Eine Wärmepumpe kann die CO2-Emissionen drastisch reduzieren: Während eine alte Ölheizung bis zu 6.000 kg CO2 pro Jahr ausstösst, verursacht die Funktion Wärmepumpe nur etwa 100 kg CO2. Dabei arbeitet diese Technologie ausserordentlich effizient und kann theoretisch das 4- bis 5-fache der eingesetzten elektrischen Energie als Wärmeenergie bereitstellen.

Wie funktioniert eine Wärmepumpe genau? Das Grundprinzip basiert auf vier wesentlichen Schritten: der Aufnahme, Verdichtung, Abgabe und Entspannung von Wärmeenergie. Besonders beeindruckend ist, dass Wärmepumpen selbst bei Aussentemperaturen von bis zu -20 °C noch effizient arbeiten können. In diesem Artikel erklären wir Ihnen Schritt für Schritt die Funktionsweise dieser zukunftsweisenden Heiztechnologie.

Das Grundprinzip der Wärmepumpe: Wärme aus der Umgebung nutzen

Das Grundprinzip der Wärmepumpe basiert auf einem einfachen, aber genialen physikalischen Prozess, der Wärmeenergie aus der Umgebung nutzbar macht. Im Kern entzieht die Wärmepumpe einer Wärmequelle auf niedrigem Temperaturniveau Energie, hebt diese auf ein höheres Niveau und gibt sie dann an das Heizsystem eines Gebäudes ab. Diese Technik ermöglicht es, selbst bei Aussentemperaturen von bis zu -20°C noch effizient zu heizen.

Der umgekehrte Kühlschrank: Wie die Wärmepumpe Energie gewinnt

Die Funktionsweise einer Wärmepumpe lässt sich am besten mit einem umgekehrten Kühlschrank vergleichen. Während ein Kühlschrank dem innen liegenden Kühlraum Wärme entzieht und sie bei höherer Temperatur über die Blechlamellen an der Rückseite an den umgebenden Raum abgibt, arbeitet die Wärmepumpe nach demselben Prinzip – nur in entgegengesetzter Richtung. Sie entnimmt der Umgebung Wärme und transportiert diese ins Innere des Hauses.

Der entscheidende Vorteil dieser Technik: Eine effiziente Wärmepumpe kann aus bis zu 75% kostenloser Umweltenergie 100% Heizleistung erzeugen. Dies macht sie zu einer besonders nachhaltigen Lösung für die Wärmeversorgung moderner Gebäude.

Im Inneren der Wärmepumpe läuft ein geschlossener Kreisprozess ab, der sich in vier Hauptschritte unterteilen lässt:

1. Verdampfen: Aufnahme von Umgebungswärme
2. Verdichten: Erhöhung der Temperatur
3. Verflüssigen: Abgabe der Wärme an das Heizsystem
4. Entspannen: Druckabbau und Neustart des Kreislaufs

Dieser kontinuierliche Kreislauf sorgt dafür, dass die Wärmepumpe gleichmässig Heizenergie bereitstellen kann.

Physikalische Grundlagen: Der Joule-Thomson-Effekt

Die physikalische Grundlage der Wärmepumpentechnik ist der Joule-Thomson-Effekt, der 1852 von William Thomas gemeinsam mit James Prescott Joule entdeckt wurde. Dieser Effekt beschreibt die Temperaturänderung eines Gases bei einer isenthalpen Druckminderung. In einfachen Worten: Ein Gas verändert seine Temperatur, wenn es ohne Zuführung von Arbeitsleistung von aussen expandiert.

Im Fall der Wärmepumpe nutzt man diesen Effekt, indem ein Kältemittel verwendet wird, das bereits bei sehr niedrigen Temperaturen siedet bzw. verdampft. Dieses Kältemittel ändert im Kreislauf der Wärmepumpe mehrfach seinen Aggregatzustand – vom flüssigen zum gasförmigen Zustand und zurück.

Der Joule-Thomson-Koeffizient bestimmt dabei die Richtung und Stärke des Effekts. Für die meisten Gase unter Normalbedingungen gilt, dass die Temperatur bei der Entspannung sinkt. Für die Funktion einer Wärmepumpe ist allerdings der umgekehrte Prozess entscheidend: Durch Verdichtung (Kompression) wird das Gas erwärmt.

Dieser Prozess ermöglicht es der Wärmepumpe, die Temperatur der aufgenommenen Umgebungswärme so weit zu erhöhen, dass sie zum Heizen genutzt werden kann. Folglich kann die Wärmepumpe aus Wärmequellen mit relativ niedriger Temperatur (wie etwa -20°C kalter Aussenluft) nutzbare Heizwärme mit höherer Temperatur erzeugen.

Die vier Energiequellen: Luft, Wasser, Erdreich und Abwärme

Die Wärmepumpe kann aus vier verschiedenen Energiequellen Wärme gewinnen:

• Umgebungsluft: Sie ist überall und kostenfrei verfügbar. Selbst bei Minusgraden enthält die Luft noch nutzbare Wärmeenergie. Der wirtschaftliche Betrieb ist bis etwa -20°C möglich.
• Erdreich: Im Boden schlummert eine enorme Energiemenge mit verhältnismässig konstanten Temperaturen. Ab einer Tiefe von etwa 10 Metern bleiben diese selbst im Winter auf einem relativ hohen Niveau. Die Nutzung erfolgt mittels Erdsonden, Erdkollektoren oder Erdkörben.
• Wasser: Grundwasser ist ein ausgezeichneter Energiespeicher mit konstanten Temperaturen von über 10°C das ganze Jahr über. Zur Nutzung wird ein System aus Saug- und Schluckbrunnen benötigt. Auch Oberflächengewässer wie Seen oder Flüsse können als Wärmequelle dienen.
• Abwärme: Auch Abwärme aus Abluft oder Abwasser kann als Energiequelle genutzt werden. Zusätzlich gibt es innovative Lösungen wie Eisspeicher oder Erdwärmespeicher.

Die Effizienz einer Wärmepumpe wird durch die Leistungszahl (COP – Coefficient of Performance) ausgedrückt. Sie gibt das Verhältnis der abgegebenen Nutzwärmeleistung zur eingesetzten elektrischen Leistung an. Die Jahresarbeitszahl (JAZ) hingegen zeigt das Verhältnis der im Laufe eines Jahres abgegebenen Wärmemenge zur eingesetzten elektrischen Energie.

Besonders hohe Jahresarbeitszahlen werden erreicht, wenn die Wärmequelle ergiebig ist und gleichbleibend eine möglichst hohe Temperatur liefert. Daher sind Abwärme und geothermische Umgebungswärme oft besser geeignet als Umgebungsluft.

Ein weiterer Vorteil: Wärmepumpen eignen sich nicht nur zum Heizen, sondern auch zum Kühlen – besonders energiesparend mit oberflächennaher Geothermie, die im Sommer kühl genug ist, um das Haus zu temperieren. Dies erhöht die Energieeffizienz des Gesamtsystems und spart Betriebskosten.

Der Kältemittelkreislauf: Das Herzstück der Wärmepumpe

Im Zentrum jeder Wärmepumpe befindet sich der Kältemittelkreislauf – ein geschlossenes System, das die Umwandlung von Niedertemperaturwärme in nutzbare Heizenergie ermöglicht. Dieser kontinuierliche Kreislaufprozess ermöglicht den effizienten Transport von Wärmeenergie und ist damit das eigentliche Herzstück der Wärmepumpentechnologie.

Eigenschaften und Funktion des Kältemittels

Das Kältemittel ist ein spezielles Fluid mit besonderen chemischen Eigenschaften, das als Transportmedium für Wärmeenergie dient. Die wichtigste Eigenschaft dabei: Es verdampft bereits bei ausserordentlich niedrigen Temperaturen. Je nach verwendetem Kältemittel liegt der Siedepunkt zwischen -57°C und -12°C. Diese Fähigkeit macht es möglich, selbst bei tiefen Aussentemperaturen noch genügend Wärmeenergie aus der Umgebung aufzunehmen.

Folgende zentrale Eigenschaften zeichnen ein gutes Kältemittel aus:

• Niedriger Siedepunkt für die Wärmeaufnahme bei geringen Temperaturen
• Hohes Wärmeleitvermögen für effizienten Energietransport
• Geringes Dampfvolumen für eine kompakte Bauweise
• Niedriger Verflüssigungsdruck für eine hohe Leistungszahl

In modernen Wärmepumpen kommen unterschiedliche Kältemittel zum Einsatz. Zunehmend werden umweltfreundliche Varianten wie R290 (Propan) verwendet. Dieses natürliche Kältemittel trägt mit einem GWP-Wert von nur 3 kaum zum Treibhauseffekt bei und ermöglicht hohe Vorlauftemperaturen von bis zu 75°C.

Nach der Installation bleibt der Kältekreislauf dauerhaft geschlossen, wodurch das Kältemittel nicht entweichen kann. Erst bei der Entsorgung der Wärmepumpe wird es fachgerecht entnommen und wiederverwendet.

Vom flüssigen zum gasförmigen Zustand und zurück

Der Kältemittelkreislauf einer Wärmepumpe durchläuft vier klar definierte Phasen, bei denen das Kältemittel seinen Aggregatzustand mehrfach ändert. Diese Zustandsänderungen basieren auf drei physikalischen Grundprinzipien:

1. Eine Flüssigkeit, die verdampft, nimmt Wärme auf.
2. Ein Gas, das flüssig wird, gibt Wärme ab.
3. Die Temperatur bei Verdampfung und Verflüssigung steigt mit zunehmendem Druck.

Ausgehend von diesen Grundlagen lässt sich der Kältemittelkreislauf in vier Schritte unterteilen:

Schritt 1: Verdampfen Im Verdampfer nimmt das flüssige Kältemittel Wärme aus der Umgebung auf. Durch den Kontakt mit der Wärmequelle (Luft, Wasser oder Erdreich) verdampft das Kältemittel aufgrund seines extrem niedrigen Siedepunkts und wechselt vom flüssigen in den gasförmigen Zustand. Der Verdampfer muss dabei entsprechend der jeweiligen Wärmequelle gestaltet sein.

Schritt 2: Verdichten Das nun gasförmige Kältemittel wird im Kompressor (auch Verdichter genannt) verdichtet. Durch die Erhöhung des Drucks steigt gleichzeitig die Temperatur des Gases erheblich an. Der Kompressor ist sozusagen das “Kraftwerk” der Wärmepumpe und wird elektrisch angetrieben. Hier wird externe Energie zugeführt, um den gesamten Prozess anzutreiben.

Schritt 3: Verflüssigen Das komprimierte, heisse Kältemittelgas gelangt anschliessend in den Kondensator (auch Verflüssiger genannt). Hier wird die Wärmeenergie an das Heizungswasser übertragen, bis die gewünschte Vorlauftemperatur erreicht ist. Beim Abkühlen kondensiert das Kältemittel wieder und geht in den flüssigen Zustand über. Die freigesetzte Wärmeenergie wird dann über Fussbodenheizungen oder Radiatoren im Haus verteilt.

Schritt 4: EntspannenIm letzten Schritt wird das flüssige Kältemittel über ein Expansionsventil entspannt, wodurch Druck und Temperatur sinken. Bei dieser Entspannung kühlt das Kältemittel weiter ab und erreicht wieder seine Ausgangstemperatur. Damit ist der Kreislauf geschlossen und beginnt von vorne.

Dieser kontinuierliche Kreisprozess ist unabhängig vom Typ der Wärmepumpe immer gleich – ob bei einer Luft-Wasser-Wärmepumpe oder einer Sole-Wasser-Wärmepumpe. Lediglich die Gestaltung der Wärmetauscher unterscheidet sich je nach genutzter Wärmequelle.

Die Effizienz dieses Kreislaufs wird durch die Leistungszahl (COP – Coefficient of Performance) ausgedrückt. Sie gibt das Verhältnis der abgegebenen Wärmeleistung zur aufgenommenen elektrischen Verdichterleistung an. Je kleiner die Temperaturunterschiede zwischen Wärmequelle und Heizsystem sind, desto höher ist die Effizienz der Wärmepumpe.

Damit wird deutlich, warum der Kältemittelkreislauf tatsächlich das Herzstück einer jeden Wärmepumpe darstellt: Er ermöglicht es, Umweltwärme von einem niedrigen auf ein höheres Temperaturniveau zu “pumpen” und dadurch nutzbar zu machen – ein Prozess, der ohne diesen ausgeklügelten Kreislauf nicht möglich wäre.

Verdampfen: Wie die Wärmepumpe Umgebungsenergie aufnimmt

Der erste entscheidende Schritt im Wärmepumpenkreislauf ist die Verdampfung des Kältemittels. In dieser Phase wird die eigentliche Umgebungswärme aufgenommen und der Grundstein für den Wärmetransport ins Gebäudeinnere gelegt. Die Fähigkeit, selbst bei niedrigen Temperaturen noch Wärmeenergie aufzunehmen, macht die Wärmepumpe zu einer effizienten Heizlösung.

Der Verdampfer: Aufbau und Funktionsweise

Der Verdampfer ist ein spezieller Wärmetauscher, der die Aufnahme von Umgebungswärme ermöglicht. Er stellt die Schnittstelle zwischen der Wärmequelle (Luft, Erdreich oder Wasser) und dem Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe dar. In diesem Bauteil nimmt das flüssige Kältemittel die Wärmeenergie auf und wechselt dabei seinen Aggregatzustand vom flüssigen in den gasförmigen Zustand.

Je nach Ausführung der Wärmepumpe unterscheidet sich auch die Bauweise des Verdampfers:

• Bei Luft-Wasser-Wärmepumpen besteht der Verdampfer aus Kupferrohren mit aufgepressten Aluminiumrippen. Diese Konstruktion vergrössert die Wärmeaustauschfläche und erhöht damit die Effizienz.
• Wasser-Wasser- und Sole-Wasser-Wärmepumpen nutzen hingegen meist Plattenwärmeübertrager.
• In Direktverdampfer-Wärmepumpen kommen kunststoffummantelte Kupferleitungen zum Einsatz, die direkt im Erdreich verlegt werden.

Beim Verdampfungsprozess sorgt das Expansionsventil dafür, dass der Druck des Kältemittels optimal eingestellt wird. Idealerweise liegt die Temperatur des Gases nur geringfügig über der Umgebungstemperatur. Diese präzise Regelung ist entscheidend für den effizienten Betrieb.

Wärmeübertragung bei niedrigen Temperaturen

Damit Wärme übertragen werden kann, muss ein Temperaturgefälle vorhanden sein. Die Temperatur der Wärmequelle muss folglich immer höher sein als die Verdampfungstemperatur des Kältemittels. Dies gilt als Grundvoraussetzung für jede Wärmeübertragung.

Besonders beeindruckend: Moderne Kältemittel haben einen extrem niedrigen Siedepunkt zwischen -25 und -40 Grad Celsius. Dadurch kann die Wärmepumpe selbst bei Aussentemperaturen von bis zu -20°C noch zuverlässig Wärme gewinnen. Denn auch “kalte” Luft enthält noch ausreichend Wärmeenergie, um das Kältemittel zum Verdampfen zu bringen.

Bei der Wärmeübertragung unterscheidet man zwischen zwei grundlegenden Techniken:

1. Trockene Verdampfung: Das Kältemittel wird über ein Expansionsventil dem Verdampfer zugeführt. Die Menge wird anhand der Differenz zwischen Gas- und Sättigungstemperatur geregelt. Am Austritt ist das gasförmige Kältemittel überhitzt und daher “trocken”.
2. Überflutete Verdampfung: Hier wird das Kältemittel über eine Schwimmerregulierung in den Verdampfer geleitet. Die Menge wird anhand des Flüssigkeitsspiegels geregelt. Am Verdampferaustritt ist das Kältemittelgas nur geringfügig überhitzt – daher die Bezeichnung “nass”.

Überflutete Verdampfer weisen meist einen höheren Wirkungsgrad auf, da keine minimalen Temperaturdifferenzen zwischen Kältemittel- und Mediumseite notwendig sind. Allerdings benötigen trockene Verdampfer weniger Kältemittel und sind konstruktiv einfacher aufgebaut.

Unterschiede je nach Wärmequelle (Luft, Wasser, Erdreich)

Je nach genutzter Wärmequelle unterscheiden sich Aufbau und Funktionsweise des Verdampfers erheblich:

Bei Luft als Wärmequelle wird die Umgebungsluft mit einem Gebläse zu den Wärmetauscherflächen geführt, die als Rippenrohrbündel ausgeführt sind. Das gasförmige Kältemittel wird durch parallel angeordnete Rohre geleitet, die mit Metallrippen versehen sind, um die Wärmeaustauschfläche zu erhöhen. Diese Konstruktion ermöglicht eine optimale Wärmeaufnahme aus der Luft.

Allerdings bildet sich bei niedrigen Temperaturen (5-6°C und 60% relativer Luftfeuchtigkeit) Eis auf den Verdampferflächen, was ein aufwändiges Abtauen erfordert und zu Wirkungsgradeinbussen führt. Moderne Wärmepumpen verfügen daher über automatische Abtauzyklen, die dieses Problem lösen.

Bei Erdwärme als Quelle ist der Verdampfer direkt mit dem Erdwärmetauscher verbunden, der als Erdsonde, Erdkollektor oder Erdwärmekorb ausgeführt sein kann. Diese Erdwärmetauscher nutzen die konstante Temperatur des Bodens, die ab einer Tiefe von 10 bis 15 Metern kaum noch schwankt und ganzjährig bei etwa 10-12°C liegt. Der Verdampfer kann dabei entweder direkt im Erdreich verlegt sein (Direktverdampfer) oder als Plattenwärmeübertrager ausgeführt sein.

Nutzt die Wärmepumpe Grundwasser als Energiequelle, arbeitet der Verdampfer in einem geschlossenen Schleifensystem, das oft eine Wasser-Glykol-Mischung zirkulieren lässt. Der Verdampfer ist dabei meist als Plattenwärmetauscher ausgeführt und ermöglicht einen effizienten Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittel und dem Wasser, ohne dass die beiden Medien direkt miteinander in Kontakt kommen.

Die Effizienz des Verdampfers und damit der gesamten Wärmepumpe hängt besonders von der Temperatur der Wärmequelle ab. Je wärmer die Quelle, desto mehr Energie kann der Verdampfer aufnehmen. Gleichzeitig sollte die Temperatur des Heizsystems möglichst niedrig sein, um den Temperaturunterschied gering zu halten und dadurch die Effizienz zu maximieren.

Verdichten: So wird die Temperatur erhöht

Nach der Verdampfung des Kältemittels folgt der zweite, entscheidende Schritt im Wärmepumpenkreislauf: die Verdichtung. In dieser Phase wird das gasförmige Kältemittel komprimiert, wodurch Druck und Temperatur deutlich ansteigen. Dieser physikalische Prozess ist essenziell, um die niedrige Umgebungstemperatur auf ein für Heizzwecke nutzbares Niveau anzuheben.

Der Kompressor: Das Kraftwerk der Wärmepumpe

Der Verdichter, häufig auch als Kompressor bezeichnet, bildet das Herzstück einer jeden Wärmepumpe. Seine Hauptaufgabe: Er saugt das gasförmige Kältemittel an und verdichtet es, wodurch der Druck und folglich die Temperatur des Gases erheblich ansteigen. Durch diese Kompression erreicht das Kältemittel das gewünschte Temperaturniveau, um Brauch- und Heizwasser zu erhitzen.

Im Verdichter findet der eigentliche “Pump-Vorgang” statt, der der Wärmepumpe ihren Namen verleiht. Angetrieben wird der Kompressor durch einen Elektromotor, der die notwendige mechanische Energie für die Verdichtung bereitstellt. Dieser Elektromotor benötigt Strom und ist damit der Hauptverbraucher elektrischer Energie in der Wärmepumpe.

Besonders beeindruckend: Bei diesem Prozess produziert die Wärmepumpe 100% der benötigten Wärmeenergie aus nur rund 25% elektrischer Antriebsenergie (Strom) und rund 75% Primärenergie aus der Umwelt. Dadurch kann eine Wärmepumpe im Optimalfall deutlich mehr Energie produzieren, als sie verbraucht.

Verschiedene Verdichtertypen im Vergleich

In modernen Wärmepumpen kommen verschiedene Verdichtertypen zum Einsatz, die unterschiedliche Vor- und Nachteile bieten:

• Scrollverdichter (Spiralverdichter): Der am häufigsten eingesetzte Typ in klassischen Wärmepumpen-Heizungen. Zwei ineinander verschachtelte Spiralen verdichten das Gas durch ihre gegenläufige Bewegung. Vorteile sind die geräuscharme Arbeitsweise, hohe Effizienz und lange Lebensdauer aufgrund weniger beweglicher Teile.
• Rollkolbenverdichter: Werden vielfach in Luft/Luft-Wärmepumpen bzw. Split-Wärmepumpen für kleinere Heizleistungen eingesetzt. Hier rotiert der Kolben vollständig und verdichtet dabei das Gas. Diese gelten als besonders robust und langlebig.
• Hubkolbenverdichter: Ein sich hin- und herbewegender Kolben saugt das Kältemittelgas durch ein Ansaugventil an und verdichtet es. Diese Variante ist zwar robust, wird jedoch zunehmend durch Scrollverdichter ersetzt, da diese leiser arbeiten.

Besonders zukunftsweisend sind modulierende Wärmepumpen mit Inverter-Verdichtern. Diese können ihre Leistung stufenlos an den aktuellen Wärmebedarf anpassen, indem die Stromfrequenz verändert wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kompressoren, die entweder voll ein- oder ausgeschaltet sind, kann ein Inverter-Kompressor seine Drehzahl flexibel variieren.

Energieaufwand und Effizienz bei der Verdichtung

Die Effizienz einer Wärmepumpe wird massgeblich durch die Leistungszahl (COP – Coefficient of Performance) ausgedrückt. Ein COP von 3 bedeutet beispielsweise, dass die Anlage drei Einheiten Wärmeenergie erzeugt, während sie dafür eine Einheit elektrischer Energie verbraucht. Entsprechend gilt: Je höher der COP, desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe.

Mehrere Faktoren beeinflussen die Effizienz der Verdichtung:

1. Temperaturunterschiede: Je grösser der Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle und Heizsystem, desto mehr Energie wird benötigt. Dadurch arbeiten Wärmepumpen besonders effizient, wenn die Differenz zwischen Aussen- und Innentemperatur gering ist.
2. Vorlauftemperatur: Muss eine Heizungsvorlauftemperatur über 50 Grad erzeugt werden, nimmt der Stromverbrauch des Verdichters überproportional zu. Besonders effizient sind Wärmepumpen daher mit einer Vorlauftemperatur von 35 bis 45 °C.
3. Qualität der Komponenten: Die Qualität der eingesetzten Komponenten – insbesondere der Wärmetauscher und der Kompressoren – beeinflusst die Systemeffizienz positiv.
4. Taktung: Häufiges Ein- und Ausschalten (Takten) führt zu schnellerem Verschleiss des Verdichters. Moderne Inverter-Wärmepumpen verringern dieses Problem durch ihre stufenlose Leistungsregelung.

Anschliessend an den Verdichtungsprozess wird das nun erhitzte Kältemittelgas zum Kondensator weitergeleitet, wo es seine Wärme an den Heizkreislauf abgibt. Dadurch kann ein Heizsystem mit niedrigen Vorlauftemperaturen, wie etwa eine Fussbodenheizung, optimal versorgt werden.

Verflüssigen: Wärmeabgabe an das Heizsystem

Im dritten Schritt des Wärmepumpenzyklus spielt sich der entscheidende Prozess der Wärmeübertragung ab: Das heisse, komprimierte Kältemittelgas gibt seine Energie an das Heizsystem ab. Dieser Vorgang findet im sogenannten Kondensator statt, der auch als Verflüssiger bezeichnet wird. Während das Kältemittel abkühlt, wechselt es seinen Aggregatzustand zurück in die flüssige Form und setzt dabei Wärmeenergie frei.

Der Kondensator: Aufbau und Funktionsweise

Der Kondensator ist ein spezieller Wärmetauscher, der den Wärmetransfer vom heissen Kältemittelgas zum Heizwasser ermöglicht. Er stellt die Schnittstelle zwischen Wärmepumpensystem und Heizkreislauf dar. Wenn das erhitzte Kältemittelgas in den Kondensator eintritt, durchläuft es zunächst eine Phase der Enthitzung, bei der es auf Verflüssigungstemperatur abkühlt. Anschliessend kondensiert das Gas und wird wieder flüssig.

In den meisten modernen Wärmepumpen werden für den Kondensator hartgelötete oder verschweisste Plattenwärmeübertrager eingesetzt. Diese bieten mehrere Vorteile:

• Hohe Wärmeübertragungsleistung auf kompaktem Raum
• Effiziente Nutzung der eingesetzten Materialien
• Geringe Wärmeverluste durch optimierte Konstruktion

Interessanterweise überträgt der Kondensator nicht nur die im Verdampfer aufgenommene Umgebungswärme, sondern zusätzlich auch die vom Verdichter eingebrachte elektrische Energie. Dadurch ist die abgegebene Wärmemenge grösser als die ursprünglich aus der Umwelt entnommene Energie – ein Hauptgrund für die hohe Energieeffizienz von Wärmepumpen.

Nach dem Verflüssigungsprozess wird das Kältemittel häufig noch weiter abgekühlt, was als Unterkühlung bezeichnet wird. Diese zusätzliche Abkühlung verhindert die Bildung von Dampfblasen vor dem Expansionsventil und optimiert den Gesamtwirkungsgrad der Anlage.

Optimale Wärmeübertragung an den Heizkreislauf

Für eine effiziente Wärmeübertragung vom Kältemittel zum Heizwasser ist die Temperaturdifferenz zwischen beiden Medien entscheidend. Bei Wasser als Heizmedium liegt diese Differenz typischerweise zwischen 2 und 5 Kelvin. Je geringer dieser Temperaturunterschied ausfällt, desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe.

Die Wärme, die der Kondensator an das Heizungswasser abgibt, wird anschliessend im Warmwasser- und Pufferspeicher der Wärmepumpe gespeichert. Von dort aus gelangt sie in das Verteilsystem des Hauses – sei es für Fussbodenheizungen, Heizkörper oder zur Warmwasseraufbereitung.

Der Wärmestrom vom Kältemittel zum Heizungswasser wird durch drei Hauptfaktoren bestimmt:

1. Die Übertragungsfläche des Wärmetauschers
2. Die Temperaturdifferenz zwischen Kältemittel und Heizwasser
3. Die spezifische Wärmedurchgangszahl des Materials

Damit der Kondensator seine Funktion optimal erfüllen kann, muss die Temperatur des komprimierten Kältemittels über der Temperatur des Heizungsvorlaufs liegen. Dies wird durch entsprechend hohe Drücke im Verdichter sichergestellt. Allerdings gilt: Je höher die benötigte Heizungsvorlauftemperatur, desto mehr elektrische Energie muss für die Kompression aufgewendet werden, was die Effizienz der Wärmepumpe verringert.

Die bei der Kondensation entstehende Wärme kann zusätzlich nutzbar gemacht werden, was die Gesamteffizienz des Systems weiter verbessert. Dadurch arbeitet eine Wärmepumpe besonders wirtschaftlich mit Niedertemperatur-Heizsystemen wie Fussbodenheizungen, die mit Vorlauftemperaturen zwischen 35°C und 45°C auskommen.

Im Gegensatz zum Verdampfer, der Wärme aufnimmt, gibt der Kondensator also Wärme ab – beide Komponenten funktionieren jedoch nach ähnlichen physikalischen Prinzipien. Diese Symmetrie ermöglicht es übrigens auch, eine Wärmepumpe zum Kühlen zu nutzen, indem einfach die Funktionen von Verdampfer und Kondensator getauscht werden.

Entspannen: Der Kreislauf beginnt von vorn

Der letzte Schritt im Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe bildet gleichzeitig den Übergang zum nächsten Zyklus. Nach der Wärmeabgabe im Kondensator ist das Kältemittel wieder flüssig, steht jedoch noch unter hohem Druck. Bevor der Kreislauf erneut beginnen kann, muss das Kältemittel auf seinen Ausgangszustand zurückgeführt werden – dieser entscheidende Vorgang findet im Expansionsventil statt.

Das Expansionsventil: Druckabbau und Temperaturabfall

Das Expansionsventil hat eine zentrale Aufgabe: Es senkt den Druck des flüssigen Kältemittels schlagartig ab. Durch diese Druckminderung dehnt sich das Medium aus (expandiert) und kühlt dabei erheblich ab, bis es wieder seine Ausgangstemperatur erreicht hat. In seiner einfachsten Form ist das Ventil eine präzise bemessene Verengung im Rohrdurchmesser, die den Durchfluss stört und für einen schnellen Druckabfall sorgt.

Während dieses Prozesses verflüssigt sich das Kältemittel vollends und wird auf ein Temperaturniveau gebracht, das unterhalb der Wärmequellentemperatur liegt. Dadurch kann es im Verdampfer wieder Energie aufnehmen und der Kreislauf beginnt von Neuem.

In modernen Wärmepumpen kommen hauptsächlich zwei Arten von Expansionsventilen zum Einsatz:

1. Thermostatische Expansionsventile: Diese regeln den Kältemittelfluss mechanisch durch Temperaturunterschiede.
2. Elektronische Expansionsventile (EEV): Diese können die Durchflussmenge des Kältemittels bei Bedarf sehr genau anpassen.

Besonders elektronische Expansionsventile ermöglichen einen zuverlässigeren Betrieb und eine höhere Effizienz der gesamten Wärmepumpe, da sie die Kältemittelmenge präzise dosieren können.

Warum dieser Schritt für den Kreislauf entscheidend ist

Die Bedeutung des Expansionsventils für die Funktionsweise der Wärmepumpe kann kaum überschätzt werden. Zunächst stellt es sicher, dass der Kreislaufprozess überhaupt fortgesetzt werden kann. Ohne die Druckreduzierung und Abkühlung des Kältemittels würde der Wärmepumpenkreislauf schnell zum Erliegen kommen.

Darüber hinaus erfüllt das Expansionsventil eine wichtige Schutzfunktion: Es verhindert, dass flüssiges Kältemittel in den Verdichter gelangt. Da Flüssigkeiten nicht komprimierbar sind, würden sie erhebliche Schäden am Verdichter verursachen. Somit trägt das Ventil massgeblich zur Betriebssicherheit und Langlebigkeit der gesamten Anlage bei.

Ein weiterer wichtiger Aspekt: Das Expansionsventil ist wesentlich für die Effizienz der Wärmepumpe verantwortlich. Durch die genaue Regulierung des Kältemittelflusses sorgt es dafür, dass die Wärmepumpe auch unter wechselnden äusseren Bedingungen optimal arbeitet. Dies minimiert den Energieverbrauch und verlängert die Lebensdauer des Systems.

Nachdem das Kältemittel das Expansionsventil passiert hat, steht es wieder auf dem ursprünglichen niedrigen Druckniveau. Von dort aus gelangt es erneut zum Verdampfer, wo es wieder Umgebungswärme aufnehmen kann. Folglich ist der Kreislauf geschlossen und beginnt von vorn:

• Verdampfen: Aufnahme von Umgebungswärme
• Verdichten: Erhöhung der Temperatur
• Verflüssigen: Abgabe der Wärme an das Heizsystem
• Entspannen: Druckabbau und Rückführung zum Ausgangszustand

Schliesslich ist festzuhalten, dass der präzise Ablauf dieser vier Schritte die Funktion der Wärmepumpe überhaupt erst ermöglicht und somit die Nutzung von Umweltwärme für Heizzwecke realisiert. Bei einem Defekt am Expansionsventil, der sich durch schwankende Leistungen oder sogar einen Totalausfall der Wärmepumpe bemerkbar machen kann, sollte deshalb umgehend ein Fachbetrieb kontaktiert werden.

Die Leistungszahl (COP): So effizient arbeitet eine Wärmepumpe

Um Wärmepumpen miteinander zu vergleichen und ihre Effizienz zu bewerten, gibt es zentrale Kennwerte. Der wichtigste davon ist die Leistungszahl, international als COP (Coefficient of Performance) bezeichnet. Sie zeigt uns, wie gut eine Wärmepumpe Strom in nutzbare Wärme umwandelt.

Berechnung und Bedeutung des COP-Werts

Die Leistungszahl gibt das Verhältnis zwischen der erzeugten Wärmeleistung und der dafür aufgewendeten elektrischen Energie an. Die Berechnung erfolgt nach einer einfachen Formel:

COP = erzeugte Heizwärme (kWh) / dafür benötigter Strom (kWh)

Ein Beispiel: Wenn eine Wärmepumpe aus 1 Kilowattstunde Strom 4 Kilowattstunden Wärme erzeugt, beträgt der COP-Wert 4. Dies bedeutet, dass die Wärmepumpe viermal mehr Energie liefert, als sie verbraucht.

Wichtig zu wissen: Der COP-Wert wird unter standardisierten Laborbedingungen nach DIN EN 14511 gemessen und bezieht sich auf einen bestimmten Betriebspunkt. Er ist ein theoretischer Prüfwert, der eine Momentaufnahme der Wärmepumpeneffizienz darstellt. Für Luftwärmepumpen gilt ein COP ab 3 als gut, während bei Wasser-Wasser-Wärmepumpen Werte ab 5 als effizient angesehen werden.

Generell liegen gute COP-Werte zwischen 3 und 5. Ein Wert unter 3 deutet darauf hin, dass die Wärmepumpe nicht wirtschaftlich arbeitet.

Einflussfaktoren auf die Effizienz

Die Effizienz einer Wärmepumpe wird von mehreren Faktoren beeinflusst:

1. Temperatur der Wärmequelle: Je höher die Temperatur der Energiequelle (Luft, Wasser oder Erdreich), desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe. Grundwasser mit konstanten Temperaturen über 10°C bietet beispielsweise bessere Bedingungen als schwankende Aussenluft.
2. Vorlauftemperatur des Heizsystems: Die benötigte Temperatur des Heizwassers beeinflusst den Energieverbrauch erheblich. Niedrige Vorlauftemperaturen von etwa 35°C, wie sie bei Fussbodenheizungen üblich sind, ermöglichen höhere COP-Werte als Heizkörper, die 50°C oder mehr benötigen.
3. Temperaturdifferenz: Je kleiner der Unterschied zwischen Wärmequellentemperatur und Vorlauftemperatur, desto weniger Strom muss der Verdichter aufwenden. Folglich verbessert sich der COP-Wert, je geringer diese Differenz ausfällt.

Der COP wird stets mit Angabe der Betriebsbedingungen ausgewiesen. Bei einer Luft-Wasser-Wärmepumpe bedeutet beispielsweise die Angabe A2/W35, dass der Wert bei 2°C Aussentemperatur und 35°C Vorlauftemperatur gemessen wurde.

Jahresarbeitszahl (JAZ): Die reale Effizienz im Betrieb

Während der COP unter konstanten Laborbedingungen ermittelt wird, beschreibt die Jahresarbeitszahl (JAZ) die tatsächliche Effizienz einer Wärmepumpe über einen längeren Zeitraum unter realen Bedingungen. Die JAZ berücksichtigt alle Betriebszustände, saisonalen Schwankungen und das gesamte Heizsystem.

Die Berechnung erfolgt nach dem gleichen Prinzip wie beim COP:

JAZ = erzeugte Heizwärme pro Jahr (kWh/a) / benötigter Strom pro Jahr (kWh/a)

Ein Beispiel: Bei einer Jahresheizleistung von 10.000 kWh und einem Stromverbrauch von 2.500 kWh beträgt die JAZ 4,0.

Im Unterschied zum COP wird die JAZ erst nach mindestens einem Jahr Betrieb durch Messungen bestimmt. Dazu werden Wärmemengen- und Stromzähler installiert, die sowohl die abgegebene Wärmemenge als auch den Stromverbrauch erfassen.

Seit Einführung der Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) muss eine Wärmepumpe mindestens eine JAZ von 3,0 erreichen, um förderungswürdig zu sein.

Darüber hinaus gibt es noch weitere Effizienzwerte wie den SCOP (Seasonal Coefficient of Performance), der die jahreszeitlichen Schwankungen berücksichtigt und somit aussagekräftiger ist als der einfache COP.

Die JAZ dient hauptsächlich zur Berechnung der jährlichen Stromkosten und ermöglicht Rückschlüsse auf Optimierungspotenziale. Bei Abweichungen von mehr als 10% zwischen der berechneten und der tatsächlich gemessenen JAZ sollte man nach möglichen Fehlerquellen in der Planung oder Ausführung suchen.

Funktionsweise verschiedener Wärmepumpentypen im Vergleich

Verschiedene Wärmepumpentypen nutzen zwar dasselbe Grundprinzip, unterscheiden sich jedoch erheblich in ihrer Wärmequelle und spezifischen Funktionsweise. Dies führt zu Unterschieden in Effizienz, Anwendungsgebieten und Installationsanforderungen.

Luft-Wasser-Wärmepumpe: Funktionsprinzip und Besonderheiten

Die Luft-Wasser-Wärmepumpe entzieht der Umgebungsluft Wärme und überträgt diese auf den Wasserkreislauf des Heizsystems. Ein integrierter Ventilator saugt die Aussenluft aktiv an und leitet sie zum Verdampfer weiter. Bemerkenswert ist, dass diese Wärmepumpen selbst bei Temperaturen von bis zu -20°C noch effizient funktionieren können. Moderne Modelle erreichen einen COP von bis zu 4,0 bei 2°C Aussentemperatur und 35°C Vorlauftemperatur. Dank Inverter-Steuerung passen sie ihre Leistung stufenlos an den aktuellen Wärmebedarf an. Zudem können sie im reversiblen Betrieb auch zur Kühlung eingesetzt werden.

Sole-Wasser-Wärmepumpe: So funktioniert die Erdwärmenutzung

Sole-Wasser-Wärmepumpen nutzen die konstante Erdwärme mittels eines Trägermediums (Sole). In Erdsonden oder Erdkollektoren zirkuliert diese Flüssigkeit und nimmt die Wärme des Erdreichs auf. Ab einer Tiefe von etwa 10 Metern herrscht ganzjährig eine konstante Temperatur von mindestens 10°C, was zu einem höheren Wirkungsgrad besonders im Winter führt. Der Transport erfolgt über ein geschlossenes Kreislaufsystem, wobei die Erdwärme mittels Wärmetauscher an das Kältemittel der Wärmepumpe übertragen wird.

Wasser-Wasser-Wärmepumpe: Grundwasser als Energiequelle

Die Wasser-Wasser-Wärmepumpe nutzt Grundwasser als Wärmequelle, das ganzjährig konstante Temperaturen zwischen 7°C und 12°C aufweist. Hierfür werden zwei Brunnen benötigt: ein Förderbrunnen zum Entnehmen des warmen Grundwassers und ein Schluckbrunnen für die Rückführung des abgekühlten Wassers. Diese Wärmepumpenart ist besonders effizient und erreicht die höchsten COP-Werte. Allerdings sind eine Grundwasseranalyse und behördliche Genehmigungen erforderlich.

Direktverdampfer: Besonderheiten im Funktionsprinzip

Beim Direktverdampfer verdampft das Kältemittel direkt im Erdkollektor, ohne den Umweg über eine Sole-Flüssigkeit. Durch den Wegfall des Wärmetauschers und der Solepumpe arbeitet dieses System energieeffizienter. Die Erdkollektoren aus kupfernen Rohren mit PE-Beschichtung werden in 1,2 bis 1,5 Metern Tiefe verlegt. Nachteilig ist hingegen das potenzielle Umweltrisiko bei Leckagen, da das Kältemittel direkt im Erdreich zirkuliert.

Schlussfolgerung

Wärmepumpen stellen eine zukunftsweisende Technologie für nachhaltige Gebäudeheizung dar. Diese innovative Heiztechnik nutzt bis zu 75% kostenlose Umweltenergie und wandelt sie durch einen ausgeklügelten thermodynamischen Prozess in nutzbare Heizwärme um. Besonders beeindruckend zeigt sich die drastische CO2-Reduktion: Während klassische Ölheizungen jährlich bis zu 6.000 kg CO2 ausstossen, verursacht eine Wärmepumpe lediglich etwa 100 kg.

Der vierstufige Kreislaufprozess – Verdampfen, Verdichten, Verflüssigen und Entspannen – ermöglicht diese effiziente Energieumwandlung. Dabei spielt die Wahl der Wärmequelle eine entscheidende Rolle für die Gesamteffizienz des Systems. Grundwasser und Erdwärme bieten dank ihrer konstanten Temperaturen deutliche Vorteile gegenüber der Aussenluft, allerdings erfordern sie auch einen höheren Installationsaufwand.

Die Leistungszahl (COP) und Jahresarbeitszahl (JAZ) belegen eindeutig das enorme Potenzial dieser Technologie. Moderne Anlagen erreichen COP-Werte zwischen 3 und 5, was bedeutet, dass sie aus einer Kilowattstunde Strom bis zu fünf Kilowattstunden Heizenergie erzeugen können. Diese bemerkenswerte Effizienz macht Wärmepumpen zu einer Schlüsseltechnologie für klimafreundliches Heizen und unterstreicht ihre zentrale Bedeutung für die Energiewende im Gebäudesektor.