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Ein detaillierter Blick auf die Technologie
Wärmepumpen sind eine der effizientesten und umweltfreundlichsten Heiztechnologien der Gegenwart. Doch wie genau funktionieren sie? Welche physikalischen Prozesse stecken dahinter, und wie wandeln sie Umweltenergie in nutzbare Heizwärme um?
In diesem Beitrag gehen wir tief ins Detail und erklären die Funktionsweise, die einzelnen Komponenten sowie die verschiedenen Arten von Wärmepumpen.
Grundprinzip der Wärmepumpe: Wärme aus der Umwelt nutzen
Eine Wärmepumpe nutzt thermische Energie aus der Umgebung – entweder aus der Luft, dem Erdreich oder dem Grundwasser – und wandelt sie in Heizwärme um.
Das geschieht durch den Kältekreislauf, bei dem ein spezielles Kältemittel unter Druck- und Temperaturänderungenseinen Aggregatzustand verändert.
Die grundlegenden physikalischen Prozesse sind:
- Wärmeaufnahme: Energie aus der Umwelt wird auf das Kältemittel übertragen.
- Verdampfung: Das Kältemittel verdampft bei niedriger Temperatur.
- Verdichtung: Ein Kompressor erhöht den Druck und die Temperatur des Dampfes.
- Wärmeabgabe: Die gewonnene Wärme wird an das Heizsystem abgegeben.
- Entspannung: Das Kältemittel kühlt sich ab und wird wieder flüssig.
Dieser Kreislauf wiederholt sich kontinuierlich und ermöglicht eine effiziente Heizleistung.
Die vier Hauptkomponenten einer Wärmepumpe
Jede Wärmepumpe besteht aus vier zentralen Bauteilen, die den Kältekreislauf antreiben:
1. Verdampfer – Aufnahme der Umweltwärme
- Hier wird Wärme aus Luft, Erde oder Wasser auf das Kältemittel übertragen.
- Das Kältemittel verdampft bereits bei niedrigen Temperaturen, da es einen sehr niedrigen Siedepunkt hat.
2. Kompressor – Erhöhung der Temperatur
- Der Kompressor verdichtet das gasförmige Kältemittel.
- Durch die Verdichtung steigt der Druck und damit auch die Temperatur (nach den Gesetzen der Thermodynamik).
- Hier wird elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt, die das System antreibt.
3. Kondensator – Wärmeabgabe an das Heizsystem
- Der nun heiße Kältemitteldampf gibt die Wärme an das Heizsystem ab (Fußbodenheizung, Heizkörper, Warmwasserspeicher).
- Das Kältemittel kühlt ab und kondensiert wieder zu einer Flüssigkeit.
4. Expansionsventil – Druckabbau & Rückführung
- Das Expansionsventil senkt den Druck des Kältemittels.
- Dadurch fällt auch die Temperatur, und das Kältemittel ist wieder bereit, neue Wärme aufzunehmen.
Der Kältekreislauf im Detail – Schritt für Schritt
Der gesamte Wärmepumpenprozess läuft in vier Schritten ab:
1. Aufnahme der Umweltwärme (Verdampfung)
- Die Wärmepumpe nimmt Energie aus der Umwelt (Luft, Wasser oder Erdreich) auf.
- Diese Wärme lässt das Kältemittel verdampfen, da es einen sehr niedrigen Siedepunkt hat.
2. Verdichtung des Kältemittels (Kompression)
- Das gasförmige Kältemittel wird durch den Kompressor verdichtet.
- Dadurch steigt die Temperatur auf ein nutzbares Niveau (z. B. 50 °C für Heizsysteme).
3. Wärmeabgabe an das Heizsystem (Kondensation)
- Der heiße Kältemitteldampf gibt seine Wärme im Kondensator an das Heizsystem ab.
- Das Kältemittel kühlt ab und wird wieder flüssig.
4. Expansion und erneuter Kreislauf (Druckabsenkung)
- Das Expansionsventil senkt den Druck des Kältemittels.
- Dadurch kühlt es weiter ab und kann wieder neue Umweltwärme aufnehmen.
Dieser geschlossene Kreislauf sorgt dafür, dass aus einer kleinen Menge elektrischer Energie eine große Menge Wärmeenergie gewonnen wird.
Welche Wärmepumpentypen gibt es, und wie unterscheiden sie sich?
Es gibt drei Hauptarten von Wärmepumpen, die sich in ihrer Wärmequelle unterscheiden:
Wärmepumpen-Typ | Energiequelle | Besonderheiten | Effizienz |
Luft-Wasser-Wärmepumpe | Umgebungsluft | Günstige Anschaffung, einfach zu installieren | Mittel bis hoch |
Sole-Wasser-Wärmepumpe (Erdwärme) | Erdreich | Hohe Effizienz, benötigt Erdkollektoren oder Tiefenbohrung | Sehr hoch |
Wasser-Wasser-Wärmepumpe | Grundwasser | Sehr effiziente Wärmequelle, benötigt behördliche Genehmigung | Sehr hoch |
Alle Systeme arbeiten nach dem gleichen physikalischen Prinzip, unterscheiden sich jedoch in ihrer Effizienz und Installationsaufwand.
Wie effizient ist eine Wärmepumpe? – Die Jahresarbeitszahl (JAZ)
Die Effizienz einer Wärmepumpe wird durch die Jahresarbeitszahl (JAZ) gemessen. Diese gibt an, wie viel Wärmeenergie im Verhältnis zur eingesetzten elektrischen Energie erzeugt wird.
JAZ-Wert | Effizienzklasse |
2,5 – 3,0 | Mittelmäßig |
3,0 – 4,0 | Gut |
4,0 – 5,0 | Sehr gut |
Beispiel: Eine Wärmepumpe mit einer JAZ von 4,0 bedeutet, dass 1 kWh Strom in 4 kWh Heizenergie umgewandelt wird.
- Luft-Wasser-Wärmepumpen haben eine JAZ von 3,0 – 4,0.
- Erdwärmepumpen & Wasser-Wasser-Wärmepumpen erreichen Werte von 4,0 – 5,0.
Je höher die JAZ, desto geringer sind die Heizkosten.
Warum eine Wärmepumpe eine sinnvolle Investition ist
- Bis zu 75 % der Heizenergie stammen aus erneuerbaren Quellen.
- Sehr geringe Betriebskosten im Vergleich zu Gas oder Öl.
- Lange Lebensdauer von bis zu 30 Jahren.
Staatliche Förderung bis zu 70 % der Anschaffungskosten. - Ideal für Neubauten, aber auch in sanierte Altbauten integrierbar.
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