Temperaturen verdampft. Im Kreislauf der Wärmepumpe durchläuft das Kältemittel verschiedene Zustandsänderungen, die es ermöglichen, Wärme effizient von außen nach innen zu transportieren. Es existieren verschiedene Arten von Wärmepumpen, die sich hauptsächlich durch das Medium unterscheiden, dem sie die Wärme entziehen. Das grundlegende Wirkungsprinzip ist jedoch bei allen Arten gleich.

Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Das Herzstück einer Wärmepumpe ist das Kältemittel, das bereits bei niedrigen Temperaturen verdampft. Im Kreislauf durchläuft es verschiedene Stationen:

1. Wärmeaufnahme im Verdampfer: Das flüssige Kältemittel nimmt Umgebungswärme (z. B. aus der Außenluft) auf und verdampft.
2. Druckerhöhung im Kompressor: Der Kompressor verdichtet das gasförmige Kältemittel, wodurch seine Temperatur ansteigt.
3. Wärmeabgabe im Kondensator: Im Kondensator gibt das Kältemittel die aufgenommene Wärme an das Heizsystem des Gebäudes ab und kondensiert dabei wieder zu Flüssigkeit.
4. Druckreduzierung im Expansionsventil: Das Expansionsventil senkt den Druck des Kältemittels, wodurch es abgekühlt und erneut im Verdampfer verdampfen kann.
5. Dieser Kreislauf wiederholt sich kontinuierlich. Wärmepumpen müssen umso mehr Energie aufwenden, um Wärme von einem Medium zu entziehen, je kälter dieses ist. Daher arbeiten sie bei extremen Kältebedingungen weniger effizient als bei moderaten Temperaturen. Dennoch weisen sie selbst in solchen ungünstigen Situationen immer noch einen deutlich höheren Wirkungsgrad auf als fossile Heizsysteme.

Welche Arten von Wärmepumpen gibt es?

Alle Arten von Wärmepumpen basieren auf dem beschriebenen Prinzip. Es gibt verschiedene Systeme:

• Luft-Wasser-Wärmepumpe: Nutzt Luft als Wärmequelle und Wasser als Wärmeträgermedium.
• Erd-Wasser-Wärmepumpe: Entzieht Wärme aus dem Erdreich und verwendet Wasser als Medium.
• Sole-Wasser-Wärmepumpe: Verwendet eine Sole (z. B. Wasser und Glykol) als Wärmeträgermedium, die durch Rohre im Boden fließt.
• Wasser-Wasser-Wärmepumpe: Nutzt Grundwasser als Wärmequelle und Wasser als Wärmeträgermedium.

Vor- und Nachteile der verschiedenen Wärmepumpensysteme:

Während Wasser-Wasser und Erd-Wasser Wärmepumpen oft effizienter sind, erfordern sie zusätzliche Investitionen in Tiefbauarbeiten und bürokratische Genehmigungsverfahren. Die Luft-Wasser-Wärmepumpe dominiert mit einem Marktanteil von etwa 90 % aufgrund geringerer Installationskosten und der universellen Einsetzbarkeit. Die wichtigsten Vor- und Nachteile im Überblick:

Luft-Wärmepumpe: Vorteile

• Geringe Installationskosten, allgemein günstiger
• Keine Genehmigung erforderlich
• Überall einsetzbar
• Größere Auswahl an Modellen und Montageunternehmen

Luft-Wärmepumpe: Nachteile

• Meist etwas schwächerer Wirkungsgrad als Erd-Wasser- oder Wasser-Wasser-Wärmepumpen (etwas weniger effizient)
• Höhere Geräuschentwicklung (achte hier auf niedrige dB Werte!)
• Erhöhter Strombedarf bei extremen Kältebedingungen

Erd-Wärmepumpe, Sole-Wärmepumpe, Wasser-Wärmepumpe: Vorteile

• Wegen etwas höherem Wirkungsgrad etwas wirtschaftlicher im Betrieb als Luft-Wärmepumpen
• Leiser im Betrieb
• Konstanter Energieverbrauch, unabhängig von der Außentemperatur
• Dadurch allgemein noch etwas umweltfreundlicher als Luft-Wärmepumpen

Erd-Wärmepumpe, Sole-Wärmepumpe, Wasser-Wärmepumpe: Nachteile

• Zusätzlicher Tiefbau Aufwand, signifikant höhere Kosten der Installation
• Teurer in der Anschaffung
• Erfordert zusätzliche Genehmigungen
• Einsatzmöglichkeiten abhängig von Bodenbeschaffenheit
• Weniger Auswahl an Anbietern und Montagepartnern

Fazit

Wärmepumpen bieten eine effiziente und umweltfreundliche Lösung für die Heizung und Warmwasserbereitung in Wohngebäuden. Durch die Nutzung erneuerbarer Energiequellen wie Luft, Erdreich oder Grundwasser tragen sie zur Reduktion des CO2-Ausstoßes bei und unterstützen eine nachhaltigere Zukunft. Obwohl die Anschaffungskosten höher ausfallen können als bei herkömmlichen Heizsystemen, machen die niedrigen Betriebskosten und die lange Lebensdauer eine Wärmepumpe zu einer lohnenden Investition. Besonders in Kombination mit einer Photovoltaikanlage kann sich eine Wärmepumpe innerhalb weniger Jahre amortisieren.

Wichtige Kennzahlen einer Wärmepumpe

Was sind die wichtigsten Kennzahlen bei einer Wärmepumpe und was bedeuten sie?

• Heizleistung (Heizkapazität): Die Fähigkeit der Wärmepumpe, Wärme zu erzeugen und Innenräume zu heizen, gemessen in Kilowatt (kW).
• Kühlleistung (Kühlkapazität): Die Fähigkeit der Wärmepumpe, Innenräume zu kühlen, ebenfalls in Kilowatt (kW) gemessen. Der Wert ist oft nahezu identisch zur Heizleistung.
• COP ("Coefficient of Performance"): Das Verhältnis zwischen der erzeugten Heizleistung und der benötigten Energie. Ein höherer COP zeigt eine höhere Effizienz der Wärmepumpe an. Orientiere dich aber besser am SCOP (s.u.)
• SCOP steht für “Seasonal Coefficient of Performance”, auf Deutsch “saisonaler Leistungskoeffizient”. Er wird manchmal auch JAZ (Jahresarbeitzahl) genannt. Er zeigt, wie effizient eine Wärmepumpe über eine gesamte Heizperiode arbeitet. Ein hoher SCOP-Wert bedeutet, dass die Wärmepumpe sehr effizient ist und viel Wärme aus wenig Strom erzeugt.
  Um es noch einfacher zu sagen: Der SCOP-Wert ist ein Maß dafür, wie gut eine Wärmepumpe im Laufe eines Jahres Wärme liefert im Verhältnis zu dem Strom, den sie dafür verbraucht. Ein SCOP von 4 bedeutet zum Beispiel, dass die Wärmepumpe aus 1 Kilowattstunde Strom 4 Kilowattstunden Wärme erzeugt. So kannst Du auf einen Blick sehen, welche Wärmepumpe die beste Wahl ist, um Dein Zuhause warm und gemütlich zu halten, ohne die Stromrechnung in die Höhe zu treiben.
• Betriebstemperaturbereich: Der Bereich, in dem die Wärmepumpe effizient arbeiten kann. Ein erweiterter Betriebstemperaturbereich ermöglicht eine effiziente Nutzung auch bei niedrigen Außentemperaturen, idealerweise bis zu -25°C.
• Geräuschpegel: Der während des Betriebs erzeugte Schallpegel der Wärmepumpe, gemessen in Dezibel (dB). Geringe Geräuschpegel sind besonders wichtig, wenn die Wärmepumpe in der Nähe von Wohnbereichen installiert ist. Der Geräuschpegel sollte 50 dB nicht überschreiten; andernfalls kann eine zusätzliche Dämmung erforderlich sein, die jedoch die Effizienz der Wärmepumpe beeinträchtigen und den COP verringern kann.
• Kältemittel: Das in der Wärmepumpe verwendete Kältemittel beeinflusst die Effizienz und Umweltauswirkungen des Systems. Einige Kältemittel sind umweltschädlicher als andere und dürfen daher nach und nach nicht mehr in neu installierten Wärmepumpen verwendet werden.
  Zu den häufig verwendeten Kältemitteln gehören:
  R410A: Hohe Effizienz, jedoch mit einem hohen Treibhauspotenzial. Die Verwendung für Neuinstallationen ist seit 2022 verboten.
  R32: Höhere Effizienz und gute Verfügbarkeit, jedoch mit einem relativ hohen Treibhauspotenzial und der Eigenschaft, brennbar zu sein. Die Verwendung ist bis 2025 erlaubt.
  R290 (Propan): Sehr hohe Effizienz, jedoch mit der Eigenschaft stark brennbar zu sein. Umweltfreundlich, “aktuellstes” Kältemittel.