Wohnhaus Familie Stauder
Good bye gas! Hello green energy! Im Zuge der Heizungssanierung ließ die Familie Stauder nicht nur…
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Wie funktioniert eine Wärmepumpe? Werfen Sie mit uns einen Blick ins Innere einer Wärmepumpenheizung. Wir erklären Ihnen nicht nur Funktion und Prinzip der Wärmepumpe. Auch die Erschließung der Wärmequelle und die Wärmeverteilung im Haus sehen wir uns näher an. Weil das Wissen um die Wärmepumpe allein nur die halbe Miete ist.
Mit Wärmpumpensystemen gewinnen wir die in der Natur gespeicherte Sonnenenergie bzw. Umweltwärme aus der Luft, der Erde oder dem Grundwasser und machen sie für Heizung und Warmwasserbereitung nutzbar. Dazu benötigt die Wärmepumpe einen Teil elektrischen Strom. Gut geplant und installiert arbeitet das System besonders effizient, umweltfreundlich und vollautomatisch. Das macht den Betrieb auch so komfortabel.
Doch wie genau ist so eine Wärmepumpenheizung aufgebaut? Wie funktioniert eine Wärmepumpe? Wie lässt sich die Umweltwärme gewinnen? Und warum eignen sich Fußboden- und andere Flächenheizungen ideal für die Wärmeverteilung? Wir haben die Antworten.
Um die Funktion einer Wärmepumpe zu verstehen, müssen wir zunächst das komplette Wärmepumpen-Heizsystem betrachten. Es setzt sich aus folgenden Hauptbestandteilen zusammen:
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Auch wenn es viele unterschiedliche Wärmepumpen gibt, funktionieren sie vom Grundprinzip her alle gleich. Die gewonnene Umweltenergie wird zur Wärmepumpe geleitet, wo das Temperaturniveau mittels elektrischen Stroms so weit erhöht wird, dass sie zum Heizen und für die Warmwasserbereitung genutzt werden kann.
Grundsätzlich sind Wärmepumpenheizungen so ausgelegt, dass sie mit Vorlauftemperaturen (jene Temperatur, die in die Fußbodenheizung oder in den Heizkörper hineinströmt) zwischen 25 und 55 °C arbeiten. Für die Warmwasserbereitung sind aus Hygienegründen temporär höhere Temperaturen von 60 bis 65 °C nötig. Dabei gilt: Je höher der Temperaturunterschied zwischen Umweltwärmequelle und benötigter Vorlauftemperatur ist, desto mehr Strom braucht die Wärmepumpe.
Die Mehrheit der handelsüblichen Wärmepumpen sind Kompressionswärmepumpen. Die Funktion der Kompressionswärmepumpen basiert auf den Prinzipien der Thermodynamik und der Wärmeübertragung, insbesondere dem Dampfkompressionskreislauf, der die kontinuierliche Übertragung von Wärmeenergie ermöglicht (weitere Typen, die hier nicht behandelt werden, wären z.B. Absorptions-, thermische- oder magnetkalorische Wärmepumpen).
Die Wärmepumpe nutzt den Dampfkompressionskreislauf, um das (noch zu niedrige) Temperaturniveau der Umweltwärme auf Heiztemperatur zu bringen. Im Inneren des Wärmepumpengeräts zirkuliert ein Kältemittel, das einen niedrigen Siedepunkt aufweist (in einem in sich geschlossenen Kältemittelkreislauf). Es durchläuft die vier Stadien Verdampfen, Verdichten, Verflüssigen und Entspannen.
Die Wärmepumpe kann man sich wie einen magischen Schwamm vorstellen, der Wärme aus der Umgebungsluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser aufsaugt. Wenn das Kältemittel die Umgebungswärme aufnimmt, ändert es seinen Zustand von flüssig zu gasförmig – ähnlich wie Wasser, das zu Dampf wird, wenn es erhitzt wird (Phasenübergang).
Der entstandene Kältemitteldampf wird nun in einem Kompressor, einer Art Pumpe, stark zusammengedrückt. Das gasförmige Kältemittel wird durch das Verdichten bis zum Sollwert stark erhitzt. Dies geschieht, weil durch den Druck die Moleküle des Kältemittels enger zusammenrücken und mehr Energie freisetzen.
Nach dem Verdichten wird das heiße, gasförmige Kältemittel in den Kondensator geleitet. Hier gibt es seine Wärme an das Heizsystem des Hauses ab, ähnlich wie ein heißer Wasserkessel, der seine Wärme an die Raumluft abgibt. Dadurch kühlt das Kältemittel ab und wird wieder flüssig.
Der letzte Schritt findet im Expansionsventil statt. Hier wird der Druck des flüssigen Kältemittels verringert, was zu einer weiteren Abkühlung führt. Das nun abgekühlte, flüssige Kältemittel fließt zurück zum Verdampfer, um den Kreislauf von vorne zu beginnen und erneut Umgebungswärme aufzunehmen.
Werfen wir nun einen Blick auf die Wärmequellenanlage. Im Gegensatz zum gerade beschriebenen Grundprinzip, das für die gängigsten Wärmepumpen immer gleich ist, variiert die Gewinnung der Umweltwärme mit der Wärmequelle (Luft, Erde oder Grundwasser).
Für Luftwärmepumpen, Erdwärmepumpen und Grundwasserwärmepumpen werden also jeweils unterschiedliche Wärmequellenanlagen zur Gewinnung der Umweltwärme benötigt. Bevor wir uns die einzelnen Systeme näher ansehen, hier ein grober Überblick:
Eine Luftwärmepumpe nutzt die Umgebungsluft als Wärmequelle und wird im Heizungsbereich als Kompaktgerät (Monoblock) oder als Splitgerät ausgeführt.
Splitgeräte bestehen aus zwei Basiskomponenten: der Außen- und der Inneneinheit. Die Außeneinheit wird im Freien aufgestellt und bildet die Wärmequellenanlage. Sie saugt die Umgebungsluft über einen Ventilator an und gibt die so gewonnene Umweltwärme an den Wärmetauscher der Inneneinheit weiter. In der Inneneinheit wird die Umweltwärme in Heizenergie umgewandelt. Anschließend gelangt die Heizenergie über einen weiteren Wärmetauscher ins Wärmeverteilsystem des Hauses.
Kompaktgeräte: Wie der Name bereits vermuten lässt, sind Verdampfer, Kondensator und Verdichter bei Kompaktwärmepumpen in einem kompakten Gerät untergebracht. Daher werden diese auch als Monoblock-Wärmepumpen bezeichnet. Diese Luftwärmepumpen-Typen gibt es sowohl für die Innenaufstellung (z. B. in Heizungsräumen) als auch für die Aufstellung im Freien. Durch die Aufstellung im Freien können diese Geräte mit dem Kältemittel Propan (R290) betrieben werden, das nicht zum Treibhauseffekt beiträgt und höhere Leistungszahlen bewirkt. Im Innenbereich wird auf Propan verzichtet, weil es mit Luft explosive Gemische bilden kann, die sich im Raum sammeln.
Die Erschließung der Wärmequelle Luft ist wesentlich einfacher und günstiger als bei Erd- oder Grundwasserwärme. Allerdings verändert sich die Temperatur der Luft im Laufe des Kalenderjahres sehr stark. In sehr kalten Wintern ist der Temperaturunterschied zwischen der zur Verfügung stehenden Lufttemperatur und der benötigten Heizwärme also relativ hoch. Die Wärmepumpe muss diesen Unterschied ausgleichen und braucht dafür mehr Strom als Wärmepumpen, die auf Umweltwärme aus Erde oder Grundwasser zugreifen können.
Brauchwasserwärmepumpen oder Warmwasser-Wärmepumpen funktionieren vom Prinzip her gleich wie andere Luftwärmepumpen, sind aber anders gebaut und wurden speziell für die Warmwasserbereitung entwickelt.
Sie nutzen die vorgewärmte Innenluft in Räumen (z. B. in warmen Heizräumen) als Wärmequelle. Anders als bei Split-Wärmepumpen befinden sich hier Wärmequellenanlage, Luftwärmepumpe mit Kältemittelkreislauf und Warmwasserspeicher in einem kompakten Gerät.
Die größten Vorteile der Brauchwasserwärmepumpe sind ihre Umweltfreundlichkeit und die geringen Energiekosten – insbesondere gegenüber rein strombetriebenen Warmwasserboilern oder Gas-Durchlauferhitzern. Zum Heizen sind Brauchwasserwärmepumpen allerdings nicht geeignet.
Zusatznutzen: Die Raumluft wird durch den Betrieb des Wärmepumpenboilers um 2 bis 4 °C gekühlt und gleichzeitig entfeuchtet.
Die Erdwärmepumpe nutzt die im Erdreich gespeicherte Sonnenenergie als Wärmequelle. Um zu dieser Umweltwärme vorzudringen, verwendet man verschiedenste Arten von Kollektoren, die alle auf dem oder beim Baugrundstück Platz finden müssen.
Die wichtigsten Typen sind Erdsonden (werden mit genehmigungspflichtigen Tiefenbohrungen in die Erde versenkt), Erdflächenkollektoren, Erdwärmekörbe und Ringkollektoren, die in unterschiedlichen Tiefen platziert werden. Eine detaillierte Beschreibung inkl. Vor- und Nachteile finden Sie in unserem Artikel Erdwärmepumpen: die Favoriten für Heizung und Kühlung.
Die Erdkollektoren nehmen die Erdwärme auf und transportieren sie über einen eigenen Solekreislauf zum Wärmetauscher der Wärmepumpe. Hier wird die Umweltwärme übernommen und nach dem bereits bekannten Wärmepumpen-Prinzip über Verdampfung, Verdichtung, Verflüssigung und Entspannung eines Kältemittels in Heizenergie umgewandelt. Anschließend gelangt sie über einen Wärmetauscher ins Wärmeverteilsystem des Hauses.
Der große Vorteil der Erdwärmepumpe ist die übers Jahr gesehen relativ konstante Temperatur des Erdreichs. Die auszugleichenden Temperaturunterschiede zwischen Umweltwärme und Heiztemperatur sind vergleichsweise konstant und moderat. Einen guten Überblick darüber gibt auch unser Artikel Stromverbrauch der Wärmepumpe.
Die Grundwasserwärmepumpe nutzt die im Grundwasser gespeicherte Umgebungswärme als Energiequelle. Zur Erschließung der Wärmequelle werden zwei Brunnen (genehmigungspflichtig) benötigt. Über den Saugbrunnen wird Grundwasser entnommen und zur Wärmepumpe transportiert, wo ihm die Wärme entzogen wird. Das genutzte Wasser wird danach über einen Schluckbrunnen wieder zurückgeführt.
Die Umweltwärme wird auch hier wieder über den Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe (über Verdampfung, Verdichtung, Verflüssigung und Entspannung eines Kältemittels) auf Heiztemperaturniveau gebracht. Allerdings sind die Ausgangstemperaturen des Grundwassers konstant hoch, was die Grundwasserwärmepumpe besonders effizient und günstig im Betrieb macht.
Für den Kühlungsfall sind Grundwasserwärmepumpen bestens geeignet, weil sie praktisch unbeschränkt Wärmemengen aus dem Gebäude übernehmen und ableiten können.
Bei einer Wärmepumpenheizung erfolgt die Wärmeverteilung im Haus idealerweise über ein Flächenheizsystem wie zum Beispiel eine Fußbodenheizung oder über großflächige Niedertemperatur-Heizkörper.
Diese Flächensysteme geben milde Strahlungswärme in die Räume ab und sorgen bereits bei einer relativ niedrigen Vorlauftemperatur für hohe Behaglichkeit. Die benötigten Vorlauftemperaturen betragen zwischen 25 und 40 °C – das kommt der Wärmepumpe (die ein Niedertemperaturheizsystem ist) sehr entgegen. Außerordentlich energieeffizient und umweltfreundlich präsentiert sich darüber hinaus die Kombination von Wärmepumpe, Solaranlage und Flächensystem.
Aktuell wird die Anschaffung von Wärmepumpen in Österreich vielfach gefördert. Das gilt insbesondere für Heizungssanierungen. Bevor Sie sich also an Ihr Projekt machen, empfehlen wir Ihnen, sich unbedingt einen Überblick über mögliche Investitionszuschüsse zu verschaffen. Am besten gleich hier auf unserer Förderseite.
ZU DEN WÄRMEPUMPEN-FÖRDERUNGENNeben den Bezeichnungen Luftwärmepumpe, Erdwärmepumpe und Grundwasserwärmepumpe geistern noch viele weitere Begriffe für Wärmepumpen-Typen durchs Weltgeschehen. Die meisten weisen auf die genutzte Wärmequelle bzw. Wärmegewinnung und auf die Art des Wärmeverteilsystems hin. Hier sind die häufigsten Vertreter:
Ja natürlich! Wenn sie fachgerecht geplant und gebaut wurde, funktioniert eine Wärmepumpe im Winter und versorgt das Haus mit behaglicher Wärme.
Erd- und Grundwasserwärmepumpen arbeiten aufgrund der konstant hohen Temperaturen im Erdreich und im Grundwasser am effizientesten. Doch auch Luftwärmepumpen liefern während der Wintermonate ausreichend Wärme. Für extreme Kältespitzen ist es allerdings sinnvoll, einen zuschaltbaren Heizstab oder einen zusätzlichen kleinen Kamin- bzw. Pelletofen einzubauen.
Bivalente Systeme, auch Hybridsysteme genannt, kombinieren eine Wärmepumpe mit einem zusätzlichen Heizsystem (z.B. Pellets-, Gas- oder Ölheizung). Dies ermöglicht die Nutzung der effizienteren Wärmepumpe bei moderaten Außentemperaturen, während bei sehr niedrigen Temperaturen das zusätzliche Heizsystem zugeschaltet wird. Dadurch wird die Effizienz maximiert und der Energieverbrauch reduziert.
In Kombination mit der Wärmepumpe eignen sich Flächenheizungen (Fußboden- oder Wandheizungen) am besten für die Wärmeverteilung, da sie mit niedrigen Vorlauftemperaturen arbeiten.
Unter bestimmten Voraussetzungen funktioniert aber auch die Kombination Wärmepumpe und Heizkörper ganz gut. Vor allem dann, wenn es sich um spezielle Niedertemperatur-Heizkörper mit großen Flächen handelt. Will man eine Wärmepumpe im Altbau einsetzen und bestehende Heizkörper weiterverwenden, sollte man das nur unter gewissen Umständen tun. Zum Beispiel, wenn die alten Heizkörper ursprünglich überdimensioniert waren und für die neuen Erfordernisse geeignet sind. Für detailliertere Auskünfte lohnt sich ein Anruf beim HSH-Installateur.
Wärmepumpensysteme können auch zur Gebäudekühlung verwendet werden. Bei der Kühlung mit der Wärmepumpe wird den Räumen in der Regel über das bestehende Niedertemperaturheizsystem und die Wärmepumpe die überschüssige Wärme entzogen und nach draußen abgeführt. Als Verteiler dienen üblicherweise ebendiese Fußboden- oder Wandheizungen bzw. Deckenkühlsysteme, die eine echte Alternative zu herkömmlichen Klimaanlagen sind. In unserer Rubrik Kühlen und Klimatisieren finden Sie weitere Informationen und Beispiele dazu.
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