Wie funktioniert eine Wärmepumpe? Das Prinzip einfach erklärt

Die Wärmepumpe: Was ist das eigentlich?

Eine Wärmepumpe kannst du als Heizsystem nutzen, weshalb man auch oft synonym von einer Wärmepumpenheizung spricht. Sie verspricht eine umweltfreundliche Alternative zu fossilen Brennstoffen wie Öl oder Gas zu sein. Das stimmt zwar auch, jedoch benötigt sie für ihren Betrieb Strom. Abhängig davon, woher der verwendete Strom stammt, kann man hier mal mehr, mal weniger von Umweltfreundlichkeit sprechen, denn Strom, der aus fossilen Ressourcen stammt, vermindert natürlich den positiven Effekt für die Umwelt.

Die Wärmepumpenheizung gewinnt natürliche Wärme aus der Luft, dem Boden oder dem Grundwasser. Entsprechend unterschiedlich fallen die einzelnen Systeme aus, das zugrundeliegende Funktionsprinzip bleibt jedoch gleich. Anhand dessen kannst du die Wärmepumpe zum Heizen oder auch für die Warmwasserbereitung nutzen.

Wie funktioniert eine Wärmepumpe? Ihre Funktionsweise einfach erklärt

Du fragst dich: „Wie funktioniert eine Wärmepumpe eigentlich?“ Die ganz einfache Antwort auf diese Frage lautet, dass sie Umgebungswärme sammelt – sei es aus der Luft, dem Erdboden oder dem Grundwasser – und diese so lange konzentriert, bis Hitze entsteht. Diese wiederum kann dann in einem Wärmespeicher gespeichert, zu den Raumheizungen transportiert werden oder auch direkt dein Brauchwasser erwärmen.

Das Ganze funktioniert natürlich nicht nur im Sommer, wenn die Umgebungstemperaturen angenehm warm sind (und man auch überwiegend gar keine Heizung benötigt), sondern auch im Winter. So bietet beispielsweise das Erdreich bereits in wenigen Metern Tiefe, unabhängig von der Jahreszeit, eine relativ konstante Temperatur. Bei 10 Metern Tiefe etwa 5 bis 15 °C, bei 300 Metern sogar um die 20 °C.

Wärmepumpe Funktion: Der Aufbau

Zur Wärmepumpenheizungsanlage zählen 3 wichtige Hauptkomponenten:

• Die Wärmequellenanlage
• Die Wärmepumpe
• Das Wärmeverteil- und Speichersystem

Während die Wärmequellenanlage die notwendige Umgebungswärme aus der jeweiligen Wärmequelle (Luft, Boden, Grundwasser) zieht und zur Wärmepumpe transportiert, findet der eigentliche Prozess in der Wärmepumpe selbst statt, bei dem die Wärme von ihrem ursprünglichen niedrigen Niveau auf ein notwendiges angehoben wird. In der Wärmenutzungsanlage, bestehend aus Wärmeverteilsystem sowie Speichersystem, wird die Wärme schließlich zu den Heizkörpern im Haus transportiert.

Die Wärmepumpe an sich besitzt wiederum 5 wichtige Komponenten, die es ermöglichen, die verhältnismäßig niedrige Umweltwärme so weit zu erhitzen, dass sie zum Heizen von Brauch- und Heizwasser genutzt werden kann.

• Verdampfer
• Verdichter (Kompressor)
• Verflüssiger (Kondensator)
• Drosselorgan (Expansionsventil)
• Arbeitsmittel (Kältemittel)

Wie funktioniert eine Wärmepumpe? Das Funktionsprinzip

Du kennst jetzt den Aufbau und die Bestandteile, aber wie funktioniert eine Wärmepumpe jetzt genau? Im Grunde kannst du dir das Funktionsprinzip ähnlich dem eines Kühlschrankes vorstellen. Dieser entzieht seinem Innenraum oder viel mehr den darin enthaltenen Lebensmitteln Wärme und gibt diese nach außen ab, sodass es im Inneren jederzeit schön kühl bleibt. Genau umgekehrt arbeitet eine Wärmepumpe: Sie wandelt die gewonnene Umweltwärme von außen in Heizwärme für das Innere deines Hauses um. 

Das ist möglich, weil die gewonnene Wärme im Inneren der Wärmepumpe ein flüssiges Kältemittel erwärmt. Dieses verdampft daraufhin und wird von einem Kompressor verdichtet. Das nun gasförmige Kältemittel wird bei diesem Prozess aufgrund des entstehenden Drucks wärmer (Joule-Thomson-Effekt). Diese Wärme wird dann mittels Wärmetauscher ganz einfach an das Heizsystem abgegeben.

Hierbei handelt es sich um einen Kreislauf. Denn durch die Abgabe der Wärme verflüssigt sich das Kältemittel wieder, das Drossel- oder auch Expansionsventil vermindert den Druck weiter, sodass sich das Kältemittel immer weiter abkühlt und ausdehnt. So kann es wieder neue Umgebungswärme aufnehmen und der Kreislauf beginnt von neuem.

Durch dieses Prinzip ist eine hohe Effizienz möglich! Nur ein Kilowatt Strom reicht aus, um bis zu 4 Kilowatt an Wärmeenergie zu erzeugen. Stammt dieser Strom darüber hinaus aus umweltfreundlichen Ressourcen (z. B. PV-Anlage oder Windkraft), handelt es sich um eine sehr umweltfreundliche Möglichkeit, dein Zuhause zu heizen.

Verschiedene Wärmepumpenarten, verschiedene Wärmequellen, gleiches Prinzip

Du fragst dich „Wie funktioniert eine Wärmepumpe? Und woher bezieht sie die Umgebungsenergie?“ Dann solltest du dir einmal genauer anschauen, welche Wärmepumpenarten es gibt:

• Die Luftwärmepumpe
• Die Erdwärmepumpe
• Die Grundwasser-Wärmepumpe

Das Prinzip, wie eine Wärmepumpe funktioniert, ist im Grunde bei allen Arten gleich. Lediglich woher und wie die Umweltenergie bezogen wird, unterscheidet sich.

Funktion einer Luft-Wasser-Wärmepumpe

Bei den Luft-Wärmepumpen unterscheiden sich Luft-Luft-Wärmepumpen von Luft-Wasser-Wärmepumpen. Gängigstes System bildet hierbei die Luft/Wasser-Wärmepumpe, die wir uns daher einmal etwas genauer anschauen:

Bei dieser Art dient die Außenluft als Wärmequelle. Eine Außeneinheit saugt die Umgebungsluft durch einen Ventilator an. Da die Umgebungsluft – anders als das Grundwasser oder die Erdwärme – nicht das ganze Jahr über konstant ist, liegen hier deutliche Temperaturunterschiede vor. Daraus resultiert, dass, je kälter die Luft ist, desto mehr elektrische Energie, in Form von Strom, muss aufgewendet werden, um das Kältemittel der Wärmepumpe zu erwärmen.

Funktionsweise der Erdwärmepumpe einfach erklärt

Für die sogenannte Erdwärmepumpe oder auch Sole-Wasser-Wärmepumpe schauen wir uns das Prinzip der Geothermie etwas genauer an. Darunter versteht man nämlich allgemein hin, dass die im Erdboden gespeicherte Energie nutzbar gemacht wird, sprich diese Wärmepumpenart nutzt das Erdreich als Wärmequelle.

Das ist auf 2 unterschiedliche Arten möglich. Durch

• Erdkollektoren
• Erdsonden

Diese ziehen Wärme aus dem Boden. Im weiteren Prozess geht es dann weiter, wie bereits erläutert. Vorteil gegenüber einer Luftwärmepumpe ist, dass die Bodentemperatur im Vergleich zur Umgebungsluft das ganze Jahr über relativ konstant bleibt und keine oder nur geringe Temperaturunterschiede ausgeglichen werden müssen. Das zieht eine deutlich höhere Effizienz nach sich.

Wie funktioniert eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe?

Auch das Grundwasser bietet eine relativ konstante Wärmequelle – das ganze Jahr über. Die Grundwasser-Wärmepumpe oder auch Wasser-Wasser-Wärmepumpe macht sich dies zu Nutzen. Für diese Wärmepumpenart werden 2 Brunnen benötigt:

• Einen Saugbrunnen (entnimmt das Grundwasser)
• Einen Schluckbrunnen (gibt das genutzte Wasser wieder ins Erdreich ab)

Aufgrund der im Vergleich ganzjährig recht konstanten und hohen Temperaturen des Grundwassers, zählt diese Art der Wärmepumpen als besonders effizient. Jedoch ist nicht jede Wärmepumpe überall gleich gut einsetz- oder realisierbar. Willst du dich hier genauer informieren, schau doch einmal bei unserem entsprechenden Artikel vorbei, welche Wärmepumpe sich für dich womöglich am besten eignet.

FAQ zum Funktionsprinzip einer Wärmepumpenheizung