Wie funktioniert eine Wärmepumpe? Ein Blick auf moderne Heiztechnologien

Wärmepumpen sind eine umweltfreundliche und effiziente Alternative zu herkömmlichen Heizsystemen.
Doch wie funktioniert eine Wärmepumpe genau?

In diesem Artikel werfen wir einen detaillierten Blick auf die Funktionsweise von Wärmepumpen und unterscheiden dabei zwischen den drei gängigen Typen: Monoblock Luft-Wasser-Wärmepumpen, Split Luft-Wasser-Wärmepumpe und Erd- bzw. Sole-Wärmepumpen.

1. Grundprinzip der Wärmepumpe

Das Grundprinzip einer Wärmepumpe ähnelt dem eines Kühlschranks, jedoch in umgekehrter Richtung. Während ein Kühlschrank Wärme aus seinem Inneren nach außen transportiert, entzieht eine Wärmepumpe der Umgebung (Luft, Erde oder Wasser) Wärme und gibt diese an das Heizsystem eines Gebäudes ab.

Die einfache Regel bei der Bezeichnung: das erste Wort ist immer die Energiequelle, das zweite das Medium auf das die Energie bzw. die Wärme übertragen wird. Luft-Wasser Wärmepumpe bedeutet also, wir holen uns die Energie aus der Luft - in diesem Fall meistens der Außenluft - und übertragen die Energie in Form von Wärme auf Wasser - in diesem Fall Heizungswasser oder Brauchwasser.
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Die ganze Magie einer Wärmepumpe geschieht über den sogenannten Kältekreis. Einfach zu merken, da in diesem immer ein Kältemittel verwendet wird, da je nach Bauart, Anlage und Hersteller ein anderes ist. Der Kältekreis und somit die Wärmepumpe besteht aus vier Hauptkomponenten.

1. Verdampfer: Hier wird das Kältemittel verdampft, indem es die Wärme aus der Umgebung aufnimmt. Wenn Kältemittel warm wird, geht es von flüssig auf gasförmig

2. Verdichter: Das gasförmige Kältemittel wird komprimiert bzw. verdichtet, wodurch seine Temperatur steigt. Das wärmer gewordene Kältemittel wird also noch wärmer. Den Verdichter kennt man auch vom Kühlschrank - wenn etwas sich leicht klackernd oder tackern anhört, ist es meistens ein kaputter Verdichter / Kompressor

3. Verflüssiger / Wärmetauscher: Das heiße, gasförmige Kältemittel gibt seine Wärme an das Heizsystem ab und kondensiert dabei - auf Deutsch: Es wird wieder flüssig (deshalb auch Verflüssiger). Anders kann man sich dies wie ein Wärmetauscher vorstellen: Auf der einen Seite läuft das warme Kältemittel entlang und auf der anderen Seite das kälte Heizungswasser. Das Heizungswasser wird somit warm

4. Expansionsventil bzw. Entspanner: Das verflüssigte Kältemittel wird entspannt und kühlt sich ab, bevor der Kreislauf von neuem beginnt. So wie der Verdichter das warme Kältemittel durch das Verdichten noch wärmer gemacht hat, macht es hier das Expansionsventil genau anders herumNormalerweise geht nun das erwärmte Heizungswasser weiter zu einer Regel- oder sogenannten Inneneinheit. Die Inneneinheit steuert die Anlage und verteilt das Wasser weiter. Entweder direkt in den Heizkreis oder zu einem Pufferspeicher oder zu einem Warmwasserspeicher.

Normalerweise geht nun das erwärmte Heizungswasser weiter zu einer Regel- oder sogenannten Inneneinheit. Die Inneneinheit steuert die Anlage und verteilt das Wasser weiter. Entweder direkt in den Heizkreis oder zu einem Pufferspeicher oder zu einem Warmwasserspeicher.

2. Funktionsweise Monoblock Luft-Wasser-Wärmepumpen

Funktionsweise: Bei einer Monoblock Luft-Wasser-Wärmepumpe ist der Kältekreis ein geschlossenes System, bei dem alle Komponenten in einem Gerät integriert sind. Eins = Mono. Diese Wärmepumpe entzieht der Außenluft Wärme und überträgt diese auf das Heizungswasser.
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Installation: Die Monoblock Einheit wird außerhalb des Gebäudes installiert und durch isolierte Rohrleitungen mit dem Heizsystem im Inneren verbunden. Immer wieder hören wir davon, dass diese Wärmepumpen auch innen aufgestellt werden, was leider die Effizienz der Wärmepumpe auf null reduziert. Ein Vorteil der Monoblock-Bauweise ist die einfache Installation, da keine speziellen Kältemittelleitungen verlegt werden müssen.
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Einsatzbereich: Monoblock Luft-Wasser-Wärmepumpen sind besonders für Bestandsgebäude und Neubauten geeignet, bei denen eine einfache und kosteneffiziente Installation gewünscht ist.

3. Funktionsweise Split Wärmepumpen

Funktionsweise: Split Wärmepumpen bestehen aus zwei Einheiten: einer Außeneinheit und einer Inneneinheit. Zwei = Split. Die Außeneinheit entzieht der Luft Wärme und das Kältemittel wird zur Inneneinheit transportiert, wo die Wärme an das Heizsystem abgegeben wird.
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Installation: Die beiden Einheiten sind durch Kältemittelleitungen verbunden, die durch das Gebäude geführt werden. Dies ermöglicht eine flexible Platzierung der Einheiten und kann in beengten Verhältnissen vorteilhaft sein.
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Einsatzbereich: Split Wärmepumpen eignen sich gut für Wohngebäude, in denen Platz für die Außeneinheit begrenzt ist oder in denen die Inneneinheit flexibel platziert werden muss. Häufig wird diese Variante bei Häusern verbaut, wo die Heizung bisher im Speicher / unterm Dach stand.

4. Funktionsweise Erdwärmepumpen

Funktionsweise: Erdwärmepumpen nutzen die konstante Temperatur des Erdreichs als Wärmequelle. Sie entziehen dem Boden über Erdsonden oder Erdkollektoren Wärme und übertragen diese auf das Heizsystem.
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Installation: Erdsonden werden in tiefe Bohrlöcher installiert, während Erdkollektoren flach unter der Erdoberfläche verlegt werden. Diese Systeme erfordern umfangreiche Erdarbeiten, sind jedoch besonders effizient und unabhängig von den Außentemperaturen.
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Einsatzbereich: Erdwärmepumpen sind ideal für Neubauten und größere Grundstücke, bei denen die Installation von Erdsonden oder Erdkollektoren möglich ist. Sie bieten eine sehr hohe Effizienz und sind besonders in Regionen mit extremen Klimabedingungen vorteilhaft.

5. Vor- und Nachteile der verschiedenen Wärmepumpentypen

Monoblock Luft-Wasser-Wärmepumpen
‍Vorteile: Einfache Installation, keine speziellen Kältemittelleitungen notwendig, kosteneffizient, meistens wird das natürliche Kältemittel R290 verwendet, was speziell gefördert wird
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Nachteile: Effizienz kann bei extrem niedrigen Außentemperaturen abnehmen, Installation erfordert aufgrund des Gewichtes ein Fundament
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Split Wärmepumpen
Vorteile: Flexibilität bei der Platzierung, geeignet für beengte Verhältnisse; Installation an Außenwand möglich aufgrund des leichteren Gewichtes
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Nachteile: Installation der Kältemittelleitungen erforderlich, möglicherweise höhere Wartungskosten, verwendete Kältemittel sind nur noch in Ausnahmen nach 2027 verwendbar (es gibt jedoch Bestandsschutz)
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Erdwärmepumpen
Vorteile: Sehr hohe Effizienz (sehr hoher Wirkungsgrad = 1kwh Stunde Strom führt zu mehreren kwh Heizleistung), unabhängig von Außentemperaturen.
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Nachteile: Hohe Installationskosten, umfangreiche Erdarbeiten erforderlich

6. Umweltaspekte und Energieeffizienz

Wärmepumpen sind eine umweltfreundliche Alternative zu fossilen Heizsystemen, da sie erneuerbare Energiequellen nutzen und keine direkten CO2-Emissionen verursachen. Ihre Effizienz wird durch die Jahresarbeitszahl (JAZ) ausgedrückt, die das Verhältnis von erzeugter Wärme zu eingesetzter elektrischer Energie angibt. Eine gute Wärmepumpe erreicht eine JAZ von 3 bis 4, was bedeutet, dass sie für 1 kWh Strom 3 bis 4 kWh Wärme erzeugt. Erdwärmepumpen liegen hier sogar noch drüber. Der Stromverbrauch einer Wärmepumpe ist also sehr gering. Bei Nutzung von Ökostrom kann eine Wärmepumpe nahezu CO2-neutral betrieben werden, was sie zu einer der umweltfreundlichsten Heiztechnologien auf dem Markt macht.

7. Fazit

Wärmepumpen bieten eine nachhaltige und effiziente Lösung für die Heizungsmodernisierung und den Neubau. Die Wahl des geeigneten Wärmepumpentyps hängt von den spezifischen Gegebenheiten des Gebäudes und den individuellen Anforderungen ab. Monoblock Luft-Wasser-Wärmepumpen sind einfach zu installieren und effizient in den Kosten der Wärmepumpe; Split Wärmepumpen bieten Flexibilität in der Platzierung, und Erdwärmepumpen bieten die höchste Effizienz und Unabhängigkeit von Außentemperaturen.
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Durch die Nutzung erneuerbarer Energiequellen tragen Wärmepumpen erheblich zur Reduzierung von CO2-Emissionen bei und bieten gleichzeitig eine wirtschaftliche Heizlösung. Bei sorgfältiger Planung und Berücksichtigung der spezifischen Voraussetzungen des Gebäudes kann eine Wärmepumpe eine zukunftssichere Investition in eine umweltfreundliche Heiztechnologie sein.

Melden Sie sich gerne bei uns und wir planen gemeinsam Ihre Wärmepumpe.