Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

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

Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

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 der Kühlschrank Strom. Andere Systeme wie eine Elektroheizung wandeln Strom direkt in Wärme um. Eine Wärmepumpe nutzt diesen hingegen, um Wärme aus dem Erdreich 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 thermische Energie geht anschließend auf das Heizsystem über, wodurch sich das Kältemittel wieder abkühlt und seinen Ausgangszustand einnimmt.

Die Funktion der Wärmepumpe im Detail erklärt und anhand einer Infografik

  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.
Ablaufschema der Funktion der Wärmepumpe
© heizung.de

Die verschiedenen Wärmequellen - Wasser, Luft, Erde

Die Funktion einer Wärmepumpe kann 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. Wie funktioniert also eine Wärmepumpe? Die Funktion der Wärmepumpe ist bei jeder Wärmequelle gleich. Mit dem passenden Kältemittel wird der Umgebung Energie entzogen und in Form von nutzbarer Wärme abgegeben.

Funktionsweise der Adsorptionswärmepumpe

Die bekannteste Wärmepumpenart ist die Kompressionswärmepumpe. Sie basiert auf einem 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

Wie funktioniert die Adsorptionswärmepumpe?

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 anschließen 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 im Ablauf. 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.

Funktionsweise der Absorptionswärmepumpe

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

Wie funktioniert eine Absorptionswärmepumpe?

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.

Heizung.de Autor Philipp Hermann
Fazit von Philipp Hermann
Wer sich schon einmal die Frage gestellt hat "Wie funktioniert eine Wärmepumpe", der sollte sich nun ausreichend informiert fühlen. Während ein Kühlschrank die Wärme aus dem Inneren entzieht, setzt bei der Wärmepumpe der umgekehrte Prozess ein. Das ermöglicht es, Wärme aus de Luft, dem Erdreich oder dem Wasser kostengünstig und nachhaltig zum Heizen einzusetzen. Dabei können, wie gezeigt, drei Arten der Wärmepumpe unterschieden werden.
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