Funktion und Arten einer Wärmepumpe

Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Eine Wärmepumpe entzieht ihrer Umgebung Wärme auf einem niedrigen Temperaturniveau und hebt diese unter Einsatz von Antriebsenergie auf ein für Heizung oder Warmwasser nutzbares Temperaturniveau an. Elektrisch betriebene Wärmepumpen benötigen dafür Strom. Einige Systeme können unter geeigneten technischen Voraussetzungen auch zur Kühlung oder Temperierung eines Gebäudes eingesetzt werden.

Wärmepumpen werden unter anderem nach ihrer Wärmequelle und der Art der Wärmeabgabe unterschieden:

• Luft-Wasser-Wärmepumpen: Sie nutzen die Wärme der Außenluft und übertragen die erzeugte Wärme auf ein wassergeführtes Heizsystem. Ihre Effizienz verändert sich mit der Außentemperatur und den benötigten Heizwassertemperaturen.
• Sole-Wasser-Wärmepumpen: Diese Systeme nutzen Wärme aus dem Erdreich. Die Erschließung kann beispielsweise über Erdkollektoren, Erdwärmesonden oder andere geeignete Systeme erfolgen. Abhängig von Standort und Ausführung können Genehmigungen oder Anzeigen erforderlich sein.
• Wasser-Wasser-Wärmepumpen: Sie nutzen in der Regel Grundwasser als Wärmequelle. Voraussetzung sind geeignete hydrogeologische Bedingungen und die erforderlichen wasserrechtlichen Genehmigungen.
• Luft-Luft-Wärmepumpen: Sie entziehen der Außenluft Wärme und geben diese direkt über die Raumluft ab. Dazu zählen beispielsweise bestimmte Split-Klimageräte mit Heizfunktion. Ein wassergeführtes Heizsystem ist dabei nicht erforderlich.

Der Kältemittelkreislauf

Das Funktionsprinzip einer Kompressionswärmepumpe beruht auf einem geschlossenen Kreislauf mit einem Arbeitsmedium, dem sogenannten Kältemittel:

1. Verdampfen: Im Verdampfer nimmt das Kältemittel Wärme aus der Umgebung auf und geht in den gasförmigen Zustand über.
2. Verdichten: Ein elektrisch angetriebener Verdichter erhöht Druck und Temperatur des gasförmigen Kältemittels.
3. Verflüssigen: Im Verflüssiger gibt das Kältemittel die nutzbare Wärme an das Heizungswasser oder ein anderes Wärmeverteilsystem ab und wird wieder flüssig.
4. Entspannen: Ein Expansionsventil senkt den Druck und damit die Temperatur des Kältemittels. Anschließend beginnt der Kreislauf erneut.

Wie effizient eine Wärmepumpe arbeitet, hängt nicht allein vom Gerät ab. Wesentliche Faktoren sind unter anderem die Wärmequelle, der energetische Zustand des Gebäudes, die Heizlast, die benötigte Vorlauftemperatur, die Dimensionierung der Heizflächen, die hydraulische Einbindung, die Regelung und das Nutzungsverhalten.

Auch die Umweltwirkung muss für das konkrete System betrachtet werden. Sie hängt unter anderem vom Stromverbrauch, der Herkunft des eingesetzten Stroms, dem verwendeten Kältemittel und möglichen Kältemittelverlusten ab. Eine fachgerechte Planung, Installation und Wartung ist deshalb wichtig.

Warum kann eine Flächenheizung die Effizienz verbessern?

Fußboden-, Wand- und Deckenheizungen verfügen über vergleichsweise große Wärmeübertragungsflächen. Dadurch können sie Räume häufig mit niedrigeren Heizwassertemperaturen beheizen als kleinere Heizkörper.

Für eine Wärmepumpe sind niedrige Vorlauftemperaturen grundsätzlich vorteilhaft. Je geringer der Temperaturunterschied zwischen der Wärmequelle und dem Heizsystem ist, desto weniger Arbeit muss der Verdichter leisten. Das kann den Stromverbrauch und damit die Betriebskosten reduzieren.

Welche Vorlauftemperatur tatsächlich erforderlich ist, hängt jedoch vom Gebäude und von der Auslegung des Wärmeverteilsystems ab. Pauschale Temperaturangaben sind deshalb nur eingeschränkt aussagekräftig.

Ist eine Wärmepumpe auch mit Heizkörpern möglich?

Eine Fußboden- oder andere Flächenheizung ist keine zwingende Voraussetzung für den Betrieb einer Wärmepumpe. Auch vorhandene Heizkörper können geeignet sein, wenn sie die benötigte Heizleistung bei einer ausreichend niedrigen Vorlauftemperatur an die Räume abgeben können.

Vor einer Umstellung sollte deshalb für jeden Raum geprüft werden, ob die vorhandenen Heizkörper zur jeweiligen Heizlast passen. Mitunter reicht es aus, einzelne Heizkörper zu vergrößern oder durch Modelle mit höherer Wärmeübertragungsleistung zu ersetzen. Zusätzlich können ein hydraulischer Abgleich, die Anpassung der Heizkurve und Maßnahmen am Wärmeschutz des Gebäudes die benötigte Vorlauftemperatur senken.

Ob eine Wärmepumpe im konkreten Gebäude technisch und wirtschaftlich sinnvoll betrieben werden kann, sollte anhand einer Heizlastberechnung und einer fachgerechten Anlagenplanung beurteilt werden.

Komfort und Kühlfunktion

Flächenheizungen können aufgrund ihrer großen Wärmeübertragungsfläche eine gleichmäßige Wärmeverteilung ermöglichen. Der persönliche Komfort hängt jedoch ebenfalls von der Regelung, dem Gebäude, den Oberflächentemperaturen und dem individuellen Wärmeempfinden ab.

Soll eine Wärmepumpe auch zum Kühlen eingesetzt werden, müssen das Gerät, die Wärmequelle und das Wärmeverteilsystem dafür geeignet sein. Bei der Kühlung über Flächen müssen insbesondere die Oberflächentemperaturen und der Schutz vor Tauwasser berücksichtigt werden. Eine Flächenheizung ist daher nicht ohne entsprechende Planung automatisch als Kühlsystem nutzbar.

Fazit: Flächenheizungen schaffen aufgrund ihrer niedrigen möglichen Vorlauftemperaturen häufig gute Betriebsbedingungen für Wärmepumpen. Eine Wärmepumpe kann jedoch ebenso mit geeigneten Heizkörpern effizient arbeiten. Entscheidend ist die fachgerechte Abstimmung von Gebäude, Heizlast, Wärmequelle, Wärmepumpe und Wärmeverteilung.

Rechtliches: Dieser Beitrag dient der allgemeinen Information und stellt keine individuelle Energie-, Fördermittel-, Steuer- oder Rechtsberatung dar. Die technische Eignung und Wirtschaftlichkeit einer Wärmepumpe müssen für das jeweilige Gebäude fachgerecht geprüft werden.

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