Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Die Wärmepumpe erlangt als Wärmeerzeuger zunehmende Relevanz, insbesondere aufgrund ihres umweltfreundlichen Ansatzes ohne direkten CO2-Ausstoß während des Heizprozesses. Anders als konventionelle Heizsysteme, die auf Verbrennungsprozessen basieren, nutzt die Wärmepumpe elektrische Energie, um kostenfreie Umweltwärme für das Heizen zugänglich zu machen. Im Folgenden erläutern wir die Funktionsweise einer Wärmepumpe sowie die benötigte planerischen Schritte.

Funktionsweise einer Wärmepumpe

Eine Wärmepumpe operiert ähnlich wie ein Kühlschrank, jedoch mit dem entscheidenden Unterschied, dass sie Wärme in den Raum leitet, anstatt sie zu entziehen. Hierbei ist elektrischer Strom erforderlich, nicht zur direkten Wärmeerzeugung, sondern um Umweltwärme auf ein höheres Temperaturniveau zu bringen.

Technik und Funktion der Wärmepumpe im Detail

Um die Funktionsweise einer Wärmepumpe zu verstehen, sind verschiedene Komponenten notwendig. Bei Kompressionswärmepumpen gehören dazu ein Verdampfer, ein Verdichter, ein Verflüssiger und ein Expansionsventil. Diese Komponenten arbeiten in einem vierstufigen Prozess zusammen.

Verdampfer

Ein Verdampfer fungiert als Wärmeübertrager, an dem Umweltwärme aus der Luft, der Sole (aus dem Erdreich) oder dem Grundwasser auf das flüssige Kältemittel übertragen wird. Während sich die beiden Substanzen nicht vermischen, gibt die Umweltwärmequelle Energie ab, wodurch ihre Temperatur abnimmt. Gleichzeitig nimmt das Kältemittel Energie auf, erwärmt sich und wechselt aufgrund seiner speziellen Eigenschaften und der Druckverhältnisse in der Wärmepumpentechnik in den gasförmigen Zustand über.

Verdichter

Der Verdichter, beispielsweise ein Scrollverdichter, fungiert als Kompressor. Er saugt den Kältemitteldampf an und verdichtet ihn, was zu einer Verringerung des Volumens und einem Anstieg des Drucks führt. Der positive Nebeneffekt dieser Technik ist, dass mit steigendem Druck auch die Temperatur des Kältemittels ansteigt. Dies ist entscheidend, um die mitgeführte Wärme im nächsten Schritt auf das Heizungswasser zu übertragen.

Verflüssiger

Der Verflüssiger, ebenfalls ein Wärmeübertrager, leitet den heißen Kältemitteldampf am Heizungswasser vorbei und ermöglicht die Wärmeübertragung von einem Medium auf das andere. Dabei gibt das Kältemittel Energie ab, senkt seine Temperatur, während das Heizungswasser die Energie aufnimmt und sich erhitzt.

Expansionsventil

Das Expansionsventil reduziert den Druck des Kältemittels und ermöglicht seine Ausdehnung und vollständige Verflüssigung. Dies gewährleistet einen kontinuierlichen Durchfluss des Kältemittels durch den Verdampfer. Es gibt thermische- oder elektrische Expansionsventile, wobei letztere genauer sind und daher eher in größeren Klimageräten zu finden sind. Nachdem das Kältemittel seinen Ausgangszustand erreicht hat, beginnt der Prozess von vorne.

Eine Besonderheit der Erdwärmepumpen ist die Direktverdampfung

Die Direktverdampfung stellt ein übliches Verfahren für Luft-Wasser-Wärmepumpen und Luft-Luft-Wärmepumpen dar. Im Gegensatz dazu erfolgt bei Erdwärmepumpen in der Regel zunächst die Übertragung der Energie des Erdreichs auf eine Sole, die in einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert. Die Wärmeenergie gelangt an dem Verdampfer in den Kältemittelkreislauf und wird nach dem Verdichten durch einen Kompressor in den Heizwasserkreislauf überführt. Dies führt dazu, dass das Heizsystem aus drei getrennten Kreisläufen besteht. Trotzdem geht die Wärmeübertragung auf das Kältemittel stets mit einem Temperaturverlust einher. Um dies zu vermeiden und die Effizienz zu steigern, kann die Direktverdampfung eingesetzt werden. Hierbei wird auf den Solekreislauf verzichtet, und das Kältemittel fließt direkt durch spezielle Erdwärmesonden. Es überträgt dabei die im Erdreich aufgenommene Wärmeenergie direkt auf den Heizwasserkreislauf. Mit einem Direktverdampfer entfällt zudem die Notwendigkeit einer Solepumpe und deren Stromverbrauch.

Jedoch sind mit einem Direktverdampfer bei Wärmepumpen nicht nur Vorteile verbunden. Es ist zu beachten, dass größere Mengen des Kältemittels benötigt werden, was mit höheren Kosten einhergeht. Zudem sind viele Kältemittel klimaschädlich, weshalb die Leitungen in der Erde besonders gesichert werden müssen, um Leckagen zu vermeiden.

Es gibt drei unterschiedliche Wärmequellen – Wasser, Luft, Erde

Die Funktionsweise einer Wärmepumpe basiert auf verschiedenen Wärmequellen. Beispielsweise kann Umweltwärme aus dem Erdreich, der Luft oder dem Grundwasser genutzt werden. Zudem ermöglicht eine Wärmepumpe die Nutzung von Abwärme technischer Anlagen zum Heizen.

• Luft-Wasser-Wärmepumpe
• Wasser-Wasser-Wärmepumpe
• Sole-Wasser-Wärmepumpe

Es gibt auch Sonderanwendungen neben den Standardlösungen. Abwasser-Wärmepumpen beispielsweise gewinnen thermische Energie sogar aus der Kanalisation.

Die Funktionsweise einer Adsorptionswärmepumpe

Die verschiedenen Arten von Wärmepumpen können nicht nur nach der Art der genutzten Umweltenergie unterschieden werden, sondern auch nach ihrer technischen Funktion. Die Kompressionswärmepumpe, basierend auf einem Prozess mit einem verdichteten Kältemittel durch einen elektrischen Kompressor oder Gasmotor, ist die bekannteste. Im Gegensatz dazu kommt die Adsorptionswärmepumpe ohne mechanische Verdichtung aus. Hierbei nutzt sie die speziellen Eigenschaften eines porösen Materials und effiziente Gasheiztechnik.

Die Funktionsweise der Adsorptionswärmepumpe besteht aus zwei Phasen:

1. Adsorption bezeichnet den Prozess, bei dem ein Material Wasserdampf aufnimmt. Dieser Vorgang ermöglicht es dem Material, Feuchtigkeit aus der Umgebung zu absorbieren und zu speichern.
2. Desorption hingegen ist der umgekehrte Prozess, bei dem durch eine Gasheizung das Gestein getrocknet wird. Hierbei wird die zuvor absorbierte Feuchtigkeit durch die Anwendung von Wärme freigesetzt, wodurch das Material seine Trocknung erfährt.

Voraussetzungen für einen sparsamen Betrieb der Wärmepumpe

Ein effizienter Betrieb erfordert niedrige Temperaturunterschiede zwischen Umweltwärmequelle und Heizsystem. Zudem spielen gut gedämmte Gebäudehüllen, energiesparende Fenster und Flächenheizungen eine wichtige Rolle.

Stromverbrauch einschätzen und berechnen

Der Stromverbrauch einer Wärmepumpe hängt von der Heizleistung und der Jahresarbeitszahl (JAZ) ab. Die Formel für die Berechnung lautet:

Jährliche Heizleistung in kWh / JAZ = Jährlicher Stromverbrauch in kWh.

Eine sorgfältige Auswahl und Anpassung der Wärmepumpe an individuelle Bedürfnisse ist entscheidend.

*Bitte beachten Sie, dass diese Informationen lediglich als allgemeine Anleitung dienen und vor der Installation einer Wärmepumpe professionelle Beratung empfohlen wird.

Deshalb ist die Heizlastberechnung wichtig bei der Wärmepumpenplanung

Durch die genaue Berechnung der Heizlast kann die richtige Dimensionierung der Wärmepumpe sichergestellt werden. Eine zu geringe Leistung würde zu unzureichender Wärmeversorgung führen, während eine überdimensionierte Wärmepumpe ineffizient arbeiten würde. Die Kenntnis der Heizlastberechnung ermöglicht eine optimale Energieeffizienz, da die Wärmepumpe nur so viel Energie wie nötig bereitstellt. Eine präzise Heizlastberechnung ist daher entscheidend für die Kostenersparnis und Umweltfreundlichkeit im Betrieb der Wärmepumpe. Wir von Energie Innovative sind Fachingenieure mit vielen Jahren Erfahrung in diesem Gebiet. Klicken Sie hier auf den Link, um von uns Ihre persönliche Heizlastberechnung anfertigen zu lassen.

Sollte ich den hydraulischen Abgleich im selben Zuge gleich mit durchführen

Der hydraulische Abgleich ist ebenso wichtig wie die Heizlastberechnung bei der Planung einer Wärmepumpe. Durch den hydraulischen Abgleich wird sichergestellt, dass das Heizsystem effizient und gleichmäßig arbeitet. Eine korrekte Einstellung der Durchflussmengen in den Heizkreisen verhindert Über- oder Unterdimensionierung und optimiert somit die Wärmeverteilung im Gebäude. Ein nicht durchgeführter hydraulischer Abgleich kann zu ungleichmäßiger Wärmeversorgung führen, was den Energieverbrauch erhöht und den Komfort beeinträchtigt. Durch die Kombination von Heizlastberechnung gemäß DIN EN 12831 und hydraulischem Abgleich nach Verfahren B wird eine ganzheitliche und effiziente Lösung für die Wärmeversorgung gewährleistet, die sowohl ökonomisch als auch ökologisch sinnvoll ist.

Auch hier bieten wir einen erstklassigen Service an, der vielen unserer Kunden jährlich Hunderte von Euros erspart. Sie haben Fragen? Kontaktieren Sie mich unter 015756647132.