Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Die Wärmepumpe als Wärmeerzeuger gewinnt zunehmend an Bedeutung. Denn anders als viele klassische Heizungen kommt es hier zu keinem Verbrennungsprozess und damit auch zu keinem CO2-Ausstoß. Das gilt zumindest dann, wenn der Strom aus erneuerbaren Energien stammt. Strom? Wo kommt dieser in einer Wärmepumpe zum Einsatz? Die Funktion der Wärmepumpe ist auf ihre Art und Weise sehr besonders. Erfahren Sie hier mehr dazu.

Eine Wärmepumpe funktioniert ähnlich wie ein Kühlschrank. Mit einem kleinen Unterschied: Ein Kühlschrank entzieht dem Raum Wärme, die Wärmepumpe leitet die Wärme hingegen in den Raum hinein. Für diesen Vorgang benötigt die Wärmepumpe wie auch der Kühlschrank Strom. Andere Systeme wie eine Elektroheizung wandeln den Strom direkt in Wärme um. Eine Wärmepumpe nutzt diesen hingegen, um thermische Energie aus dem Erdreich, dem Grundwasser oder der Luft auf ein gewünschtes Temperaturniveau zu erhöhen. 

Diese Umweltenergie geht auf ein spezielles Kältemittel über. Dieses hat die besondere Eigenschaft, dass es bereits bei relativ niedrigen Temperaturen verdampft. Ein Verdichter (Scrollverdichter) erhöht den Druck des Kältemittels und damit die Temperatur des Kältemitteldampfs. Die damit erhöhte thermische Energie geht anschließend auf das Heizsystem über, wodurch sich das Kältemittel wieder abkühlt und seinen Ausgangszustand einnimmt.

1. Verdampfer: Die Wärmepumpenheizung nimmt Energie aus der Umwelt auf. Das funktioniert entweder direkt mit einer Luft- oder Grundwasserwärmepumpe oder indirekt über einen separaten Kreislauf. Dieser kommt zum Beispiel bei einer Erdwärmepumpe zum Einsatz. Eine spezielle Flüssigkeit (das Kältemittel) nimmt die Wärme auf und verdampft bereits bei niedrigen Temperaturen.
2. Verdichter: Da der Kältemitteldampf an dieser Stelle zu kalt ist, um ein Haus mit Wärme zu versorgen, muss seine Temperatur angehoben werden. Möglich ist das mit einem Verdichter. Dieser läuft mit Strom oder Gas und sorgt in der Funktionsweise der Wärmepumpe für den Temperaturhub. Wichtig zu wissen ist, dass der Prozess weniger Energie verbraucht, je kleiner die Differenz zwischen Wärmequelle und Heizungssystem ist.
3. Verflüssiger: Anschließend gibt das erhitzte Kältemittel thermische Energie an das Heizsystem ab. Dabei sinkt seine Temperatur, und es verflüssigt sich. 
4. Entspannungsventil: Ein zusätzliches Drosselventil sorgt dafür, dass der Druck auf den Ausgangszustand sinkt. Das ist Voraussetzung dafür, dass die Funktionsweise der Wärmepumpe immer wieder ablaufen kann.

Die Funktion einer Wärmepumpe kann, wie oben bereits kurz erwähnt, durch vielerlei Quellen genutzt werden. Umweltwärme entsteht beispielsweise dadurch, dass Wasser oder Luft durch Sonnenstrahlen mit Energie gespeist werden. Aus dem Erdreich wird die gespeicherte Energie durch Tiefenbohrungen entnommen. Aber auch die Abwärme von großen technischen Anlagen, wie zum Beispiel Serverräumen, können mit einer Wärmepumpe genutzt werden, um genug Wärme für ein ganzes Gebäude zu erzeugen. Mehr Informationen, wie die unterschiedlichen Quellen genutzt werden können, finden Sie über die nachfolgenden Links zu den entsprechenden Beiträgen:

Übrigens: Neben den Standard-Lösungen gibt es auch eine Reihe von Sonderanwendungen. So gewinnen Abwasser-Wärmepumpen thermische Energie sogar aus der Kanalisation.

Wärmepumpen können nicht nur nach Art der Umweltenergie unterschieden werden, sondern auch nach ihrer technischen Funktion – das heißt, wie sie das Temperaturniveau erhöhen. Die bekannteste Wärmepumpenart ist die Kompressionswärmepumpe. Sie basiert auf dem oben beschriebenen technischen Prozess, bei dem ein Kältemittel durch einen elektrisch betriebenen Kompressor oder einen Gasmotor verdichtet wird. 

Die Adsorptionswärmepumpe kommt hingegen ohne mechanische Verdichtung aus. Möglich ist das durch die speziellen Eigenschaften eines porösen Materials und den Einsatz effizienter Gasheiztechnik. Die Funktionsweise der Wärmepumpe basiert dabei auf zwei Phasen, die sich in der Praxis abwechseln. Diese sind die:

• Adsorption, bei der das Material Wasserdampf aufnimmt
  
• Desorption, bei der eine Gasheizung das Gestein trocknet
  

Im ersten Schritt der Wärmepumpenheizung nimmt das Kältemittel Wärme aus der Umgebung auf. Während diese zum Beispiel aus einer Solaranlage stammt, sorgt ein niedriger Anlagendruck dafür, dass das Medium verdampft. Der dabei entstehende Kältemitteldampf setzt sich anschließend an das poröse Material, bis dieses komplett befeuchtet ist. Infrage kommt hier zum Beispiel Zeolith, weshalb Experten bei dieser Wärmepumpenart auch von der Zeolith-Heizung oder Zeolith-Wärmepumpe sprechen.

Sobald das poröse Material keine Feuchtigkeit mehr aufnehmen kann, startet mit der Desorption die zweite Phase. Dabei erhitzt ein Gasbrenner das Zeolith und treibt den Dampf aus. Dieser gibt die enthaltene Energie über einen Wärmeübertrager an die Heizung ab. Dabei sinkt seine Temperatur, das Kältemittel wird wieder flüssig und der Prozess beginnt von vorn.

Eine dritte Wärmepumpenart ist die Absorptionswärmepumpe. Sie basiert auch auf einem immer wiederkehrenden Prozess, der wie bei der Zeolith-Heizung ohne mechanische Druckerhöhung funktioniert. Zum Einsatz kommt hier jedoch kein festes Material, sondern eine Flüssigkeit (Sorptionsmittel), die den Kältemitteldampf aufnimmt. Die Funktionsweise der Wärmepumpe besteht aus drei Schritten. Diese sind die:

• Verdampfung des Kältemittels
  
• Absorption des Kältemitteldampfes
  
• Trocknung des Sorptionsmittels
  

Auch hier beginnt der Prozess mit der Aufnahme der Umweltenergie. Diese stammt zum Beispiel aus der Luft, dem Erdreich oder dem Grundwasser und sorgt dafür, dass ein Kältemittel verdampft. Im zweiten Schritt der Funktionsweise der Wärmepumpe strömt das nun dampfförmige Kältemittel zum Absorber. Hier nimmt eine Flüssigkeit (Sorptionsmittel) den Dampf auf und sorgt dafür, dass der Druck im Prozess niedrig bleibt.

Ist das Sorptionsmittel gesättigt, wird es von einer Pumpe zum sogenannten Austreiber (einem Wärmeübertrager) transportiert. Hier erhitzt ein Gasbrenner das Gemisch, wobei sich die Flüssigkeiten wieder voneinander trennen. Das dampfförmige Kältemittel gibt die enthaltene Energie daraufhin an das Heizsystem ab und verflüssigt. Sobald es seinen Ausgangzustand erreicht hat, beginnt der Prozess von vorn.

Eine strombetriebene Wärmepumpenheizung arbeitet nur dann besonders sparsam, wenn der Temperaturunterschied zwischen Umweltwärmequelle und Heizsystem niedrig ist. Denn das entlastet den elektrischen Verdichter und sorgt für niedrige Heizkosten. Neben der Wahl einer günstigen Energiequelle sollten Hausbesitzer dabei auch auf die Planung der eigenen Anlage achten. Voraussetzung für die sparsame Funktion der Wärmepumpe ist dabei ein System, das auch mit niedrigen Heizwassertemperaturen für kuschelige Temperaturen sorgt. Möglich ist das zum Beispiel durch eine gut gedämmte Gebäudehülle, energiesparende Fenster und eine Flächenheizung wie etwa Fußboden- oder Wandheizung.

Stromverbrauch einschätzen und berechnen

Der Stromverbrauch einer Wärmepumpe hängt darüber hinaus von der Heizleistung und der Jahresarbeitszahl (JAZ) ab. Die entsprechende Formel sieht folgendermaßen aus:

Jährliche Heizleistung in Kilowattstunden / JAZ = jährlicher Stromverbrauch in Kilowattstunden

Wir gehen eine Beispielrechnung mit einer jährlichen Heizleistung von 10.000 kWh (6.000 kWh für Heizung und 4.000 kWh für Warmwasser) und Richtwerten für die JAZ (4 für Heizung und 3,5 für Warmwasser) durch.

Die Rechnung setzt sich nun wie folgt zusammen:

(6.000 kWh / 4) + (4.000 kWh / 3,5) = 2643 kWh (gerundet)

Je nach JAZ der Wärmepumpe kann sich der jährliche Stromverbrauch zwischen 2.000 und 4.000 kWh bewegen. Das heißt, je niedriger die JAZ umso sparsamer der Betrieb. Wichtig: die Wärmepumpe sollte in jedem Falle zum individuellen Heizverhalten und zum Gebäude passen.