Wärmepumpe: Grundlagen und Funktionsweise

Die Wärmepumpe als zukunftssicheres Heizungssystem spielt im Übergang zu erneuerbaren Energien eine wesentliche und zunehmende Rolle. In Schweden – wo Aira ins Leben gerufen wurde – ist sie bereits Standart. Dieser Beitrag wirft einen detaillierten Blick auf die verschiedenen Arten von Wärmepumpen, ihre Funktionsweisen und ihre zugrundeliegenden physikalischen Prinzipien.

Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Die Wärmepumpe ist eine Technologie, die auf einem ähnlichen Prinzip wie ein Kühlschrank beruht, allerdings in umgekehrter Funktion. Ihr Hauptzweck ist es, Wärme aus der Umgebung – sei es aus der Luft, dem Erdreich oder dem Grundwasser – zu extrahieren und diese für die Heizung von Gebäuden oder die Warmwasseraufbereitung zu verwenden. Ebenso kann man die Wärmepumpe im Sommer zum Kühlen einsetzen.

Funktionsprinzip einer Wärmepumpe

Das Herzstück der Wärmepumpe ist der thermodynamische Kreislauf, der vier Hauptkomponenten umfasst: 

1. den Verdampfer
2. den Kompressor
3. den Kondensator 
4. das Expansionsventil

Zuerst wird ein gasförmiges Kältemittel mit niedrigen Temperaturen durch den Verdampfer geleitet, wo dieser die aufgenommene Energie, also die Wärme aus der Umgebung, aufnimmt und verdampft. Das nun gasförmige Kältemittel wird anschließend im Kompressor verdichtet, was zu einer Erhöhung von Temperatur und Druck führt. Im Kondensator gibt das heiße Gas die Wärme an das Heizsystem des Gebäudes ab und kondensiert zu einer Flüssigkeit. Schließlich wird das flüssige Kältemittel durch das Expansionsventil geleitet, wodurch es entspannt wird und an Druck und Temperatur verliert. Dieser Kreislauf wird kontinuierlich wiederholt.

Arten von Wärmepumpen

Es gibt drei Haupttypen von Wärmepumpen, die nach der Wärmequelle klassifiziert werden:

1. Funktion Luft-Wasser-Wärmepumpen  / Luft als Wärmequelle: Diese Variante extrahiert Wärme aus der Außenluft. Luft-Wasser-Wärmepumpen sind besonders aufgrund ihrer einfachen Installationsweise beliebt, bedürfen aber im Vergleich zu den anderen Typen einer höheren Menge an elektrischem Strom, vor allem bei niedrigen Außentemperaturen.
2. Funktion Sole-Wasser-Wärmepumpen / Erdreich als Wärmequelle: Diese nutzen die im Erdreich gespeicherte Wärme. Dafür werden Kollektoren in den Boden eingebracht, durch welche eine Sole (Wasser-Salz-Gemisch) zirkuliert, die die Wärme aufnimmt. 
3. Funktion Wasser-Wasser-Wärmepumpen / Grundwasser als Wärmequelle: Sie beziehen ihre Wärme aus dem Grundwasser, welches konstante Temperaturen aufweist und somit sehr effizient als Wärmequelle dient.

Jeder dieser Typen hat seine eigenen Vor- und Nachteile sowie spezifische Anwendungsbereiche, die je nach örtlichen Gegebenheiten und Anforderungen des zu heizenden Gebäudes zu berücksichtigen sind. Entsprechend können auch die Kosten bei einer Installation stark variieren.

Grundlagen der Wärmepumpe

Im Gegensatz zu traditionellen Heizmethoden, die auf fossilen Brennstoffen basieren, wie Gas- oder Ölheizungen, basiert das Heizen mit Wärmepumpe auf regenerativer Energie, der Umgebungsluft. Die Hauptenergiequelle für den Betrieb der Wärmepumpe ist elektrisch, wobei der eigentliche Heizprozess größtenteils durch die kostenlose, thermische Energie gespeist wird. Das heisst, sie macht die Umweltwärme nutzbar. Diese Technologie ermöglicht es, Gebäude effizient zu beheizen und gleichzeitig die Umweltbelastung zu reduzieren.

Elektrische Energie als Antriebsenergie

Die elektrische Energie stellt den Betrieb der Wärmepumpe sicher und macht einen Anteil von 25% im Prozess aus. Dieser wird mithilfe von elektrischem Strom bgedeckt. Den größten Teil der Heizenergie – etwa 75% – bezieht diese, indem sie ihrer Umgebung Wärme entzieht.

Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe ist ein zentrales Maß für ihre Effizienz und gibt an, wie viel Strom benötigt wird, um eine bestimmte Menge an Wärme zu produzieren. Dank der modernen Technik von Wärmepumpen kann somit die Menge an benötigter elektrischer Energie im Vergleich zur erzeugten Wärmemenge gering gehalten werden.

Energieumwandlung und -übertragung

Die Effizienz einer Wärmepumpe wird wesentlich durch den Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle (Luft, Wasser oder Erde) und der benötigten Temperatur für das Heizsystem bestimmt. Ein geringerer Unterschied führt zu einer höheren Effizienz, denn es wird weniger Strom benötigt, um die gewünschte Temperatur zu erzielen.

Nutzung erneuerbarer Energien

Durch die Nutzung von erneuerbaren Energiequellen  spielen Wärmepumpen eine wichtige Rolle in der umweltbewussten Energieversorgung von Gebäuden. Sie verwenden die natürlichen, in der Umwelt vorhandenen Ressourcen und sind deshalb eine nachhaltige Alternative zu konventionellen Heizsystemen, wie Gas- oder Ölheizungen. In Neubauten sind elektrische Wärmepumpen  mittlerweile das führende Heizsystem, was ihre steigende Bedeutung und Akzeptanz unterstreicht. Sie bieten eine grüne Lösung, Langzeitstabilität und sind mit dem fortschreitenden Ausbau der erneuerbaren Energien im Stromsektor zunehmend nachhaltiger.

Wärmepumpe im Winter

Wärmepumpen stellen auch bei geringer Temperatur im Winter eine zuverlässige Heizung dar. Sie können selbst bei Außentemperaturen von bis zu -20 °C effektiv arbeiten. Um jedoch auch bei solchen extremen Bedingungen eine konstante Wärmeleistung zu garantieren, kann ein elektrischer Heizstab als Zusatzheizung eingreifen. Dieser wird nur bei Bedarf zugeschaltet, um die Wärmepumpe zu unterstützen. Tatsächlich ist die moderne, elektrische Wärmepumpe sehr leistungsfähig und kann Vorlauftemperaturen von bis zu 55 °C erreichen, selbst wenn die Außentemperaturen sehr niedrig sind. Diese Fähigkeit unterstreicht die Effizienz von Wärmepumpen im Winter, wenn die Heizlast am größten ist.

Wintereffizienz von Wärmepumpen

Die Eignung von Wärmepumpen für den Winterbetrieb, selbst bei zweistelligen Minusgraden, hängt erheblich von der Bauart ab. Darüber hinaus kann die Wärmepumpe als Teil eines Hybridsystems, gemeinsam mit einer Gastherme, eine alternative Lösung für die kalte Jahreszeit darstellen. Hierbei übernimmt die Gastherme an sehr kalten Tagen die Spitzenlast, während die Wärmepumpe den Großteil des Wärmebedarfs abdeckt.

Nutzung der Umgebungswärme bei niedrigen Temperaturen

Auch bei niedrigen Temperaturen kann die Außenluft als Wärmequelle genutzt werden. Bei Luft-Wasser-Wärmepumpen wird dies erreicht, indem ein Ventilator Außenluft ansaugt und über einen Verdampfer leitet. Dort entzieht das verdampfende Kältemittel der Luft Wärme, um sie für die Heizung nutzbar zu machen. Besonders in Kombination mit Niedertemperaturheizsystemen zeigt sich die Wärmepumpe von ihrer effizienten Seite. Diese Systeme benötigen lediglich Vorlauftemperaturen zwischen 30 und 35 °C, was den Energieverbrauch deutlich reduziert.

Energieeffizienz und Umweltfreundlichkeit

Wärmepumpen zeichnen sich durch eine beeindruckende Energieeffizienz aus, die einen wesentlichen Beitrag zur Umweltfreundlichkeit leistet. Ein hoher Wirkungsgrad dieser Systeme wird durch technologisch fortschrittliche Komponenten wie Hocheffizienzpumpen und drehzahlgeregelte Ventilatoren realisiert. Ein Schlüsselparameter in diesem Zusammenhang ist der COP-Wert (Coefficient of Performance), der das Verhältnis von gewonnener Wärmeenergie zu eingesetzter elektrischer Energie beschreibt. Je höher der COP-Wert, desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe.

Der Einsatz einer Wärmepumpe führt zu einem drastisch verringerten Strombedarf im Vergleich zu herkömmlichen Heizsystemen. Diese Reduzierung des Stromverbrauchs verbessert unmittelbar die CO₂-Bilanz des Heizens, was zum Schutz unserer Umwelt beiträgt. Noch umweltfreundlicher wird die Wärmeerzeugung mit einer Wärmepumpe, wenn der benötigte Strom aus erneuerbaren Quellen wie Solar - oder Windkraft bezogen wird. In einem solchen Fall kann die Heizmethode sogar CO₂-neutral sein. Und hohe Stromkosten sind damit auch passé.

Wirkungsgrad von Wärmepumpen

Heizkörper, die für niedrige Vorlauftemperaturen optimiert sind, verstärken den Wirkungsgrad einer Wärmepumpe erheblich. Die Wärmepumpe muss weniger Energie aufwenden, um das Heizmedium aufzuwärmen, wodurch insgesamt weniger elektrische Energie zum Heizen benötigt wird. Die Effizienz von Wärmepumpen wird durch die unterschiedlichen Kennzahlen COP (Coefficient of Performance), SCOP (Seasonal Coefficient of Performance) und die Jahresarbeitszahl (JAZ) quantifiziert. 

Ein hoher JAZ-Wert bedeutet ein hoher Wirkungsgrad. Eine JAZ von 5 beispielsweise sagt, dass die Pumpe aus 1 kWh Strom 5 kWh Wärme erzeugt, was durch niedrige Vorlauftemperaturen sichergestellt wird. Und das wiederum kann finanzielle Fördermöglichkeiten für die Installation einer Wärmepumpe verbessern.

Die JAZ ergibt sich aus dem COP, der auf Basis definierter Normen basiert. Er ergibt sich durch eine genaue Außentemperatur und eine feste Vorlauftemperatur und gibt ebenso Information zur Wirtschaftlichkeit einer Wärmepumpe. Am genausten ist jedoch der SCOP. Dieser ermittelt die JAZ einer Wärmepumpe innerhalb verschiedener Betriebszustände. Es wird geschaut, wie effizient eine Wärmepumpe bei 12°, 7°, 2° oder –7° Celsius über ein Jahr arbeitet. Ein SCOP-Wert von 3,5 gilt als gut, die Wärmepumpen von Aira haben einen Wert von 4,7.

Vor- und Nachteile bei niedrigen Vorlauftemperaturen

So sind niedrige Vorlauftemperaturen also erstrebenswert, aber sie erfordern auch eine entsprechend angepasste Heizkörperdimensionierung oder den Einsatz von Flächenheizungen wie Fußboden- oder Wandheizungen, um eine angemessene Wärmeleistung im Raum zu gewährleisten.

Die optimalen Voraussetzungen für Wärmepumpen mit einem höheren Wirkungsgrad zu schaffen kann mit hohem Aufwand und Kosten verbunden sein. Gerade bei Altbauten kann der Austausch von Heizkörpern und andere Anpassungen anfallen. In diesem Fall kommt eine Hochtemperatur-Wärmepumpe infrage, die mit unterschiedlichsten Heizkörpern kompatibel ist, jedoch auch hohe Vorlauftemperaturen mit sich bringt. Ihr Einsatz muss abgewogen werden. Das Geld zu investieren, lohnt sich aber in jedem Fall, denn Wärmepumpen werden nicht nur mit bis zu 70% gefördert, sie rentieren sich über einen längeren Zeitraum aufgrud deutlich geringerer Energiekosten von bis zu 40%.

Wahl des geeigneten Kältemittels

Die Effizienz und ökologische Verträglichkeit einer Wärmepumpe hängen von verschiedenen Faktoren ab, aber maßgeblich von der Auswahl des richtigen Kältemittels. Kältemittel sind essenzielle Komponenten innerhalb des Kreislaufes der Wärmepumpe, die für den Wärmeaustausch zuständig sind. Die Beachtung des globalen Erwärmungspotenzials (GWP) ist dabei von besonderer Bedeutung, da einige Kältemittel im Falle von Leckagen den Treibhauseffekt deutlich stärker als CO₂ verstärken können.

Moderne Wärmepumpen setzen daher verstärkt auf umweltfreundlichere Alternativen. So nutzen Aira Wärmepumpen das natürliche Kältemittel Propan (R290), welches eine geringe Umweltbelastung und gute Energieeffizienz vereint. Zudem sichert der Einsatz von natürlichen Kältemitteln wie Propan (R290) einen Effiziensbonus von 5%. Insgesamt kann die Förderung von Wärmepumpen bis zu 70% betragen – und der kostenlose Förderservice von Aira begleitet durch den gesamten Förderprozess.

Unterschiede zwischen gasförmigen und flüssigen Kältemitteln

Im Herzen einer Wärmepumpe findet der Wechsel zwischen gasförmigen und flüssigen Zuständen des Kältemittels statt, was entscheidend für den Wärmetransport ist. Gasförmige Kältemittel nehmen Wärme aus der Umgebung auf, die dann über einen Wärmetauscher - den Verflüssiger - an das Heizsystem abgegeben wird. Bei diesem Prozess kondensiert das gasförmige Kältemittel  und gibt seine Energie ab.

Flüssige Kältemittel dagegen können ihre Wärme direkt in den Heizkreislauf einbringen oder diese im Wärmespeicher der Wärmepumpe für späteren Bedarf vorhalten. Der Zustandswechsel und der damit verbundene Wärmeaustausch macht den Einsatz von flüssigen Kältemitteln vielseitig in der Praxis.

In der Übersicht zeigt sich also folgendes:

• Gasförmiges Kältemittel: Wird kondensiert; Wärmeabgabe erfolgt an Heizsystem über Verflüssiger 
• Flüssiges Kältemittel: Direkte Nutzung; Einsatz im Heizkreislauf oder Speicherung im Pufferspeicher 

Diese Unterscheidung ist ausschlaggebend für die Konstruktion der Wärmepumpenkomponenten und die Effizienz der Wärmeübertragung. Kurze und effiziente Wege zum Wärmeaustausch sichern dabei den hohen Wirkungsgrad des Systems.

Fazit und Ausblick

Die Wärmepumpe hat sich als zukunftssichere Heizlösung etabliert, die auch im Winter zuverlässig arbeitet. Ihre hohe Effizienz und die Möglichkeit, in Verbindung mit erneuerbaren Energien klimaneutral zu arbeiten, bieten eine überzeugende Alternative zu fossilen Brennstoffen. Bei Altbauten und Bestandgebäuden ist unter anderem entscheidend, dass die Heizkörper richtig dimensioniert sind und ein hydraulischer Abgleich durchgeführt wird, um die optimale Funktion der Anlage zu gewährleisten. Passende Stromtarife für Wärmepumpen oder die Wärmepumpe mit Photovoltaik-Lösungen zu kombinieren, machen sie zu einer CO₂-freien, stromsparenden und erschwinglichen Heizvariante – besonders mit dem Aira All-Inclusive-Plan. Denn dieser deckt alle Schritte ab: Von der Energienalayse des Hauses, über die Förderung bis hin zur Installation. Und das auf Basis einer Leistungs- und Produktgarantie von 15 Jahren.