Direkt zum Inhalt
New Heating Logo
Anmeldung
Geben Sie €1.200,00 mehr für KOSTENLOSEN Versand aus.

Ihr Warenkorb ist leer

Weiter shoppen
0Warenkorb(€0,00)

Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Technische Erklärung

Der Name einer Wärmepumpe verrät bereits etwas über ihre Funktionsweise: Sie pumpt Wärme. Doch woher bezieht die Wärmepumpe ihre Wärme und wie wird diese in nutzbarer Form freigesetzt? Wärmepumpen funktionieren nach dem Prinzip der Verdampfung (Sieden) und Kondensation. Um dies besser zu verstehen, betrachten wir zunächst die Verdampfung und Kondensation von Wasser.

Verdunstung und Kondensation

Unter atmosphärischem Druck siedet Wasser bei 100 °C. Bei gleichem Druck und einer konstanten Temperatur von 100 °C kocht bzw. verdampft das Wasser weiter und es entsteht Dampf. Beim Kochen (unter Wärmezufuhr) können wir dem Wasser/Dampf viel Wärme entziehen. Wenn wir dasselbe Wasser in einem Schnellkochtopf zum Kochen und Verdampfen bringen, erhöht sich der Druck und somit der Siedepunkt, und das Wasser siedet erst bei 120 °C. Stellen wir dagegen ein Glas Wasser unter eine Vakuumglocke, siedet das Wasser bei 20 °C und benötigt dafür Wärmezufuhr, zum Beispiel aus der Umgebung. Der Siede- und Kondensationspunkt von Wasser hängt also vom Druck ab, unter dem es steht. Beim Kochen können Moleküle aus dem Wasser entweichen. Je niedriger der Druck, desto leichter können sie entweichen, je höher der Druck, desto schwieriger. Um die Moleküle schneller zu bewegen, wird mehr Energie/Wärme benötigt. Bei der Wärmeabfuhr oder Druckerhöhung kondensiert der Dampf, wobei die zuvor zugeführte Wärme freigesetzt wird, und der Dampf kondensiert wieder zu Wasser und gibt dabei Wärme ab.

  • Verdampfen (Sieden) = Wärmezufuhr (Wärmeentzug aus einer Quelle)
  • Kondensation = Wärmeabfuhr (Wärme an die Umgebung oder Anlage abgeben)
  • Wasser kochen - Erklärung der Wärmepumpe

Nach diesem Prinzip entzieht eine Wärmepumpe der Umgebung Wärme. Anstelle von Wasser verwendet die Wärmepumpe ein Kältemittel, auch Freon genannt. Dieses Kältemittel siedet unter atmosphärischem Druck bei -48,5 °C. Dieses Kältemittel wird in einem geschlossenen System verflüssigt und in einem Verdampfer auf 8,5 Bar unter Druck gesetzt, sodass es bei 5 °C zu sieden beginnt. Leitet man Außenluft mit 10 °C über diesen Verdampfer, also wärmer als der Siedepunkt des Kältemittels, siedet das Kältemittel und entzieht der Luft Wärme. Die kalte Luft kühlt ab und das Kältemittel verdampft. Der entstehende Dampf wird von einem Kompressor angesaugt, der den Druck auf 30 Bar erhöht. Unter diesem Druck bewegt sich das Gas zum Kondensator, wo es bei 50 °C kondensiert. Leitet man nun Wasser mit einer Temperatur von 30 °C (unter dem Siedepunkt des Kältemittels) hindurch, kondensiert das Kältemittel, gibt Wärme an das Wasser ab und erwärmt es. Nach der vollständigen Kondensation wird der Druck des Kältemittels durch ein Expansionsventil reduziert und der Vorgang wiederholt sich.

In diesem Kreislauf wird Wärme bewegt. Die zum Verdampfen des Kältemittels benötigte Energie wird aus der Außenluft gewonnen. Strom wird zum Antrieb des Kompressors benötigt. Die zusätzliche elektrische Energie wird im Kondensator freigesetzt. Die nutzbare Wärme im Kondensator ergibt sich aus der der Außenluft zum Verdampfen des Kältemittels entzogenen Wärme zuzüglich des Stromverbrauchs des Kompressors.

  • Wärmepumpe entzieht der Außenluft Wärme
  • Wirkungsgrad und COP der Wärmepumpe

Die einzige bezahlte Energie, die die Wärmepumpe benötigt, ist der Stromverbrauch des Kompressors.

COP-Berechnung

Der Großteil der von der Wärmepumpe benötigten Energie wird der Außenluft entzogen. Bei modernen Wärmepumpen beträgt das Verhältnis zwischen Strom und Energie aus der Außenluft 1 zu 4, also 1 + 4 = 5 Teile. Der COP liegt in diesem Fall bei 5, was einem Wirkungsgrad von 500 % entspricht.

  • COP und Effizienz einer Wärmepumpe

In dieser Erklärung gewinnen wir Wärme/Energie aus der Außenluft, es ist jedoch auch möglich, Wärme aus dem Boden oder einer Wasserquelle zu verwenden, was zu einer Erdwärmepumpe führt.

So funktioniert eine Wärmepumpe, kurz gesagt.

Schritt für Schritt – Was genau passiert in der Wärmepumpe?

Die Wärmepumpe besteht aus folgenden Hauptkomponenten:

  1. Verdampfer: Im Niederdruckteil wird einer Quelle Wärme entzogen, um das Kühlmittel zu verdampfen (sieden) und so den Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig zu ändern.
  2. Kompressor: Diese Komponente verbraucht Strom und ermöglicht die Zirkulation des Kühlmittels unter unterschiedlichen Drücken.
  3. Kondensator: Im Hochdruckteil kondensiert das Kältemittel und gibt dabei die gesamte Wärme frei. Diese Wärme wird vom durch den Kondensator fließenden Wasser aufgenommen und zur Gebäudeheizung genutzt.
  4. Expansionsventil: Eine elektronisch steuerbare Verengung zur Druckreduzierung. Vor dem Expansionsventil ist der Druck hoch, nach dem Expansionsventil ist der Druck niedrig.

Anwendungen der Wärmepumpe

Die Wärmepumpe gilt zunehmend als nachhaltige Alternative zum Heizkessel. Dies liegt an Vorteilen wie einer niedrigeren Energierechnung, reduzierten CO₂-Emissionen und einem angenehmen Raumklima. Durch die Nutzung von Ökostrom oder Solaranlagen werden keine fossilen Brennstoffe mehr benötigt.

Eine Wärmepumpe, die mit Strom betrieben wird, der möglicherweise durch Solarmodule erzeugt werden kann, ermöglicht bei einem stimmigen Gesamtkonzept die Realisierung eines Nullenergiehauses.

Die Wärmepumpe ist hocheffizient im Umgang mit Strom. Pro verbrauchter kWh Strom erzeugt die Wärmepumpe 5 kWh Wärme, manchmal sogar mehr. Dies wird durch die intelligente Nutzung von Wärme aus Außenluft, Erde oder Wasser erreicht. Im Vergleich dazu erzeugt eine vollelektrische Heizung, wie beispielsweise ein Elektroheizer, nur 1 kWh Wärme pro verbrauchter kWh Strom. Daher ist eine Wärmepumpe fünfmal effizienter.

Eine Wärmepumpe kann zum Heizen von Räumen und Leitungswasser, aber auch zum Kühlen von Räumen eingesetzt werden. Anwendungsgebiete sind Privathaushalte, Unternehmen und sogar große Krankenhäuser und Schwimmbäder.

Zusammenfassung

Durch geschickte Nutzung physikalischer Prinzipien lässt sich Energie gewinnen, die bereits vorhanden ist. Im Gegensatz zur Verbrennung fossiler Brennstoffe entstehen bei diesem Prozess keine Schadstoffe. Für den Start wird Strom benötigt. Wird dieser Strom nachhaltig erzeugt, entstehen keine Emissionen.