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Wärmepumpe Funktion: Alles rund um Funktionsweise und Aufbau

Sie fragen sich, wie genau eine Wärmepumpe funktioniert? In einer Welt, in der Nachhaltigkeit und Energieeffizienz immer wichtiger werden, rückt die Wärmepumpe als zukunftsfähige Lösung für Heiz- und Kühlsysteme in den Fokus. Die Wärmepumpe als Heizsystem ist bekannt für ihre Umweltverträglichkeit und nutzt fortschrittliche Technologie, um Energie aus der Umgebung effektiv einzusetzen.

In diesem Artikel erklären wir die Funktionsweise, Effizienz und technische Entwicklung der Wärmepumpe. Von den grundlegenden Komponenten über Schlüsselbegriffe wie Jahresarbeitszahl (JAZ) und Coefficient of Performance (COP) bis hin zu historischen Entwicklungen und aktuellen Trends. Wir decken alle Aspekte ab, um Ihnen ein tiefgreifendes Verständnis dieser innovativen Technologie zu vermitteln.

Wärmepumpe Funktion: Das Wichtigste in Kürze
  • Grundprinzip der Wärmeübertragung: Wärmepumpen nutzen Temperaturunterschiede, um Wärme von einem Ort niedrigerer zu einem Ort höherer Temperatur zu übertragen, ähnlich wie bei einem umgekehrten Kühlschrank.
  • Schlüsselkomponenten: Eine Wärmepumpe besteht aus einer Energiegewinnungseinheit, der eigentlichen Wärmepumpe und einem Wärmeverteilungs- und Speichersystem. Diese Komponenten arbeiten zusammen, um Umweltenergie effizient zu nutzen.
  • Effizienzbewertung: Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe wird durch die Jahresarbeitszahl (JAZ) dargestellt. Sie zeigt die Energieeffizienz über einen längeren Zeitraum an.
  • Wärmequellen: Wärmepumpen können Wärme aus verschiedenen Quellen extrahieren, wie z.B. der Umgebungsluft, dem Erdreich oder Grundwasser, abhängig vom Typ der Wärmepumpe.
  • Technologische Entwicklung: Von den ersten Kältemaschinen des 19. Jahrhunderts bis hin zu modernen, hoch effizienten Systemen hat sich die Wärmepumpentechnologie erheblich weiterentwickelt, besonders im Hinblick auf Energieeffizienz und Umweltfreundlichkeit.

Enpal bietet Qualitätswärmepumpen von Bosch und Daikin ab 15.500 € an. Lieferung und Montage sind natürlich im Kaufpreis enthalten, die Wärmepumpen sind deutschlandweit verfügbar und im Durchschnitt dauert es nur vier Wochen von Anfrage zu Installation.

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Inhaltsverzeichnis

Aufbau und Funktionsweise der Wärmepumpe

Wärmepumpen arbeiten nach dem Prinzip der Wärmeübertragung. Dabei wird Wärme von einem Ort mit niedrigerer Temperatur zu einem Ort mit höherer Temperatur verschoben. Natürliche Temperaturdifferenzen werden also ausgenutzt, um Wärmeenergie zu erzeugen und zum Heizen zu verwenden. 

Die Funktionsunterschiede zwischen den verschiedenen Wärmepumpenarten sind hauptsächlich auf die verschiedenen Wärmequellen zurückzuführen, wie die Umgebungsluft (im Falle von Luftwärmepumpen), den Boden (bei Erdwärmepumpen) oder das Grundwasser (bei Grundwasserwärmepumpen). Vereinfacht ausgedrückt, kehrt eine Wärmepumpe die Funktionsweise eines Kühlschranks um.

Aufbau und Komponenten

Jedes Wärmepumpensystem, unabhängig von der genutzten Energiequelle aus der Umwelt, setzt sich aus drei Hauptkomponenten zusammen:

  • Energiegewinnungseinheit: Diese Komponente entnimmt Energie aus der Umgebung (abhängig von der jeweiligen Wärmequelle, wie z.B. Erde, Luft, Grundwasser). 
  • Wärmepumpe: Diese Einheit wandelt die gewonnene Umweltwärme in nutzbare Energie um.
  • Wärmeverteilungs- und Speichersystem: Dieses System ist zuständig für die Verteilung und Speicherung der Wärme im Gebäude.

Das effektive Zusammenwirken dieser drei Teile ermöglicht es einer Wärmepumpe, Umweltenergie effizient zu nutzen. Wie der weitere Energiegewinnungsprozess vonstatten geht, lesen Sie im nächsten Abschnitt.

Das Wärmepumpenprinzip

Wärmepumpen Funktion Inforgrafik
  1. Wärmeabsorption : Im ersten Schritt wird die Wärme aus einer Quelle (zum Beispiel Luft, Wasser oder Erdreich) aufgenommen.
    Das kalte Kältemittel im System fließt durch eine Außeneinheit und absorbiert dabei die Umgebungswärme. Das Kältemittel in einer Wärmepumpe ist eine Flüssigkeit, die leicht verdampft und kondensiert. Diese Eigenschaft ermöglicht es dem Kältemittel, Wärme effizient zu absorbieren und abzugeben.
  1. Kompression: Der Kältemitteldampf wird dann zu einem Kompressor geleitet. Durch die Kompression erhöht sich die Temperatur des Kältemittels deutlich. Dieser Prozess benötigt elektrische Energie.
  1. Wärmeabgabe: Das heiße Kältemittel gelangt anschließend in den Wärmetauscher (Kondensator) im Inneren des Gebäudes. Dort gibt es seine Wärme an die Raumluft oder das Heizsystem ab. Beim Abkühlen kondensiert das Kältemittel und wird wieder flüssig.
  1. Expansion: Nachdem das Kältemittel seine Wärme abgegeben hat, fließt es durch ein Expansionsventil. Dabei verringert sich der Druck, das Kältemittel kühlt ab und der Kreislauf beginnt von vorne.
  1. Ausgangszustand: Das Kältemittel befindet sich nun wieder in seinem ursprünglichen Zustand und kann erneut Wärme aus der Luft aufnehmen.

Effizienz und Wirkungsgrad

Um die Funktionsweise einer Wärmepumpe richtig zu verstehen, ist es wichtig, sich mit ihrer Effizienz und dem Wirkungsgrad zu beschäftigen. Einfach ausgedrückt geht es darum, wie gut die Wärmepumpe Energie in Wärme umwandeln kann, die wir dann nutzen können. Diese zwei Punkte sind der Schlüssel, um zu erkennen, wie leistungsfähig und energieeffizient eine Wärmepumpe wirklich ist.

Die Effizienz einer Wärmepumpe beschreibt, wie gut das Gerät Energie – typischerweise aus Luft, Erdreich oder Wasser – in Wärmeenergie umwandeln kann. Eine hocheffiziente Wärmepumpe nutzt die vorhandene Energie optimal und reduziert somit den zusätzlichen Energieaufwand.

Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe gibt an, wie viel Wärmeenergie im Verhältnis zur aufgewendeten Energie produziert wird. Dieses Verhältnis wird normalerweise durch die Kennzahlen “Jahresarbeitszahl” (JAZ) oder “Coefficient of Performance” (COP) angegeben.

Wärmepumpe Funktion: Schlüsselbegriffe erklärt

Jahresarbeitszahl (JAZ)

Die Jahresarbeitszahl, kurz auch JAZ, ist ein Maß für die Effizienz von Wärmepumpen auf ein Jahr gerechnet. Sie berechnet das Verhältnis der abgegebenen Heizwärme zur aufgenommenen elektrischen Energie über diesen Zeitraum. Eine Luftwärmepumpe mit einem JAZ von beispielsweise 4,5 gewinnt vier Einheiten Wärmeenergie aus der Umgebungsluft, während sie dafür nur eine Einheit elektrische Energie benötigt. Merken Sie sich: Eine hohe JAZ bedeutet eine hohe Effizienz.

Coefficient of Performance (COP)

Der COP ist ebenfalls eine Maßzahl zur Bestimmung der Effizienz von Wärmepumpen, bemisst allerdings nur einen bestimmten Zeitpunkt. Dadurch kann der COP-Wert je nach Betriebsbedingungen variieren, da er von der Temperatur der Umgebungsluft abhängt. Dies macht den COP weniger geeignet für die Bewertung von realen Betriebsbedingungen als den JAZ.

Vorlauftemperatur, Rücklauftemperatur und Spreizung

Die Vorlauftemperatur ist die Temperatur des Wassers, das in die Heizkörper oder Fußbodenheizung fließt. Die Rücklauftemperatur ist die Wassertemperatur, die zurück zur Wärmepumpe fließt, nachdem sie ihre Wärme abgegeben hat. Die Differenz zwischen den beiden nennt man Spreizung. Oftmals spricht eine hohe Spreizung für hohe Effizienz.

Vorlauf-, Rücklauftemperatur und Spreizung
Bivalenzpunkt

Der Bivalenzpunkt bezieht sich auf den spezifischen Temperaturbereich, für den eine Wärmepumpe konzipiert ist, um effizient zu funktionieren. Jenseits dieses Punktes ist die Unterstützung durch ein alternatives Heizsystem erforderlich, wie beispielsweise einen elektrischen Zusatzheizer oder einen herkömmlichen Heizkessel. Der Bivalenzpunkt resultiert aus zwei Hauptfaktoren: der Heizanforderung des Gebäudes und der Kapazität der Wärmepumpe. Wenn die Heizkapazität der Wärmepumpe genau der Heizlast des Gebäudes entspricht, ist der Bivalenzpunkt erreicht. Da die Heizlast meist feststeht, sollte die Wärmepumpe so dimensioniert werden, dass ein ökonomisch optimaler Bivalenzpunkt erreicht wird. Für eine effiziente und wirtschaftliche Beheizung eines Gebäudes sollte der Bivalenzpunkt der Wärmepumpe weder bei zu hohen noch bei zu niedrigen Außentemperaturen liegen.

Bivalenzpunkt

Technische Entwicklung der Wärmepumpe

Die Entwicklung der Wärmepumpe begann bereits im 19. Jahrhundert mit der Schaffung der ersten Kältemaschinen durch Jacob Perkins im Jahr 1834. Diese frühen Maschinen enthielten bereits die Hauptelemente moderner Wärmepumpen: Kompressor, Kondensator, Verdampfer und Expansionsventil.

Doch erst um 1900 etablierten sich letztendlich Wärmepumpen als Kältemaschinen für Lebensmittelkühlung. Noch heute haben wir sie in unseren Küchen stehen: Kühlschränke

Die Ölkrisen der 1970er Jahre führten zu einem Boom in der Wärmepumpentechnologie, der allerdings durch sinkende Ölpreise und Qualitätsprobleme im Kleinwärmepumpenbereich gebremst wurde. Trotzdem setzte sich die Kombination von Blockheizkraftwerken mit Wärmepumpen in größeren Anlagen durch.

Mit der Entdeckung des ersten Ozonlochs in den 1980er Jahren und dem Montreal-Protokoll trat ein Umdenken in der Kältemitteltechnologie ein, was zur Entwicklung umweltfreundlicherer Alternativen führte.

Seit den 1990er Jahren erlebte die Wärmepumpentechnik durch technische Fortschritte, wie effizientere und leisere Kompressoren sowie verbesserte Regelungssysteme, eine rasante Verbreitung.

Heute sind Wärmepumpen eine Schlüsseltechnologie in der Heizungstechnik, gekennzeichnet durch hohe Effizienz und eine breite Palette an Anwendungsmöglichkeiten, von privaten Haushalten bis hin zu industriellen Anlagen.

Fazit

Abschließend lässt sich festhalten, dass die Funktionsweise einer Wärmepumpe eine effiziente und umweltfreundliche Alternative zu traditionellen Heizsystemen darstellt. Ihre Fähigkeit, Energie aus der Umgebung zu nutzen und in nutzbare Heizenergie umzuwandeln, macht sie zu einer Schlüsseltechnologie in der modernen Heizungs- und Kühlsystembranche. Durch kontinuierliche technische Verbesserungen und eine zunehmende Fokussierung auf nachhaltige Energiequellen wird die Wärmepumpe voraussichtlich eine noch größere Rolle in der zukünftigen Energieversorgung spielen. Für jeden, der an effizienten, umweltfreundlichen Heizlösungen interessiert ist, bietet die Funktion einer Wärmepumpe viele überzeugende Argumente.

FAQ

Arbeiten Luft-Wasser-Wärmepumpen auch im Winter zuverlässig?

Selbst bei Temperaturen bis zu -15 Grad Celsius ist es einer Luftwärmepumpe möglich, Wärmeenergie aus der Luft zu extrahieren. Sollten die Außentemperaturen noch stärker fallen, könnte ein ergänzendes Heizsystem erforderlich sein, um das Haus effizient zu heizen. Schauen Sie sich dazu auch gerne weiter oben den Abschnitt zum Bivalenzpunkt an.

Wie laut sind Wärmepumpen wirklich?

Die Lautstärke von Wärmepumpen kann variieren, hängt aber hauptsächlich von ihrem Typ und der Qualität der Installation ab. Die Luft-Wasser-Wärmepumpen, die wir bei Enpal anbieten, liegen zwischen 34 und 39dB. Was sogar leiser als flüstern ist. Moderne Wärmepumpen sind so konzipiert, dass sie minimale Geräusche verursachen. Faktoren wie der Einsatz von Schallschutzgehäusen, die Platzierung der Wärmepumpe und eine fachgerechte Installation können die Geräuschentwicklung erheblich reduzieren. Daher ist es wichtig, einen qualifizierten Fachmann mit der Installation zu beauftragen, um sicherzustellen, dass die Wärmepumpe so leise wie möglich arbeitet.

Geräuschpegel von Wärmepumpen im Vergleich

Hier können Sie herausfinden, ob sich eine Wärmepumpe auch für Ihr Haus lohnt:

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