Wärmepumpe Funktion: So funktionieren die verschiedenen Wärmepumpenarten
Erfahren Sie, wie verschiedene Wärmepumpenarten funktionieren. Informieren Sie sich über die Vorteile und Einsatzgebiete der verschiedenen Systeme.
Wärmepumpen erfreuen sich bei Hausbesitzern und Hausbesitzerinnen in der Schweiz zunehmender Beliebtheit. Denn sie stellen eine vielseitige und energieeffiziente Lösung für den Heiz- sowie Kühlbedarf dar und können auf Basis natürlicher Wärmequellen den generellen CO2 Ausstoss verringern. Deshalb gehen wir in diesem umfassenden Leitfaden im Detail auf die Funktionsweise von Wärmepumpen, die verschiedenen Typen sowie ihre Effizienzstufen ein.
Ausserdem beleuchten wir die einzigartigen Eigenschaften und Vorteile von Wärmepumpen: von ihrer Fähigkeit, Ihr Haus zu kühlen und zu heizen, bis hin zu ihrer Leistung im Winter. Egal, ob Sie also mit dem Gedanken spielen, eine Wärmepumpe zu installieren oder einfach nur neugierig sind, wie sie funktioniert, dieser Artikel wird Ihnen wertvolle Einblicke und Expertenwissen vermitteln.
Wie funktioniert ein Wärmepumpen-Heizsystem?
Kurz zusammengefasst: Ein Wärmepumpen-Heizsystem arbeitet als Wärmeerzeuger mit einem Kältekreislauf, um Wärme zwischen der Aussen- und der Innenumgebung zu übertragen.
Eine Wärmepumpe kann dabei entweder zum heizen oder kühlen eines Raums verwendet werden:
Im Heizbetrieb entzieht eine Wärmepumpe der Aussenluft Wärme mit niedriger Temperatur und hebt sie auf eine höhere Temperatur an, die dann zum Heizen Ihres Hauses verwendet wird.
Im Kühlbetrieb kehrt sich der Prozess um, wobei die Wärmepumpe dem Haus Wärme entzieht und diese nach draussen überträgt.
Funktionsweise einer Wärmepumpe Schritt-für-Schritt
Um den Prozess besser zu verstehen, werden wir ihn in mehrere Schritte unterteilen und einzeln erklären.
1. Wärmeentzug
Das Aussengerät einer Wärmepumpe enthält einen Verdampfer, der die Wärme aus der Umgebungsluft, dem Erdreich oder dem Wasser (je nach Wärmepumpentyp) aufnimmt. Selbst in kalten Schweizer Wintern ist genügend Wärme in der Umgebung vorhanden, die von der Wärmepumpe aufgenommen und genutzt werden kann.
2. Kältemittelkreislauf
Die aufgenommene Wärme wird auf ein Kältemittel übertragen. Wenn dieses Kältemittel Wärme aufnimmt, verdampft es und wird zu einem Gas.
3. Verdichtung
Das gasförmige Kältemittel wird dann durch den Kompressor, eine Schlüsselkomponente der Wärmepumpe, verdichtet. Durch den Verdichtungsprozess erhöhen sich die Temperatur und der Druck des Kältemittelgases.
4. Wärmeabgabe
Das hochtemperierte Kältemittelgas strömt in das Innengerät, wo es den Verflüssiger passiert. Im Verflüssiger wird die Wärme des Kältemittels an das Heizsystem des Hauses, z. B. an eine Fussbodenheizung oder an Heizkörper, abgegeben. Wenn das Kältemittel seine Wärme abgibt, kondensiert es wieder zu einer Flüssigkeit.
5. Expansion
Das flüssige Kältemittel fliesst dann durch ein Expansionsventil, das seinen Druck und seine Temperatur reduziert. Durch diesen Prozess geht das Kältemittel wieder in seinen Anfangszustand über und fliesst zurück in den Verdampfer und der Kreislauf beginnt von neuem.
Diese Funktionsweise kann in verschiedenen Bauweisen umgesetzt werden. Zwei häufige Bauweisen sind:
Monoblockbauweise
Splitbauweise
Monoblock-Konstruktion
Eine Monoblock-Wärmepumpe vereint alle Komponenten in einem einzigen Gerät, das in der Regel im Freien installiert wird. Diese Konstruktion vereinfacht die Installation, da keine separaten Innen- und Aussengeräte angeschlossen werden müssen. Monoblocksysteme können jedoch mehr Lärm erzeugen und erfordern eine zusätzliche Isolierung zum Schutz vor wetterbedingten Problemen.
Split-Konstruktion
Bei einer Wärmepumpe in Splitbauweise befinden sich der Verdampfer und der Kompressor in einem Aussengerät, während der Verflüssiger und andere Systemkomponenten in einem Innengerät untergebracht sind. Diese Bauweise bietet mehrere Vorteile, z. B. weniger Lärm im Haus, leichteren Zugang zum Aussengerät für die Wartung und ein kompakteres Innengerät.
Doch die wichtigste Frage für Hausbesitzer und Hausbesitzerinnen ist immer, ob die Wärmepumpe auch effizient genug für das betreffende Ein- oder Mehrfamilienhaus ist.
Was bedeutet die Effizienz einer Wärmepumpe?
Die Effizienz einer Wärmepumpe wird in der Regel anhand ihrer Leistungszahl (COP) gemessen. Diese Kennzahl vergleicht die von der Wärmepumpe erzeugte Wärmemenge mit der vom System verbrauchten Strommenge. Ein höherer COP weist auf eine effizientere Wärmepumpe hin, das heisst sie erzeugt mehr Wärme mit weniger Strom. Moderne Wärmepumpen können COPs von 3 bis 5 aufweisen, was bedeutet, dass sie 3 bis 5 Mal mehr Wärmeenergie erzeugen können als die elektrische Energie, die sie verbrauchen.
Betrachten wir zum Beispiel ein Schweizer Haus mit einer Wohnfläche von 150 Quadratmetern: Ein Wärmepumpensystem mit einem COP (Coefficient of Performance) von 4 kann vier Einheiten Wärme pro verbrauchte Einheit Strom erzeugen. Wenn die Wohnung 10'000 kWh Wärmeenergie pro Jahr benötigt, würde die Wärmepumpe nur 2'500 kWh Strom verbrauchen. Im Vergleich dazu würde eine herkömmliche Elektroheizung mit einem COP von 1 dafür 10'000 kWh Strom verbrauchen, um die gleiche Menge an Wärme zu erzeugen. Das macht Wärmepumpen deutlich energieeffizienter und kostengünstiger.
Nachdem wir nun die Funktion von Wärmepumpen geklärt haben und auch schon über die Effizienz gesprochen haben, werden wir uns jetzt mit den verschiedenen Arten von Wärmepumpen beschäftigen und wie diese sich in ihrer Funktion unterscheiden.
Die Funktion der verschiedenen Wärmepumpenarten
Im Grunde funktioniert jede Wärmepumpe nach dem oben beschriebenen Prozess. Sie unterscheiden sich aber hauptsächlich darin, wo sie der Umwelt die Wärmeenergie entziehen. Damit Sie besser beurteilen können, welches Gerät für Sie in Frage kommt, wollen wir ihnen jetzt die Funktionsweise der folgenden Wärmepumpen erklären:
1. Die Funktion einer Luft/Wasser-Wärmepumpe
Eine Luft/Wasser-Wärmepumpe ist eine beliebte und vielseitige Option zum Heizen und Kühlen von Schweizer Häusern. Diese Art von Wärmepumpe entzieht der Aussenluft Wärme und überträgt sie auf ein wasserbasiertes Heizsystem, wie etwa eine Fussbodenheizung oder Heizkörper. Luft/Wasser-Wärmepumpen sind aufgrund ihrer einfachen Installation, ihrer niedrigen Anschaffungskosten und ihrer Anpassungsfähigkeit an ein breites Spektrum von Klimazonen weit verbreitet.
Um die Funktionsweise von Luft Wärmepumpen besser zu verstehen, werden wir ihre wichtigsten Komponenten genauer unter die Lupe nehmen:
Aussengerät: Das Aussengerät enthält den Verdampfer, der die Wärme aus der Umgebungsluft aufnimmt. Selbst in kalten Schweizer Wintern ist in der Luft genügend Umweltwärme vorhanden, die die Wärmepumpe nutzen kann. Ein Ventilator hilft, die Aussenluft über den Verdampfer zu ziehen und so die Wärmeübertragung zu erleichtern.
Inneneinheit: In der Inneneinheit sind der Kompressor, der Verflüssiger und andere Systemkomponenten untergebracht. Das Innengerät ist mit dem wasserbasierten Heizsystem Ihres Hauses verbunden und überträgt die von der Aussenluft aufgenommene Wärme auf das Wassers, das durch die Heizkörper oder Fussbodenheizung zirkuliert.
Kältemittelkreislauf: Wie andere Wärmepumpentypen arbeitet auch die Luft-Wasser-Wärmepumpe mit einem Kältemittelkreislauf. Die aufgenommene Wärme wird auf das Kältemittel im Verdampfer übertragen, wodurch es verdampft und zu einem Gas wird. Der Kompressor setzt das Kältemittelgas unter Druck, wodurch sich seine Temperatur erhöht. Das erhitzte Gas strömt dann durch den Verflüssiger, wo es seine Wärme an das Wasser im Heizungssystem abgibt. Das Kältemittel kehrt in seinen flüssigen Zustand zurück und strömt durch ein Expansionsventil, bevor es in den Verdampfer gelangt, um den Kreislauf erneut zu starten.
2. Die Funktion einer Sole/Wasser-Wärmepumpe
Sole/Wasser-Wärmepumpen beziehen die Heizwärme aus der Erde. Da in der Tiefe des Bodens das ganze Jahr über eine relativ stabile Temperatur herrscht, bleiben auch in den kälteren Monaten die Leistung und Effizienz dieser Art von Wärmepumpe konstant.
Eine Sole/Wasser-Wärmepumpe funktioniert wie folgt:
Erdwärmetauscher: Bei einer Sole/Wasser-Wärmepumpe wird ein Erdwärmetauscher verwendet, der aus einem Netz unterirdischer Rohre besteht, die mit einer Solelösung gefüllt sind. Die Solelösung hat einen niedrigen Gefrierpunkt, so dass sie die Erdwärme aufnehmen kann, ohne zu gefrieren. Die Rohre werden in der Regel in horizontalen Gräben oder vertikalen Bohrlöchern verlegt, je nach verfügbarem Platz und vorherrschenden Bodenbedingungen.
Wärmeentzug: Der Wärmetauscher nimmt die Wärme aus dem Erdreich auf, das das ganze Jahr über eine relativ stabile Temperatur aufweist. In der Schweiz liegen die Bodentemperaturen typischerweise zwischen 8°C und 12°C, was eine konstante und zuverlässige Wärmequelle für die Wärmepumpe darstellt.
Kältemittelkreislauf: Dieser funktioniert wie beim oben beschriebenen Beispiel der Luft/Wasser-Wärmepumpe.
3. Die Funktion einer Wasser/Wasser-Wärmepumpe
Eine Wasser/Wasser-Wärmepumpe entzieht einer Wasserquelle wie einem See, einem Fluss oder dem Grundwasser die Heizwärme. Diese wird dann auf ein wasserbasiertes Heizsystem in Ihrem Haus, wie einer Fussbodenheizung oder einem Heizkörper übertragen. Wasser/Wasser-Wärmepumpen sind bekannt für ihre hohe Effizienz und Zuverlässigkeit aufgrund der relativ stabilen Temperaturen von Wasserquellen.
Eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe funktioniert im Detail wie folgt:
Wasser-Quellen-Wärmetauscher: Eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe nutzt einen Wasser-Wärmetauscher, also eine Reihe von Rohren, die in eine Wasserquelle getaucht sind. Der Wärmetauscher nimmt die Wärme aus dem Grundwasser auf, welches das ganze Jahr über eine relativ stabile Temperatur hat.
Wärmeentzug: Der Wasserwärmetauscher gibt die aufgenommene Wärme an das Kältemittel im Verdampfer der Wärmepumpe ab. Die Temperatur der Wasserquellen in der Schweiz liegt in der Regel zwischen 6°C und 10°C, was eine konstante und zuverlässige Wärmequelle für die Wärmepumpe darstellt.
Kältemittelkreislauf: Dieser funktioniert wie im ersten Beispiel.
Die Funktionsweise der Wärmepumpe spielt bei einer Entscheidung für die optimale Wärmepumpe für Ihr Haus also eine entscheidende Rolle, da die Umgebung Ihres Hauses massgeblich für die Effizienz Ihrer Wärmepumpe verantwortlich ist. Wir haben auf unserem Blog weitere Artikel zum Thema Wärmepumpe geschrieben: Hier geht es um die Kosten von Wärmepumpen und Fördergelder und in diesem Artikel geht es um den Stromverbrauch von verschiedenen Wärmepumpen.
Kann eine Wärmepumpe ein Haus auch kühlen?
Die kurze Antwort ist: Ja. Eine Wärmepumpe kann Ihr Haus auch kühlen. Im Kühlbetrieb arbeitet die Wärmepumpe in umgekehrter Richtung, indem sie dem Innenraum Wärme entzieht und diese nach aussen abgibt. Dieser Prozess trägt dazu bei, in den warmen Sommermonaten eine angenehme Innentemperatur aufrechtzuerhalten.
Es gibt zwei primäre Kühlmethoden, die von Wärmepumpen eingesetzt werden:
Aktive Kühlung
Passive Kühlung
Zum besseren Verständnis wollen wir beide Methoden anhand von Beispielen näher erläutern:
1. Aktive Kühlung
Im aktiven Kühlbetrieb wird der Kältekreislauf der Wärmepumpe umgekehrt: Der Verdampfer des Innengeräts nimmt Wärme aus der Raumluft auf, und der Kondensator des Aussengeräts gibt die Wärme an die Aussenumgebung ab. Dieser Prozess kühlt die Raumluft effektiv ab und sorgt für eine angenehme Temperatur im Haus.
2. Passive Kühlung
Die passive Kühlung, auch als natürliche Kühlung bezeichnet, ist eine Methode, bei der der bestehende Temperaturunterschied zwischen dem Erdreich oder der Wasserquelle und der Innenraumumgebung genutzt wird. In diesem Modus lässt die Wärmepumpe das kühlere Wasser aus dem Erdreich oder der Wasserquelle durch das Heizsystem des Hauses zirkulieren, ohne den Kühlkreislauf zu nutzen. Dieser Prozess trägt dazu bei, die Innentemperatur zu senken und ein angenehmes Raumklima zu schaffen.
Alle Wärmepumpenarten in der Übersicht
Nachdem wir über die verschiedenen Funktionsweisen der unterschiedlichen Wärmepumpen gesprochen haben, finden Sie diese hier nochmals alle auf einen Blick:
Wenn Sie mehr über die Nachteile von Wärmepumpen erfahren wollen, kann Ihnen dieser Artikel aus unserem Blog weiterhelfen: Nachteile Wärmepumpe.
Schlussfolgerung
Ein Heizsystem mit Wärmepumpen ist eine energieeffiziente und umweltfreundliche Lösung zum Heizen und Kühlen von Häusern in der Schweiz. Wenn Sie die Funktionsweise, die verschiedenen Ausführungen und Typen kennen, können Sie eine fundierte Entscheidung bei der Auswahl des richtigen Systems für Ihre Bedürfnisse treffen.
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