Das Prinzip Wärmepumpe – so funktioniert’s

Wärmepumpen eignen sich als umweltfreundliche und wartungsarme Heizungsanlage in vielen Gebäuden. Fürs Heizen nutzen sie die gespeicherte Energie aus der Umwelt. So funktioniert das Prinzip Wärmepumpe.

Prinzip Wärmepumpe, Luft-Wasser-Wärmepumpe, Foto: STIEBEL ELTRON
Die Wärmepumpe ist eine umweltfreundliche und wartungsarme Alternative zum Brennwertkessel. Luft-Wärmepumpen saugen beispielsweise über eine Außenanlage Luft an, aus der Energie gewonnen wird. Foto: STIEBEL ELTRON. Foto: STIEBEL ELTRON

Mittlerweile sind Wärmepumpen eine echte, umweltschonende Alternative zu Heizungen. Statt mit fossilen Brennstoffen gewinnen sie Energie aus Grundwasser, Luft oder Erdreich und sorgen so für eine warme Wohnung. 

Verschiedene Wärmepumpenarten

Wärmepumpen lassen sich in vier verschiedene Arten unterteilen, die unterschiedliche Energiequellen aus der Umwelt anzapfen. Die erste Bezeichnung der Doppelnamen steht für die Quelle, aus der Energie generiert wird. Die zweite Bezeichnung gibt den Energieträger an, mit dem die Wärme im Haus verteilt wird.

  • Die Sole-Wasser-Wärmepumpe nutzt die Wärme des Erdreichs für die Energiegewinnung und gibt die Energie an den Wasser-Kreislauf im Haus weiter. Der Erde kann entweder durch Erdwärmekollektoren Wärme entzogen werden, die auf einer unbebauten Grundstücksfläche circa 1,5 Meter unter der Erde liegen – ähnlich wie eine Fußbodenheizung. Oder Energie wird durch Erdwärmesonden gewonnen, die bis zu 100 Meter in die Tiefe gehen.
  • Die Wasser-Wasser-Wärmepumpe nutzt das Grundwasser als Energiequelle. Dazu werden zwei Brunnen gebohrt, die das Wasser nach oben und wieder zurück befördern. Im Haus selbst wird die Energie mithilfe von Wasser verteilt. 
  • Die Luft-Wasser-Wärmepumpe saugt die Umgebungsluft in einen Verdampfer, der dann die Wärme entzogen wird. Auch hier beliefert Wasser die Heizungen mit der nötigen Wärme.
  • Die Luft-Luft-Wärmepumpe entzieht der Abluft Wärme und überträgt diese an die Luft im Haus. Sie kommt in der Regel nur in wärmeren Ländern zum Einsatz. In kälteren Regionen, wie auch in Deutschland, ist die Luft-Luft-Wärmepumpe nur für Niedrigenergiehäuser und Passivhäuser geeignet.
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So funktioniert das Prinzip Wärmepumpe

Wärmepumpen können mit unterschiedlichen Energiequellen betrieben werden – funktionieren aber alle nach demselben Prinzip. Im Grunde ist die Funktionsweise von Wärmepumpe und Kühlschrank identisch. „Ein Kühlschrank entzieht dem Essen Wärme und gibt diese nach außen ab, eine Wärmepumpe entzieht der Umwelt Wärme und gibt diese an das Haus ab“, erklärt Karl-Heinz Stawiarski, Geschäftsführer des Bundesverbands Wärmepumpe. 

Je nach Art der Wärmepumpe wird die Energie aus dem Erdboden, der Luft oder dem Grundwasser gewonnen. Die Funktionsweise einer Wärmepumpe einfach erklärt:

1. Schritt: Energiegewinnung aus der Umwelt

Um Energie zu gewinnen, benötigt jede Wärmepumpe eine sogenannte Wärmequellanlage. Diese verbindet die Wärmepumpe und die Energiequelle. Bei Luft-Systemen wird die Außenluft angesaugt und dient als Wärmelieferant. Sole-Wasser- und Wasser-Wasser-Systeme benötigen eine zirkulierende Flüssigkeit, die die Umweltwärme zur Pumpe leitet.

Bei Sole-Wasser-Wärmepumpen befindet sich beispielsweise Sole, das heißt Wasser versetzt mit Frostschutzmittel, in der Leitung, bei Wasser-Wasser-Wärmepumpen wird Grundwasser benutzt. Hat die Wärmequellanlage die Energie an die Wärmepumpe abgegeben, fließt die zirkulierende Flüssigkeit zurück, um neue Umweltenergie aus Erde oder Wasser zu gewinnen. Eine Luft-Wärmepumpe leitet die benutzte Luft nach außen und nimmt über eine Außenanlage neue Luft auf.

2. Schritt: Energie wird nutzbar gemacht

In der Wärmepumpe selbst gibt es einen zweiten Kreislauf. Ein Kältemittel zirkuliert darin und nimmt die Energie auf, die dadurch verdampft. Der Dampf kommt in den Wärmetauscher, dem sogenannten Verdampfer. Dort verdampft das Kältemittel durch seine besondere chemische Zusammensetzung bereits bei niedrigen Temperaturen. 

Dieser Dampf wird nun zu einem Kompressor weitergeleitet und dort verdichtet. Dadurch steigt die Temperatur im Dampf an. Der Dampf kommt daraufhin in einen zweiten Wärmetauscher, dem sogenannten Verflüssiger. Dort wird das inzwischen gasförmige Kältemittel wieder verflüssigt – und dabei gibt es die enthaltene Wärme ab, die zum Heizen verwendet werden kann. Das nun wieder flüssige Kältemittel fließt nun zur sogenannten Drossel, die den Druck des Kältemittels vermindert. Die entspannte Flüssigkeit wird letztlich zum Verdampfer zurückgeleitet, wo der Prozess von neuem beginnen kann.

3. Schritt: Verteilung gewonnener Wärme

Die im Verflüssiger abgegebene Wärme wird nun über das sogenannte Wärmeverteil- und Speichersystem überall ins Haus geleitet. Sie wird in der Regel mithilfe von Wasser verteilt: Das Wasser nimmt die Wärme auf und transportiert sie in die Flächenheizungen oder den Heizkörper. Mit demselben Prinzip kann die gewonnene Wärme auch zum Aufheizen des Warmwasserspeichers verwendet werden.

Wenn zu viel Wärme geliefert wird, kann das warme Wasser zwischengelagert werden. Das passiert meistens mithilfe eines großen, wärmeisolierten Tanks, dem Pufferspeicher. Dieser gibt das Warmwasser erst bei Bedarf wieder ab.

Herkömmlicher Strom wird trotzdem benötigt

Obwohl eine Wärmepumpe Energie aus der Umwelt gewinnt, wird für ihren Betrieb Strom benötigt. Diesen benötigt die Wärmepumpe, um den Verdichter zu betreiben. Bei aktuellen Geräten macht der Stromverbrauch ein Viertel der Heizwärme aus. „Mit 25 Prozent Antrieb bekommt man 100 Prozent Wärme“, erklärt Stawiarski.

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Wann ist welche Wärmepumpe sinnvoll

Nicht jede Wärmepumpe ist für jedes Gebäude sinnvoll. Vor allem bei bestehenden Gebäuden können für den Einbau einer Wärmepumpe Beschränkungen vorhanden sein. „Bei der Entscheidung, welche Wärmepumpe eingebaut wird, kommt kann es beispielsweise auf die Objektgröße und die Lage des Hauses ankommen.“, informiert Stawiarski. „Praktisch gibt es für jedes Gebäude die richtige Wärmepumpe“, sagt Stawiarski. Welche Wärmepumpe wann sinnvoll ist.

Wasser-Wasser-Wärmepumpen benutzt man meistens für größere, technische Anlagen. Die Kosten belaufen sich dabei auf 20.000 bis 25.000 Euro“, erklärt Stawiarski. Für ein kleines Einfamilienhaus lohne sich eine Grundwasser-Wärmepumpe nicht. Außerdem geht mit der Installation einer solchen Wärmepumpe ein relativ großer Planungs- und Erkundungsaufwand einher. Die Kosten sind deswegen dementsprechend hoch. Durch die Benutzung des Grundwassers zur Energiegewinnung muss diese Wärmepumpe außerdem von der unteren Wasserbehörde genehmigt werden.

Prinzip Wärmepumpe, Erdwärmepumpe, Keller, Foto: Bundesverband Wärmepumpe
Eine Wärmepumpe, die Erdwärme generiert, benötigt mehr Platz im Haus, bringt aber auch mehr Leistung. Foto: Bundesverband Wärmepumpe Foto: Bundesverband Wärmepumpe

Sole-Wasser-Wärmepumpen benötigen ebenso einiges an Installations- und Planungsaufwand. Wird über Flächenkollektoren Erdwärme entzogen, braucht man außerdem einiges an unbebauter Außenfläche. Solche Kollektorflächen sind zwar nicht genehmigungs-, aber bei der zuständigen Baubehörde anzeigepflichtig.

Wird mithilfe einer Erdsonde Wärme aus der Erde gewonnen, benötigt das zwar nicht so viel Platz, muss aber von der unteren Wasserbehörde genehmigt werden. „Wenn – beispielsweise bei einem Altbau – mehr Leistung benötigt wird, könnte ein erdgekoppeltes System die bessere Wahl sein. In Altbauten sind die Leistungsanforderungen höher, weswegen hier häufiger Sole-Wasser-Wärmepumpen zum Einsatz kommen“, sagt Stawiarski. Energiegewinnung mithilfe von Erdwärmekollektoren böte sich hingegen bei einem Grundstück auf dem Land mit viel Freifläche an.

Prinzip Wärmepumpe, Luft-Wärmepumpe, außen, Foto: Bundesverband Wärmepumpe
Bei den Luftwärmepumpen wird im Außengerät Wärme erzeugt und über Zuleitungen in den Pufferspeicher im Haus weitergeleitet. Foto: Bundesverband Wärmepumpe Foto: Bundesverband Wärmepumpe

Wer wirtschaftlich denkt, für den ist die Luft-Wasser-Wärmepumpe die beste Alternative. Die Anschaffungskosten sind am geringsten – ebenso wie der Installationsaufwand. Anlagentechnik im Haus kann beispielsweise im Keller Platz finden – dabei braucht man in etwa einen Kubikmeter Aufstellvolumen. Außerdem werden keine Genehmigungen für den Einbau benötigt. „Einzig den Abstand zu den Nachbarn sollte man beachten, nicht dass sie sich über das Geräusch im Garten plötzlich wundern“, rät Stawiarski. Für einen Neubau reiche eine Luft-Wasser-Wärmepumpe in der Regel aus – höherpreisige Technik rechne sich dort meist nicht. „Luft-Systeme für den Neubau kosten bei einer normalen Hausgröße zwischen 12.000 und 15.000 Euro.“

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Link-Tipp

Welches System das Richtige ist, muss der Eigentümer im Einzelfall selbst entscheiden. Eine Gegenüberstellung der Eigenschaften von Luft- und Erdwärmepumpen lesen Sie in diesem Artikel. 

Prinzip Wärmepumpe, Förderung, Neubau, Foto: Bundesverband Wärmepumpe
Wer eine Wärmepumpe einbaut, sollte eine Förderung in Anspruch nehmen. Foto: Bundesverband Wärmepumpe Foto: Bundesverband Wärmepumpe

Wärmepumpe einbauen: Förderung kassieren

Wer eine Wärmepumpe einbauen will und somit künftig regenerative Energien nutzen will, sollte Förderprogramme in Anspruch nehmen. Beispielsweise gibt es das sogenannte Marktanreizprogramm von der Bundesanstalt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA). „Das ist zurzeit am attraktivsten, dabei können 8.000 bis 10.000 Euro an Förderung erzielt werden“, sagt Stawiarski. Weitere Informationen zu Fördermöglichkeiten können Interessierte hier abrufen.

Wärmepumpen-Rechner

Mit dem Wärmepumpen-Rechner der DAA können Sie schnell, einfach und kostenlos die geschätzten Investitionskosten und die mögliche Förderung für den Einbau einer Wärmepumpe berechnen. 

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Wer eine Förderung in Anspruch nehmen will, sollte sich in jedem Fall beraten lassen, rät Stawiarski. „In jedem Fall sollte man nicht warten, bis die Heizung kaputt geht, sondern den Austausch im Voraus planen, um die Förderung zu kassieren.“

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