In der Wärmequellenanlage strömt die aufgenommene Umweltwärme zum Verdampfer. Dort trifft sie auf das flüssige Kältemittel. Dieses Kältemittel verdampft bereits bei sehr niedrigen Temperaturen. Dadurch kann die Wärmepumpe auch bei Frost Wärme aus der Umgebung aufnehmen. Das Kältemittel nimmt die Wärme der Umgebung auf und wird gasförmig.
Funktionsweise der Wärmepumpe
Richtofferte anfordernWie funktioniert eine Wärmepume?
Eine Wärmepumpe funktioniert ähnlich wie ein Kühlschrank - quasi nur umgekehrt. Während ein Kühlschrank den Lebensmitteln, also dem Innenraum des Kühlschranks, Wärmeenergie entzieht und diese nach aussen leitet, macht eine Wärmepumpe das Gegenteilige: Sie entzieht der Umgebung ausserhalb des Gebäudes Wärmeenergie und macht sie für die Heizung im Innenbereich nutzbar. Neben der Raum- bzw. Aussenluft ist eine Wärmepumpe in der Lage, die Wärmeenergie aus dem Grundwasser und dem Erdreich anzuzapfen. Und weil die Temperatur dieser so gewonnenen Wärme in der Regel nicht genügt, um ein Gebäude oder das Warmwasser zu erwärmen, bedient man sich des thermodynamischen Prozesses.
Wichtige Fakten auf einen Blick:
- Eine Wärmepumpe gewinnt bis zu drei Viertel der benötigten Energie aus der Umwelt (Luft, Erde oder Wasser) und nur ein Viertel aus Strom.
- Kernkomponenten sind der Verdampfer, der Verdichter, der Verflüssiger und das Expansionsventil, die in einem geschlossenen Kreislauf zusammenarbeiten.
- Wärmepumpen funktionieren auch bei sehr niedrigen Aussentemperaturen zuverlässig und können zusätzlich zur Heizfunktion auch zur Kühlung von Räumen eingesetzt werden.
Aufbau und Funktionsprinzip der Wärmepumpe
Unabhängig von der erschlossenen Umweltenergiequelle besteht das Wärmepumpensystem aus drei Hauptteilen, die im Zusammenspiel die Nutzung von Umweltenergie erst ermöglichen:
- Wärmequellenanlage: Entzieht der Umgebung Energie (z. B. aus Luft, Erdreich oder Grundwasser)
- Wärmepumpe: Macht die gesammelte Umweltwärme nutzbar und hebt sie auf ein höheres Temperaturniveau.
- Wärmeverteil- und Speichersystem: Verteilt die erzeugte Wärme im Gebäude (z. B. über Fussbodenheizung, Heizkörper) und speichert sie in einem Pufferspeicher.
Wärmepumpenprinzip: Kältekreisprozess Schritt für Schritt erklärt
Weil die Temperatur der gewonnenen Wärme in der Regel nicht für das Heizen von Gebäuden und zur Warmwasserbereitung ausreicht, ist bei der Funktionsweise der Wärmepumpe ein thermodynamischer Prozess notwendig. Der bereits erwähnte Kältekreisprozess erfolgt in vier Schritten und wiederholt sich stetig:
Das nun gasförmige Kältemittel gelangt in den Verdichter (Kompressor). Dieser benötigt Strom und erhöht den Druck des Gases stark. Durch den Druckanstieg steigt auch die Temperatur des Gases auf das für die Heizung benötigte Niveau. Der Kompressor ist das zentrale Bauteil, das die elektrische Energie nutzt, um die Umweltwärme in nutzbare Heizwärme umzuwandeln.
Interessant: 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.
Das heisse, gasförmige Kältemittel strömt in den Verflüssiger. Dort gibt es Wärme an das Heizungssystem ab, indem es das Heizungswasser erwärmt. Bei diesem Vorgang kühlt das Gas ab und wird wieder flüssig. Die freigegebene Wärmeenergie wird nun über die Heizverteilung (z. B. Fussbodenheizung) in die Räume geleitet. Ein Teil davon kann auch in einem Puffer- oder Warmwasserspeicher für eine spätere Nutzung gespeichert werden.
Das nun wieder flüssige, aber immer noch unter Druck stehende Kältemittel wird durch ein Expansionsventil (auch Entspannungsventil) geleitet. Dabei sinkt der Druck stark ab, das Kältemittel kühlt sich weiter ab und der gesamte Wärmepumpenprozess beginnt von vorn.
Ein weiterer Wärmetauscher (Verflüssiger) überträgt anschliessend die Energie aus dem erwärmten Dampf auf den Heizkreislauf (Fussbodenheizung, Heizkörper oder Heizungspuffer bzw. Warmwasserspeicher). Dabei kühlt das noch unter Druck stehende Kältemittel ab und verflüssigt sich wieder. Bevor es zurück zum Kreislauf fliessen kann, wird das Kältemittel zunächst in einem Expansionsventil entspannt. Hat es seinen Ausgangszustand erreicht, kann der Kältekreisprozess von vorn beginnen.
Einfach erklärt: Prinzip der Wärmepumpe
Unterschiede der Energiequellen
Obwohl alle Wärmepumpen nach demselben Prinzip funktionieren, unterscheiden sie sich grundlegend in der Wahl ihrer Energiequelle:
- Luft-Wasser-Wärmepumpe (Luftwärmepumpe): Diese am häufigsten installierte Art nutzt einen Ventilator, um Aussenluft anzusaugen. Im Verdampfer der Wärmepumpe wird die Wärme aus der Luft auf das Kältemittel übertragen. Die Installation ist kostengünstig, aber die Leistung hängt auch von der Aussentemperatur ab.
- Sole-Wasser-Wärmepumpe (Erdwärmepumpe): Die Sole-Wasser-Wärmepumpe gewinnt ihre Energie aus dem Erdreich, wo die Temperaturen das ganze Jahr über relativ konstant sind. Ein Rohrsystem, gefüllt mit einem Wasser-Frostschutz-Gemisch (Sole), wird in der Tiefe verlegt. Diese Art der Wärmepumpe liefert sehr hohe Jahresarbeitszahlen (JAZ), da die Energiequelle stabil ist. Die Installation ist jedoch aufwendiger und kostenintensiver.
Detaillierte Informationen zu den Funktionsweisen lesen Sie in unseren Ratgebern zur Luft-Wasser-Wärmepumpe und Sole-Wasser-Wärmepumpe.
Kältemittel: Essentiell für die Funktion der Wärmepumpe
Ein spezielles Kältemittel ist für die Funktionsweise einer Wärmepumpe unerlässlich. Ein entscheidendes Merkmal ist sein extrem tiefer Siedepunkt. Dadurch geht die Flüssigkeit schon bei sehr niedrigen Temperaturen – teils bei minus 20 °C – in den gasförmigen Zustand über. Dies ist der Grund, warum eine Wärmepumpe auch im Winter bei niedrigen Aussentemperaturen zuverlässig funktioniert.
Übrigens: Die Viessmann Wärmepumpen der neuesten Generation nutzen das natürliche Kältemittel Propan (R290), das bezüglich seiner Eigenschaften klassischen Kältemitteln in nichts nachsteht.
Die Kompression und der Stromverbrauch der Wärmepumpe
Ein wesentlicher Bestandteil des Kältekreislaufs ist der Verdichter. Er spielt eine entscheidende Rolle, da die Ausgangstemperaturen der Umweltwärme ohne Komprimierung nicht ausreichen, um ein Gebäude zu erwärmen. Erst durch die Kompression kann die Temperatur des Kältemittels so stark erhöht werden, dass auch an sehr kalten Tagen mit zweistelligen Minusgraden effizient geheizt werden kann.
Da der Verdichter meist elektrisch angetrieben wird, wird für die Funktion Strom benötigt. Der genaue Stromverbrauch der Wärmepumpe hängt unter anderem von den folgenden Faktoren ab:
- Heizbedarf des Gebäudes: Wie viel Wärme wird benötigt?
- Verdichtertechnik: Welcher Typ von Verdichter wird verwendet (z. B. Kolben- oder Scrollverdichter)?
- Temperaturdifferenz: Je grösser der Unterschied zwischen der Temperatur der Wärmequelle (z. B. der Aussenluft) und der gewünschten Vorlauftemperatur im Heizungssystem ist, desto mehr muss der Verdichter arbeiten und desto höher ist der Stromverbrauch.
Info: Neben herkömmlichen Haushaltsstromtarifen gibt es für Wärmepumpen spezielle Tarife. Mehr über diese lesen Sie in unserem Ratgeber zu Wärmepumpenstrom.
Wärmepumpe zum Wärmen und Kühlen
Die Funktionsweise der Wärmepumpe ist auch bei sehr niedrigen Aussentemperaturen zuverlässig. Besonders effizient erfolgt die Wärmeversorgung mit Wasser-Wasser- und Sole-Wasser-Wärmepumpen, da im Erdreich und im Grundwasser das ganze Jahr über konstante Temperaturen herrschen. Aber auch Luft-Wasser-Wärmepumpen arbeiten bei zweistelligen Minusgraden. Viessmann Wärmepumpen, wie die Vitocal 250-A sind auch bei niedrigen Aussentemperaturen (unter -10 °C) noch zuverlässig.
Dank reversibler Funktion können Wärmepumpen im Sommer kühlen
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. Es wird zwischen zwei Kühlmethoden unterschieden:
- Natural Cooling: Die Wärmepumpe bleibt ausgeschaltet. Die kühlere Temperatur der Umweltwärmequelle (Erdreich, Grundwasser) wird über einen Wärmeübertrager zur Kühlung der Räume genutzt.
- Active Cooling: Die Funktion der Wärmepumpe wird aktiv umgekehrt, sodass die Wärme aus den Räumen nach aussen transportiert wird. Diese Arbeitsweise entspricht der eines Kühlschranks.
Den detaillierten Prozess der Kühlfunktionen lesen Sie in unserem Ratgeber zu Natural und Active Cooling.
FAQ – Häufig gestellte Fragen zur Funktion der Wärmepumpe
Der Stromverbrauch einer Wärmepumpe hängt unter anderem von ihrer Effizienz (Jahresarbeitszahl) und der benötigten Heizleistung ab. Der Grossteil der Heizenergie kommt aus der Umwelt, der Strom wird hauptsächlich für den Betrieb des Verdichters benötigt.
Ja, die meisten modernen Wärmepumpen können neben der Raumheizung auch das Warmwasser für den Haushalt erzeugen. Speziell für die Warmwasserbereitung gibt es zudem eigenständige Warmwasser-Wärmepumpen, die das ganze Jahr über effizient das Trinkwasser erwärmen. Diese können entweder die Abluft aus dem Haus (z. B. aus dem Keller oder der Waschküche) nutzen oder aus der Aussenluft Wärme gewinnen. Mehr über diese spezielle Art der Wärmepumpe erfahren Sie in unserem Ratgeber zur Warmwasser-Wärmepumpe.
Ja, Viessmann bietet Wärmepumpen an, die hohe Vorlauftemperaturen (z. B. 70 °C) erreichen und somit auch in gut gedämmten Bestandsgebäuden mit herkömmlichen Heizkörpern eingesetzt werden können.
Mehr dazu lesen Sie in unserem Ratgeber zu Wärmepumpe im Altbau.
Die Kombination von Wärmepumpe und PV-Anlage ist ideal. Der tagsüber erzeugte Solarstrom kann direkt zum Betrieb der Wärmepumpe genutzt werden, was die Betriebskosten weiter senkt und die Unabhängigkeit erhöht.
Eine Erdwärmepumpe nutzt die im Erdreich gespeicherte Wärme. Dazu kommen zwei Hauptmethoden zum Einsatz:
- Erdsonden: Diese werden vertikal bis zu 100 Meter tief in den Boden gebohrt. Sie benötigen wenig Fläche und sind besonders effizient.
- Erdkollektoren: Diese werden horizontal und flächig in geringer Tiefe verlegt. Sie sind kostengünstiger in der Installation, benötigen aber eine grössere Gartenfläche.
Welche Methode am besten geeignet ist, hängt von den Gegebenheiten Ihres Grundstücks ab. Weitere Details finden Sie in unseren Ratgebern zu Erdkollektoren und Erdsonden.
