Wärmepumpe-Funktion – einfache Erklärung + Infos

Die grundlegende Funktionsweise einer Wärmepumpe

Wärmepumpen sind sehr gefragt. Allein in der Schweiz ist die Nachfrage insbesondere in den letzten Jahren laut Statista um ein Vielfaches gestiegen. Doch warum ist das Interesse so gross?

Dies hängt vor allem mit der Funktionsweise der Wärmepumpe zusammen. Bevor wir näher auf die Wärmepumpen-Funktion eingehen, möchten wir eine kurze Einführung in die verschiedenen Typen von Wärmepumpen geben.

Jede Wärmepumpe – unabhängig von ihrer Art – nutzt eine kostenlose und frei zur Verfügung stehende Wärmequelle. Das Zurückgreifen auf natürliche Ressourcen ist damit einer der Hauptvorteile von Wärmepumpen.

Unterschieden werden Wärmepumpen in Abhängigkeit davon, welche Wärmequelle sie nutzen:

Wasser-/Wasser-Wärmepumpe

Eine Wasser-/Wasser-Wärmepumpe zieht die Umweltenergie – wie der Name schon sagt – aus dem Grundwasser. Die Grundwasser-Wärmepumpe hat den Vorteil, dass die Wärmezufuhr aufgrund fehlender Temperaturschwankungen des Grundwassers das ganze Jahr über beständig ist. Die Temperatur liegt bei etwa 10 °C–12 °C.

Voraussetzung für die Nutzung von Wasser-/Wasser-Wärmepumpen ist die Prüfung des Grundwassers. Ist es geeignet, muss ein tiefer Brunnen ausgehoben werden. Damit steigen nicht nur die Investitionskosten, sondern auch die Aufwände für bauliche Massnahmen.

Sole-/Wasser-Wärmepumpe

Die Sole-/Wasser-Wärmepumpe greift auf die Wärme aus dem Erdreich zurück. Durch eine Tiefenbohrung kann auch hier auf Umweltwärme, die nahezu keinen Temperaturschwankungen über das gesamte Jahr ausgesetzt ist, zurückgegriffen werden.

Der Nachteil hier: Es wird eine Baugenehmigung für die Bohrung benötigt, die darüber hinaus mit hohen Kosten verbunden ist. Durch die hohen Anschaffungskosten ist die Sole-/Wasser-Wärmepumpe die kostspieligste Variante.

Luft-/Wasser-Wärmepumpe

Wärmequelle der Luft-/Wasser-Wärmepumpe ist die Umgebungsluft. Auch wenn dieser Wärmepumpen-Typ den grössten Temperaturschwankungen ausgesetzt ist, kann er dennoch effizient arbeiten. Vorteil der Luft-/Wasser-Wärmepumpe ist die einfache und kostengünstige Installation. Im Gegensatz zur Sole- oder Wasser-/Wasser-Wärmepumpe wird hier keine Baugenehmigung benötigt. Lediglich kleine Eingriffe an der Gebäudehülle müssen vorgenommen werden, wenn die Wärmepumpe aussen aufgestellt wird.

Wegen der einfachen Installation und der vergleichsweisen günstigen Anschaffungskosten ist die Luft-/Wasser-Wärmepumpe sehr beliebt, da sie nahezu jeder Wohnsituation angepasst werden kann. Wir von Heat365 beraten Sie gerne bei weiteren Fragen zu unserer Wärmepumpe unverbindlich und kostenlos an Ihrem Wunschtermin.

Wärmepumpe-Funktion einfach erklärt

Da wir nun wissen, aus welcher Quelle die verschiedenen Wärmepumpen ihre Wärme beziehen, lässt sich die Wärmepumpen-Funktion anhand der nachfolgenden Grafik einfacher erklären:

Je nach Quelle wird die Wärme aus der Luft, dem Erdreich oder dem Grundwasser gewonnen. Die Wärmepumpe sorgt nun mithilfe eines Wärmetauschers (Verdampfers) dafür, dass die Wärme auf ein Kältemittel übertragen wird, wodurch das Kältemittel verdampft. Der Dampf wird im nächsten Schritt mithilfe eines Kompressors verdichtet, wodurch die Temperatur weiter steigt. Ein zweiter Wärmetauscher (Verflüssiger) überträgt die Energie auf die Heizung. Bei diesem Prozess kühlt das Kältemittel so stark ab, dass es sich wieder verflüssigt. Ein Expansionsventil hilft, dass das Kältemittel wieder entspannt, bevor der Kreislauf von vorne beginnt.

Die verschiedenen Komponenten einer Wärmepumpe

Um die Funktionsweise der Wärmepumpe sicherzustellen, werden also verschiedene Komponenten benötigt. So funktioniert eine Wärmepumpe nur mit

• Wärmequelle
• Kältemittel
• Wärmetauscher (Verdampfer)
• Kompressor (Verdichter)
• Wärmetauscher (Verflüssiger)
• Heizungssystem
• Strom

Wärmequelle

Die Wärmequelle ist die Grundvoraussetzung für die Inbetriebnahme einer Wärmepumpe. Während die Wasser-/Wasser-Wärmepumpe die Energie aus dem Grundwasser und die Sole-/Wasser-Wärmepumpe die Wärme aus dem Erdreich gewinnen, zieht die Luft-/Wasser-Wärmepumpe Wärme aus der Umgebungsluft.

Die Wärmequelle ist eine kostenlos und frei zur Verfügung stehende natürliche Ressource. Dies hat folgende Vorteile:

• Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen
• Gute CO2-Bilanz
• Stromverbrauch auf ein Minimum reduziert

Durch die Funktionsweise der Wärmepumpe gewinnen Wärmepumpen immer mehr an Popularität. Die Energiequelle steht kostenlos, endlos und CO2-neutral zur Verfügung. Für die weiteren Komponenten wird zwar Strom benötigt, aber auch dieser kann beispielsweise durch eine Photovoltaikanlage CO2-neutral produziert werden. Damit kommen wir auch schon zu den weiteren Komponenten.

Kältemittel

In jeder Wärmepumpe gibt es einen Kreislauf, damit die aufgenommene Wärme zirkulieren kann. Dafür wird ein Kältemittel eingesetzt, da es bei niedriger Temperatur Wärme sehr gut aufnehmen und bei höherer Temperatur Wärme wieder abgeben kann. Aus diesem Grund funktioniert eine Wärmepumpe nur mithilfe des Kältemittels.

Das Kältemittel ist nichts anderes als ein Fluid. Dies bedeutet: Aufgrund ihrer chemischen Eigenschaft, einer hohen Wärmeleitfähigkeit, sind Kältemittel besonders gut dafür geeignet, Wärme zu übertragen.

Unterschieden wird zwischen zwei Arten: den synthetischen und natürlichen Kältemitteln. Synthetische Kältemittel werden künstlich aus halogenierten Kohlenwasserstoffen hergestellt. Als natürliche Kältemittel werden beispielsweise Ammoniak, Wasser, Kohlenwasserstoffe, Kohlenstoffdioxid und Luft bezeichnet – Stoffe, die ebenfalls aus der Natur gewonnen werden.

Wir von Heat365 setzen bei unseren Wärmepumpen ein natürliches und damit klimaneutrales Kältemittel ein. Ein weiterer Vorteil: Es erreicht eine Vorlauftemperatur von bis zu 75 °C, so dass unsere Wärmepumpe nicht nur für Neubauten, sondern auch für Altbauten sehr gut geeignet ist.

Verdampfer

Für die Funktionsweise der Wärmepumpe wird ein Wärmetauscher (Verdampfer) benötigt. Der Verdampfer überträgt die Wärme aus der Umwelt auf das Kältemittel. Durch den sehr niedrigen Siedepunkt reicht diese Wärme bereits aus, damit es verdampft. Der Dampf wird im Kreislauf weiter an die nächste Komponente, den Kompressor, geleitet.

Kompressor

Ist das Kältemittel verdampft, wird es mithilfe eines Kompressors (Verdichters) verdichtet. Das heisst: Der Druck wird erhöht und die Temperatur des gasförmigen Kältemittels steigt weiter an. Damit ist auch der Kompressor eine wesentliche Komponente, um die Wärmepumpen-Funktion sicherzustellen.

Verflüssiger

Das erhitzte Kältemittel wird vom Verdichter zum zweiten Wärmetauscher, dem Verflüssiger, weitergeleitet. Dieser kondensiert das Kältemittel, so dass es sich wieder verflüssigt und die Wärme an das Heizsystem abgibt. Gleichzeitig fällt der Druck des Kältemittels, es entspannt sich wieder und ist bereit, den Kreislauf von vorne zu starten.

Heizungssystem

Währenddessen wird die vom Verflüssiger an das Heizsystem abgegebene Wärme verwertet. Mit anderen Worten: Wasser nimmt die Wärme auf und verteilt sie entweder zu einem Verteilersystem (Fussbodenheizung oder Heizkörper) oder zu einem Warmwasserspeicher.

Strom

Um den Kreislauf innerhalb der Wärmepumpe in Gang zu setzen, wird Strom benötigt. Wärmepumpen eignen sich deshalb hervorragend dafür, um sie mit einer PV-Anlage zu betreiben. Dies ist aber natürlich kein Muss! Damit möchten wir nur zeigen, dass Wärmepumpen komplett klimaneutral betrieben werden können. Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, beraten wir Sie gerne!

Wie viel Strom benötigt wird, hängt davon ab, wie viel zusätzliche Energie aufgewendet werden muss, um das Kältemittel zu komprimieren. Und damit kommen wir auch schon zum Wirkungsgrad einer Wärmepumpe.

Der Wirkungsgrad einfach erklärt

Vereinfacht ausgedrückt, gibt der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe an, wie viel Energie für nutzbare Wärme aufgebracht werden muss. Anders ausgedrückt: Je höher der Wirkungsgrad, desto besser bzw. effizienter das Heizsystem.

Einfluss auf den Wirkungsgrad haben Alter, Technik und Energieträger. Aus diesem Grund sollte ein Heizsystem auch spätestens nach 20 Jahren ausgetauscht werden. Auch wenn es noch betriebsfähig ist, ist die Effizienz des Geräts aufgrund des Verschleisses über die Jahre häufig nicht mehr gegeben.

Bei Wärmepumpen unterscheidet sich der Wirkungsgrad je nach Typ. Eine Luft-/Wasser-Wärmepumpe kann mit rund 250 Prozent selbst an kalten Tagen einen höheren Wirkungsgrad erreichen als andere Heizsysteme. Bei einer Wasser-/Wasser-Wärmepumpe sorgt die konstante Grundwasser-Temperatur dafür, dass der Wirkungsgrad bei richtigen Bedingungen über 500 Prozent liegt. Dies sorgt dafür, dass deutlich weniger Strom zum Einsatz kommen muss.

Wie berechne ich den Wirkungsgrad?

Um den Wirkungsgrad von Wasser-/Wasser-Wärmepumpen & Co. zu berechnen, gibt es eine Formel. Wie bereits gesagt, wird die bereitgestellte Energie (Strom) mit der erzeugten Energie (Wärme) in ein Verhältnis gesetzt. Die kostenlose Umweltenergie als Primärquelle bleibt bei dieser Berechnung aussen vor.

Wir erklären die Formel anhand eines fiktiven Beispiels: Werden 5’000 kWh Strom benötigt, um 20’000 kWh Wärmemenge zu erzeugen, beträgt der Wirkungsgrad 4 oder 400 Prozent (20’000 kWh / 5’000 kWh = 4). Je höher der Wirkungsgrad, desto besser.

Monoblock vs. Split-Bauweise

Es werden zwei verschiedene Bauweisen bei Wärmepumpen unterschieden: die Monoblock- und die Split-Bauweise. Auswirkungen auf die Wärmepumpen-Funktion haben die Bauweisen jedoch nicht.

Monoblock-Bauweise

Der zuvor beschriebene Kältemittelkreislauf findet bei der Monoblock-Bauweise in einem einzigen Gerät statt. Das Gerät kann sowohl innen als auch aussen aufgestellt sein. Aus diesem Grund eignet sich die Monoblock-Bauweise sehr gut für Altbauten, da kein zusätzlicher Platz für die Wärmepumpe im Innenraum bereitgestellt werden muss.

Die Vorteile der Monoblock-Bauweise:

• Einfache und kostengünstige Montage
• Kein Platz im Innenraum benötigt (bei Aussenaufstellung)
• Keine Wartung des Kältemittelkreislaufes erforderlich

Nachteilig ist, dass das Gerät mehr Platz in Anspruch nimmt, da sich alle Komponenten in einem Gerät befinden, und die Eingriffe in die Gebäudehülle höher ausfallen.

Split-Bauweise

Bei der Split-Bauweise werden zwei Geräte benötigt, die miteinander verbunden werden müssen. Dafür sind jedoch nur kleine Eingriffe in die Gebäudehülle notwendig.

Im äusseren Gerät befinden sich Verdampfer und Verdichter. Verflüssiger und Expansionsventil sind im innen befindlichen Gerät integriert. Unabhängig von der Aufstellung, funktioniert eine Wärmepumpe aber immer gleich, das heisst mit dem gleichen Kältemittelkreislauf und den gleichen Komponenten.

Die Vorteile der Split-Bauweise:

• Flexible Aufstellungsmöglichkeiten (z. B. Dachboden)
• Leichtere und kompaktere Ausseneinheit
• Nur geringe Eingriffe in Gebäudehülle durch dünnere Leitungen
• Kostenreduktion, da Dämmung von Rohrleitungen entfällt

Nachteil dieser Bauweise ist der höhere Installations- und Wartungsaufwand. Zudem muss zwingend im Innenraum ein Gerät installiert werden, auch wenn dieses kleiner ausfällt als bei der Monoblock-Bauweise.

Wärmepumpe-Funktion im Sommer

Wärmepumpen sollten unter folgenden Voraussetzungen im Sommer nicht abgeschaltet werden:

• Erwärmung des Brauchwassers
• Aktive Kühlung der Räume mit Luft-/Wasser-Wärmepumpe

In der Regel ist die Funktionsweise einer Wärmepumpe, Räume zu beheizen. Darüber hinaus kann Trinkwasser erwärmt werden. In diesem Fall muss die Wärmepumpe auch den Sommer über betrieben und darf nicht abgeschaltet werden.

Luft-/Wasser-Wärmepumpen haben darüber hinaus eine weitere Wärmepumpen-Funktion: die aktive Kühlung von Räumen. Hier erfolgt das Prinzip genau umgekehrt. Anstatt warme Umgebungsluft an die Räume abzugeben, wird hier warme Raumluft an die Umgebung abgegeben. Damit kann die Raumtemperatur um bis zu 3 °C gesenkt werden. Die aktive Kühlung bleibt der Luft-/Wasser-Wärmepumpe vorbehalten. Für die aktive Kühlung wird Strom benötigt.

Bei der passiven Kühlung funktioniert eine Wärmepumpe anders: Hierzu muss das Heizsystem, wie die Fussbodenheizung, mit einer Erd- oder Grundwasser-Wärmepumpe kombiniert werden. Nicht gebrauchte Wärme wird so an die Sole oder das Grundwasser abgegeben. Der Vorteil hier: Da nur die Pumpe der Wärmepumpe arbeitet, muss die Wärmepumpe selbst nicht in Betrieb sein und produziert dadurch keinen Strom.

Wärmepumpe-Funktion im Winter

Grundsätzlich funktioniert eine Wärmepumpe so, dass 75 Prozent der Wärme über Grundwasser, Erdreich oder Umgebungsluft gewonnen werden. Die übrigen 25 Prozent der Wärme werden mithilfe von Strom produziert. Während Temperaturschwankungen bei den Primärquellen Erde und Wasser ausbleiben, trifft dies bei der Umgebungsluft nicht zu.

Nun stellt sich also die Frage, ob die Funktionsweise der Wärmepumpe auch im Winter sichergestellt ist – hier insbesondere bei der Luft-/Wasser-Wärmepumpe.

Unabhängig von der Aussentemperatur, kann eine Luft-/Wasser-Wärmepumpe Energie aus der Umgebungsluft ziehen und damit auch im Winter zuverlässig und effizient heizen. Dies trifft auch dann zu, wenn die Temperatur –20 °C erreicht. Bei nahezu allen Wärmepumpen wird ein sogenannter Elektroheizstab verbaut. Dieser kann bei einem Notbetrieb im Winter zum Einsatz kommen. Dies bedeutet aber nicht, dass der Stromverbrauch erheblich steigt.

Wichtig ist eine richtig dimensionierte Wärmepumpe und bei Altbauten eine ausreichende Wärmedämmung sowie Dämmung der Warmwasserleitung, damit keine Wärme verloren geht und die Wärmepumpe mehr arbeiten muss.

Monovalenter vs. bivalenter Betrieb

Wärmepumpen können monovalent oder bivalent eingesetzt werden. Bei dem monovalenten Betrieb deckt die Wärmepumpe allein den gesamten Wärmebedarf eines Objekts. Ist das Heizgerät korrekt dimensioniert, kann nicht nur die Wohnfläche, sondern auch das Brauchwasser ausreichend erwärmt werden.

Was braucht es für einen monovalenten Betrieb?

• Korrekt dimensionierte Wärmepumpe
• Gute Wärmedämmung
• Gedämmte Rohrleitungen

Diese Voraussetzungen treffen in den häufigsten Fällen auf Neubauten oder sanierte Altbauten zu.

Bei dem bivalenten Betrieb wird die Wärmepumpe mit einer weiteren Wärmequelle kombiniert, um die Effizienz zu steigern. Dies kann vor allem bei Altbauten erforderlich werden. Die zusätzliche Wärmequelle kann dabei eine Gasheizung, Pelletheizung oder Ähnliches sein, aber genauso gut eine Solaranlage.

Abschliessende Worte

Durch die Funktionsweise einer Wärmepumpe wird effizientes Heizen das gesamte Jahr über gewährt und damit ein hoher Wirkungsgrad erzielt. Durch die Umweltenergie als Primärquelle können bis zu 75 Prozent der Wärme kostenlos gewonnen werden und lediglich 25 Prozent der benötigten Energie müssen durch hinzugezogenen Strom erzeugt werden.

Wärmepumpen können komplett klimaneutral mithilfe eines natürlichen Kältemittels und grünen Stroms betrieben werden. Damit schonen Sie nicht nur die Umwelt, sondern machen sich auch unabhängig von fossilen Brennstoffen und deren Preisschwankungen.

Je nach Wohnsituation hat die Monoblock- oder Split-Bauweise mehr Sinn. Beide haben Vor- und Nachteile. Allerdings bietet die Wärmepumpe mit den verschiedenen Bauweisen Flexibilität, das Heizsystem auf Ihre individuellen Bedürfnisse hin zu integrieren, was bei anderen Systemen nicht möglich ist.

Weitere Informationen finden Sie auch in unserer Blogpost zu Funktion, Kosten und Vorteilen einer Luft-/Wasser-Wärmepumpe.