Das Prinzip einer Wärmepumpe einfach erklärt

Der Aufbau einer Wärmepumpenanlage

Eine Wärmepumpenanlage nutzt kostenfreie Energie aus der Umwelt für die Heizung und Warmwasser. Damit das funktioniert, ist ein spezieller Aufbau nötig. Dieser besteht in der Regel aus der Wärmequellenanlage, der Wärmepumpe selbst und der Wärmenutzungsanlage. Die Wärmequellenanlage beinhaltet dabei alle Bauteile zur Gewinnung der Umweltwärme. Geht es um das Prinzip einer Wärmepumpe für Luft, kann das zum Beispiel ein Ventilator oder ein Kanalsystem sein. Die Wärmepumpe steht zwischen Umweltquelle und Heizsystem. Sie enthält den Kältemittelkreis und sorgt für den nötigen Temperaturhub der Wärme aus Luft, Erde oder Wasser.

Die Wärmenutzungsanlage bildet das Heizsystem im Gebäude. Sie besteht neben Pumpen, Armaturen und Heizleitungen auch aus den Heizflächen und der Warmwasserbereitung. Günstig ist außerdem auch ein Pufferspeicher, der für einen effizienten Betrieb der Heizung sorgt.

Das Prinzip einer Wärmepumpe im Überblick

Ist das Heizsystem in Betrieb, gewinnt es thermische Energie aus der Umwelt und überträgt diese auf das  Kältemittel. Dabei steigt die Temperatur des strömenden Mediums und es wechselt seinen Aggregatzustand von flüssig zu dampfförmig. Dieser Phasenübergang ist Voraussetzung für den nächsten Schritt und damit auch für das Prinzip einer Wärmepumpe. Denn er ermöglicht die Verdichtung durch einen mit Gas oder Strom betriebenen Kompressor.

Dieser erhöht den Druck des dampfförmigen Kältemittels, wodurch auch seine Temperatur ansteigt. Ist der Sollwert erreicht, strömt das Medium zu einem Wärmeübertrager und gibt die enthaltene thermische Energie an das Heizsystem ab. Die Temperatur des Kältemittels sinkt dabei und es wird allmählich wieder flüssig. Hat es seinen Ausgangszustand durch ein spezielles  Drosselventil  erreicht, kann der Prozess erneut ablaufen.

Sparsamer Betrieb durch niedrigen Temperaturhub

Der  Vorteile der Wärmepumpe  liegt im sparsamen und effizienten Betrieb. Das gilt jedoch nur, wenn der Temperaturhub niedrig ist. Denn auf diese Weise hat der Verdichter weniger zu tun und der Energieverbrauch sinkt. Sollen die Heizkosten einer Wärmepumpenanlage niedrig ausfallen, muss die Umweltenergiequelle also warm und die Vorlauftemperatur der Heizung niedrig sein. Möglich ist das zum Beispiel in energiesparend gebauten oder sanierten Gebäuden mit Flächenheizung.

Prinzip einer Wärmepumpe mit Solarthermie kombinieren

Günstig ist es außerdem, wenn Hausbesitzer die Wärmepumpenheizung mit einer  Solaranlage zur Warmwasserbereitung  kombinieren. Diese ist platzsparend und günstig zu installieren und beansprucht die Umweltwärmequelle weniger, in dem sie das Trinkwasser mit kostenfreier Energie der Sonne erwärmt. Dient das Prinzip einer Wärmepumpe allein der Raumheizung, sind niedrigere Vorlauftemperaturen nötig. Der Temperaturhub kann kleiner ausfallen und die Heizkosten sinken.

Verschiedene Energiequellen für die Heizung

Entscheiden sich Hausbesitzer für eine Wärmepumpenheizung, stehen ihnen generell verschiedene Energiequellen zur Auswahl. Typisch ist dabei die Luft, das Erdreich oder das Wasser.

Das Prinzip einer Wärmepumpe mit Umgebungsluft

Die Luft ist die Wärmequelle, die sich mit Abstand am einfachsten erschließen lässt. Denn dafür genügt lediglich ein Ventilator, der frische Umgebungsluft über den Verdampfer der Wärmepumpenanlage bläst. Soll die Technik nicht außen aufgestellt werden, benötigen Hausbesitzer außerdem Kanäle, die Gitter in der Außenwand mit der Wärmepumpeneinheit verbinden. Eine Alternative bietet die  Split-Wärmepumpe, die aus einer Außen- und einer Inneneinheit besteht. Luftwärmepumpen sind zwar günstig, benötigen aber vor allem bei niedrigen Außentemperaturen mehr elektrische Energie.

Erdwärmepumpen nutzen oberflächennahe Geothermie

Eine effiziente Alternative ist die Erdwärmepumpe, die thermische Energie aus den oberen Erdschichten gewinnt. Möglich ist das durch einen speziellen Solekreis. Dieser fördert mit Frostschutzmittel versetztes Wasser (die Sole) durch Leitungen im Erdreich und entzieht diesem dabei kostenfreie Umweltwärme. Die erwärmte Sole strömt anschließend zum Verdampfer und überträgt die Energie an den Kältemittelkreislauf. Das Erdreich lässt sich mit Tiefenbohrungen, flächig verlegten Kollektoren oder sogenannten Wärmekörben gewinnen. Das ist zwar teurer, liefert aber ganzjährig höhere Temperaturen. So funktioniert die Anlage effizienter und die Heizkosten sinken.

Wasserwärmepumpen gewinnen Grundwasserwärme

Das Prinzip einer Wärmepumpe funktioniert auch mit Grundwasser. Dieses gelangt dabei über eine Brunnenanlage zum Verdampfer und liefert im Vergleich meist die höchsten Temperaturen. Die Erschließung der Wärmequelle ist jedoch aufwendig und nur dann möglich, wenn das Grundwasser hohe Anforderungen an Vorkommen und Qualität einhält. Diese sollen zum einen die Wärmepumpenheizung, zum anderen aber auch die wertvolle Trinkwasserquelle schützen.