Pour pouvoir évaporer un liquide, il faut fournir de l'énergie. Ce phénomène est facile à observer avec l'eau. Lorsqu'on chauffe une casserole d'eau à 100 °C (on y ajoute de l'énergie thermique), l'eau commence à s’évaporer. Si l'on y ajoute ensuite de l'énergie thermique supplémentaire, la température de l'eau ne continue pas à augmenter. Au contraire, l'eau est entièrement transformée en vapeur.
Fonctionnement de la pompe à chaleur
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Comment fonctionne une pompe à chaleur ?
Une pompe à chaleur fonctionne de la même manière qu'un réfrigérateur, mais en sens inverse. Alors qu'un réfrigérateur extrait l'énergie thermique des aliments, c'est-à-dire de l'intérieur du réfrigérateur, et la transmet à l'extérieur, une pompe à chaleur fait l’inverse : elle extrait l'énergie thermique de l'environnement extérieur au bâtiment et la rend utilisable pour le chauffage à l'intérieur. Outre l'air intérieur ou extérieur, une pompe à chaleur est capable d'exploiter l'énergie thermique des eaux souterraines et de la terre. Et comme la température de la chaleur obtenue est généralement insuffisante pour chauffer un bâtiment ou l'eau chaude sanitaire, on utilise des procédés thermodynamiques pour augmenter la température.
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.
Le processus du cycle de réfrigération au cœur du principe de la pompe à chaleur
Quelle que soit la source de chaleur utilisée pour produire de la chaleur, le processus du cycle de réfrigération, qui comporte quatre étapes, fait toujours partie du mode de fonctionnement des pompes à chaleur.
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:
Si un gaz, comme l'air, est comprimé (la pression augmente), sa température augmente également. Vous pouvez en faire l'expérience si vous maintenez l'ouverture d'une pompe à air de vélo fermée et que vous comprimez l'air : le ballon de la pompe devient chaud.
Comme l'énergie ne peut être perdue, lorsque la vapeur d'eau se condense, l'énergie thermique précédemment utilisée pour l'évaporation est à nouveau libérée.
Si la pression d'un liquide sous pression est soudainement réduite, la température baisse considérablement. On peut l'observer, par exemple, sur une bouteille de gaz liquide dans une gazinière de camping. Si la vanne est ouverte, de la glace peut se former sur la vanne du ballon GPL, même en été, (ici, la pression est réduite d'environ 30 bars à 1 bar).
Un deuxième échangeur de chaleur (condenseur) transfère ensuite l'énergie de la vapeur chauffée vers le circuit de chauffage (chauffage par le sol, radiateurs, radiateur ou chauffe-eau, comme le ballon d'eau chaude sanitaire). Au cours de ce processus, le fluide frigorigène, encore sous pression, se refroidit et se liquéfie à nouveau. Avant de pouvoir retourner dans le circuit, le fluide frigorigène est d'abord détendu dans une vanne d'expansion. Une fois qu'il a retrouvé son état initial, le cycle de réfrigération peut recommencer.
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.
Répétition continue du processus
Ces processus se déroulent dans un circuit fermé à l'intérieur de la pompe à chaleur. Pour transporter la chaleur, on utilise un liquide (fluide frigorigène) qui s'évapore à très basse température. L'énergie thermique, provenant par exemple de la terre ou de l'air extérieur, est utilisée pour évaporer ce liquide. Même des températures de -20 °C sont suffisantes pour fournir de l'énergie. La vapeur froide du fluide frigorigène, par exemple -20 °C, est ensuite fortement comprimée. Ce faisant, elle se réchauffe jusqu'à atteindre une température de 100 °C. La vapeur du fluide frigorigène est condensée et libère la chaleur vers l'installation de chauffage. Par la suite, la pression du fluide frigorigène liquide est fortement réduite. Cela fait redescendre la température du liquide au niveau initial. Le processus peut recommencer depuis le début.
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.
La compression nécessite du courant électrique
Le compresseur est un élément essentiel du circuit de réfrigération. En effet, sans compression, les températures de sortie sont trop basses pour pouvoir chauffer un bâtiment à une température confortable, surtout les jours de grand froid avec des températures négatives à deux chiffres.
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.
Principe de la pompe à chaleur en utilisant l'exemple d'une pompe à chaleur air/eau
La façon la plus simple d'expliquer ce processus est d'utiliser l'exemple d'une pompe à chaleur air/eau : elle peut être constituée d'une ou deux unités. Dans les deux cas, un ventilateur intégré aspire activement l'air ambiant et le dirige vers un échangeur de chaleur. L'échangeur de chaleur est traversé par un fluide frigorigène qui change d'état physique à très basse température. Au contact de l'air ambiant, le fluide frigorigène se réchauffe et se transforme progressivement en vapeur. Un compresseur est utilisé pour augmenter la chaleur résultante jusqu'à la température requise. Cela comprime la vapeur et augmente à la fois la pression et la température de la vapeur du fluide frigorigène.
Dans la pratique, plusieurs compresseurs sont utilisés, notamment des compresseurs à piston ou des compresseurs à spirale, qui sont tous entraînés électriquement. La consommation d'énergie pour la compression dépend de nombreux facteurs. Il s'agit notamment de la demande de chaleur, de la technologie du compresseur et, enfin et surtout, de la différence de température entre la source de chaleur et l'installation de chauffage. En règle générale : plus le différentiel de température entre la source de chaleur et la température de départ est élevé, plus le compresseur doit travailler.
