Am sogenannten Verdampfer geht die Umweltwärme auf ein flüssiges Kältemittel über, das aufgrund seiner spezifischen Eigenschaften schon bei niedrigen Temperaturen verdampft.
Funktion der Wärmepumpe einfach erklärt
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Die Wärmepumpe gewinnt die Energie zum Heizen aus der Umgebung. Aus diesem Grund wird sie auch als Umweltheizung bezeichnet. Aber wie funktioniert eine Wärmepumpe eigentlich? Das Prinzip ähnelt dem eines Kühlschranks – nur umgekehrt. Während ein Kühlschrank den Lebensmitteln, also dem Innenraum des Kühlschranks, Wärmeenergie entzieht und diese nach außen leitet, macht eine Wärmepumpe das Gegenteil. Sie entzieht der Umgebung außerhalb des Gebäudes Wärmeenergie und macht sie für die Beheizung des Innenbereichs nutzbar. Neben der Raum- beziehungsweise Außenluft ist eine Wärmepumpe in der Lage, die Wärmeenergie aus dem Grundwasser und dem Erdreich anzuzapfen.
Aufbau und Funktionsprinzip der Wärmepumpe
Unabhängig von der erschlossenen Umweltenergiequelle besteht das Wärmepumpensystem aus drei Teilen:
Wärmequellenanlage: Entzieht der Umgebung Energie
Wärmepumpe: Macht Umweltwärme nutzbar
Wärmeverteil- und Speichersystem: Verteilt und speichert Wärme im Gebäude
Nur im Zusammenspiel ermöglichen die Bestandteile einer Wärmepumpe die Nutzung von Umweltenergie. Der Prozess beginnt mit der Wärmequellenanlage. Bei Erdwärmepumpen zirkuliert hier ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel – die Sole, die sich erwärmt. Luft-Wasser-Wärmepumpen saugen hingegen die Außenluft über einen Ventilator an. Sole beziehungsweise Außenluft gelangen im Anschluss zur eigentlichen Wärmepumpe. Im sogenannten Kältekreisprozess hebt diese das Temperaturniveau an, bevor die Heizwärme auf das Verteilsystem aus Flächenheizung oder Heizkörper übergeht beziehungsweise in einem Puffer- oder Warmwasserspeicher zwischengespeichert wird.
Kältekreisprozess Kern des Wärmepumpenprinzips
Weil die Temperatur der gewonnenen Wärme in der Regel nicht ausreicht, um ein Gebäude oder das Warmwasser zu erwärmen, ist bei der Funktionsweise der Wärmepumpe ein thermodynamischer Prozess notwendig. Der bereits erwähnte Kältekreisprozess erfolgt in vier Schritten und wiederholt sich stetig:
Ein strombetriebener Kompressor, der als Verdichter bezeichnet wird, saugt den Kältemitteldampf an und presst diesen zusammen. Durch den Druckanstieg erhöht sich auch die Temperatur. Beobachten lässt sich das Prinzip nicht nur bei der Funktion der Wärmepumpe. Wird bei einer Fahrradluftpumpe die Öffnung zugehalten und die Luft zusammengedrückt, erwärmt sich der Zylinder der Luftpumpe.
Am Verflüssiger wird die Wärme des heißen Kältemitteldampfes auf das Wärmeverteilsystem übertragen. Da das Kältemittel Energie abgibt, kühlt es sich ab.
Das sogenannte Expansions- oder Entspannungsventil reduziert den Druck des Kältemittels. Dadurch geht es wieder in seinen Ausgangszustand über und der Wärmepumpenprozess kann von Neuem beginnen. Das Prinzip kann man zum Beispiel auch bei einer Flüssiggasflasche beobachten. Wird das Ventil geöffnet, kann es selbst im Sommer zur Eisbildung an dem Ventil kommen.
Kältemittel essenziell für Funktionsweis der Wärmepumpe
Damit die Wärmepumpe ihre Funktion erfüllen kann, ist ein Kältemittel notwendig. Wichtiges Merkmal ist der tiefe Siedepunkt, durch den die Flüssigkeit schon bei niedrigen Temperaturen von dem flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht. Dafür reichen sogar Temperaturen von minus 20 Grad Celsius aus. Deshalb funktioniert die Wärmepumpe auch im Winter bei niedrigen Außentemperaturen. Die Viessmann Wärmepumpen der neuesten Generation nutzen das natürliche Kältemittel Propan (R290), das bezüglich seiner Eigenschaften klassischen Kältemitteln in nichts nachsteht.
Einfach erklärt: Prinzip der Wärmepumpe
Hinweise zur Funktionsweise
Wie funktionieren Wärmepumpen im Winter und was ist bei Wärmepumpenstrom zu beachten? Erfahren Sie mehr Details über Betrieb und Funktion der Wärmepumpe.
Die Kompression benötigt elektrischen Strom
Ein wesentlicher Bestandteil des Kältekreises ist der Verdichter. Denn die Ausgangstemperaturen sind ohne Komprimierung zu niedrig, um ein Gebäude auf eine angenehme Temperatur erwärmen zu können - erst recht an sehr kalten Tagen mit zweistelligen Minusgraden. In der Praxis kommen verschiedene Verdichter zum Einsatz, darunter Kolbenverdichter oder Scrollverdichter, die elektrisch angetrieben werden. Der Stromverbrauch der Wärmepumpe für die Verdichtung hängt von vielen Faktoren ab. Dazu gehören der Heizbedarf, die Verdichtertechnik und nicht zuletzt der Temperaturunterschied zwischen der Wärmequelle und dem Heizungssystem. Grundsätzlich gilt: Je höher die Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und der Vorlauftemperatur ist, desto mehr muss der Verdichter arbeiten.
Tipp: Die regelmäßige Wartung der Wärmepumpe trägt zu einem reibungslosen und effizienten Betrieb bei. Darüber hinaus wirkt die Wartung sich positiv auf die Lebensdauer des Heizsystems aus.
Stromtarife für die Wärmepumpe vergleichen
In der Regel basiert die Funktion der Wärmepumpe auf Strom. Viele Energieversorger bieten Wärmepumpentarife dabei mit speziellen Konditionen für Besitzer von Wärmepumpen an. Diese gibt es günstiger als herkömmliche Haushaltsstromtarife, da sie an gewisse Voraussetzungen gebunden sind. So ist der Stromversorger seit 2024 dazu berechtigt, die Leistung der Wärmepumpe in sogenannten Sperrzeiten zu reduzieren (bis 2024 gab es freiwillig vereinbarte Sperrzeiten mit harter Abschaltung). Das ist Pflicht für alle ab 2024 installierten Wärmepumpen und wird mit einer jährlichen Zahlung in Höhe von 110 bis 190 Euro automatische von Ihrem Stromversorger entschädigt.
Verbrauchen Sie mehr als 4.000 Kilowattstunden Heizstrom im Jahr, lohnt sich unter Umständen auch ein eigener Stromvertrag für die Wärmepumpe. Diesen gibt es um die Netzentgelte reduziert, wenn der Wärmepumpenstrom separat abrechenbar ist. Ob ein solcher Tarif infrage kommt und günstiger ist, sollte eingangs geprüft werden. Denn dafür ist ein eigener Zähler erforderlich, der wiederum mit zusätzlichen Kosten verbunden ist. Zu berücksichtigen ist außerdem: Stammt der Strom aus erneuerbaren Energien und lässt sich die Ökobilanz einer Wärmepumpe dadurch noch verbessern?
Übrigens: Wurde Ihre Wärmepumpe vor 2024 installiert, gelten die alten Bedingungen weiter. Sie können bis 2028 die vereinbarten Sperrzeiten und deren Vergünstigungen nutzen oder dauerhaft weiter Haushaltsstrom ohne EVU-Sperre nutzen, wenn Sie diesen bereits zuvor bezogen haben. Sind die technischen Voraussetzungen (fernsteuerbar und/oder eigener Zähler) gegeben, können Sie aber auch zu den neuen Regelungen wechseln, wenn sich das für Sie lohnt.
Wärmeversorgung auch im Winter gesichert
Auch bei sehr niedrigen Außentemperaturen ist die Funktionsweise der Wärmepumpe zuverlässig. Besonders effizient erfolgt die Wärmeversorgung mit Wasser- Wasser- und Sole-Wasser-Wärmepumpen. Denn im Erdboden und im Grundwasser herrschen ganzjährig konstante Temperaturen. Aber auch Luft-Wasser-Wärmepumpen laufen bei zweistelligen Minusgraden. Bei extremen Außentemperaturen unterstützt vorübergehend ein elektrischer Heizstab – wenn notwendig.
Funktion der Wärmepumpe zum Kühlen umkehren
Das Funktionsprinzip der Wärmepumpe ist reversibel. Aus diesem Grund lassen sich Räume nicht nur beheizen, sondern mit der Wärmepumpe auch kühlen – wenn die technischen Voraussetzungen gegeben sind. Zu unterscheiden sind Natural und Active Cooling. Während beim Letzteren die Funktion der Wärmepumpe aktiv umgekehrt wird, bleibt diese bei der passiven oder natürlichen Kühlung ausgeschaltet.
Förderung der Wärmepumpe
Das Heizen mit Wärmepumpen sichert nicht nur dauerhaft niedrige Heizkosten. Fossile Energieträger wie Erdgas oder Erdöl müssen nicht mehr verbrannt werden, wodurch der CO₂-Ausstoß stagniert. Anlagenbesitzer leisten mit dem Kauf und dem Betrieb einer Wärmepumpe somit auch einen Beitrag zum Klimaschutz. Aus diesem Grund fördert der Staat die Investition in das regenerative Heizsystem. Ausführliche Informationen zu Fördersätzen und -voraussetzungen finden Sie im Abschnitt Förderung der Wärmepumpe.
