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Eine Wärmepumpe setzt das ganze Jahr hindurch Wärme aus der Umwelt in Wärme für das Heizen und die Erwärmung von Brauchwasser um – keine Hexerei, sondern ein einfaches physikalisches Prinzip. Lesen Sie weiter, um Prinzip und Funktionsweise einer Wärmepumpe besser zu verstehen.
Nach welchem Prinzip funktioniert eine Wärmepumpe?
Das Funktionsprinzip einer Wärmepumpe kennen wir bestens aus unserem Alltag: Es ist dasselbe wie bei einem Kühlschrank – mit dem einzigen Unterschied, dass der Kühlschrank seinem Innenraum die Wärme entzieht und in die Umwelt abgibt, um zu kühlen, wohingegen die Wärmepumpe der Umwelt Wärme entzieht, um damit den Innenraum eines Hauses mit Heizwärme zu versehen. Hinter der Funktionsweise beider Geräte steckt jedoch exakt dasselbe physikalische Prinzip, das sog. Joule-Thompson-Phänomen. Dieses besagt, dass Gase bei einer Expansion ohne Zuführung von Arbeitsleistung von aussen ihre Temperatur verändern.
Die Umwelt bietet uns verschiedene Wärmequellen, die sich eine Wärmpumpe zunutze machen kann: die Umgebungsluft, das Erdreich und das Grundwasser, seltener auch Oberflächengewässer wie Seen oder Flüsse. Diese Wärme steht kostenlos und in unbeschränkter Menge zur Verfügung. Ihre Temperatur ist jedoch zu tief, um diese direkt für die Beheizung von Räumen oder die Warmwasseraufbereitung einsetzen zu können. Deshalb bedient sich die Wärmepumpe eines thermodynamischen Prozesses – basierend auf dem beschriebenen Joule-Thompson-Phänomen – um die Umweltwärme auf das Niveau von Heizwärme zu bringen.
Aufbau und Komponenten einer Wärmepumpe
Zentrale Rolle in der Funktionsweise der Wärmepumpe spielt das Kältemittel – eine Flüssigkeit mit enorm tiefem Siedepunkt, die in einem geschlossenen Kreislauf immer denselben Kälteprozess in vier Schritten durchläuft.
1. Schritt: Im Verdampfer wird die Umgebungswärme mittels eines Wärmtauschers an das Kältemittel übertragen. Durch diese Erwärmung verdampft dieses sofort.
2. Schritt: Im Verdichter wird das gasförmige Kältemittel mit einem elektrisch betriebenen Kompressor verdichtet. Beim Verdichtungsprozess erwärmt sich das immer noch gasförmige Kältemittel stark.
3. Schritt: Im Verflüssiger/Kondensator wird dem warmen Gas über einen weiteren Wärmetauscher die Wärme entzogen und in der gewünschten Vorlauftemperatur an den Wärmespeicher des Heizsystems übertragen, von wo sie in die Wärmeverteilung in den Räumlichkeiten gelangt. Bei dieser Abkühlung verflüssigt sich das Kältemittel wieder.
4. Schritt: Im Expander wird der Flüssigkeit über das Expansionsventil der Druck entzogen, wodurch sich das Kältemittel endgültig wieder auf die ursprüngliche Temperatur abkühlt.
- Bei einer Sole/Wasser-Wärmepumpe oder einer Wasser/Wasser-Wärmepumpe transportiert eine permanenter Flüssigkreislauf die Umweltwärme aus dem Erdreich oder aus dem Grundwasser (selten auch aus einem fliessenden oder stehenden Oberflächengewässer) an die Wärmepumpe. Die dafür verwendete Flüssigkeit besteht zumeist aus mit Frostschutzmittel angereichertemn Wasser.
- Bei der Luft/Wasser-Wärmepumpe sorgt ein Ventilator für die konstanten Versorgung der Wärmepumpe mit Umgebungswärme.
Was versteht man unter Monoblock- und Split-Bauweise einer Wärmepumpe?
Für Luft/Wasser-Wärmepumpen haben sich zwei grundsätzlich unterschiedliche Bauweisen etabliert: die Monoblock- sowie die Split-Bauweise. Der augenfälligste Unterschied besteht darin, dass bei einem Monoblock-Gerät alle wichtigen technischen Komponenten des Wärmegewinnungs-Prozesses in einem einzigen Gerät zusammengeführt sind, wohingegen diese bei einem Split-Gerät auf zwei Apparate verteilt werden. Beide Bauweisen haben systemtypische Vor- und Nachteile:
Split:
Einer der wichtigsten Vorteile der Split-Bauweise liegt in Ihrer maximalen Flexibilität. Die Komponenten lassen sich höchst flexibel platzieren, das System ist bezüglich Leistungsanforderungen/-klasse besonders gut skalierbar, und es sind nur geringfügige Eingriffe in die Gebäudehülle erforderlich. Als eher nachteilig wirkt aus, dass die Kältemittelleitungen durch einen Kältemittelfachmann erstellt werden und – je nach Distanz zwischen Aussen- und Inneneinheit und entsprechend eingesetzter Kältemittelmenge – regelmässig durch eine qualifizierte Fachperson kontrolliert werden müssen.
Monoblock:
Die Gerätekonstruktion ist besonders übersichtlich, da sie sämtliche Komponenten in einem einzigen Gerät vereint. Dies vereinfacht und vergünstigt auch die Installation. Dafür muss, bei sehr langen Zuleitungen und extremen klimatischen Verhältnissen, eine gewisse Einfriergefahr der Leitungen in Kauf genommen werden.
Was bedeutet der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe?
Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe beschreibt das Verhältnis zwischen nutzbarer Heizwärme und der dafür aufgewendeten elektrischen Energie. Je höher der Wirkungsgrad ausfällt, umso energieeffizienter ist die Wärmepumpe. Je nach Wärmequelle (Luft, Erdreich oder Wasser) produziert eine Heizanlage aus einer Kilowattstunde Strom drei bis vier Kilowattstunden Wärme.
Das Verhältnis von erzeugter Wärme und eingesetztem Strom lässt sich mit zwei unterschiedlichen Kennzahlen ausdrücken:
- Die Anbieter von Wärmepumpen dokumentieren für ihre Systeme einen COP- (Coefficient of Performance) und/oder einen SCOP- (Seasonal Coefficient of Performance) Wert. Diese Werte setzen Wärmeerzeugung und dafür einzusetzenden elektrischen Strom in das beschriebene Verhältnis und machen damit einerseits eine Aussage über die Leistungsfähigkeit des Geräts und schaffen andererseits Vergleichbarkeit zwischen Anbietern, Typen und Modellen. COP und SCOP sind Werte, welche unter vorgegebenen Testbedingungen im Labor ermittelt werden.
- Der realitätsbezogenere und damit aussagekräftigere Indikator für die Energieeffizienz einer Wärmepumpe ist die Jahresarbeitszahl (JAZ). Auch dieser gibt an, wieviel Wärme eine Wärmepumpe pro Einheit des eingesetzten Stroms erzeugt. Die JAZ ist aber keine Momentaufnahme aus dem Labor, sondern beruht auf effektiven Messungen während eines ganzen Jahres. Dies zeigt auch gleich den Nachteil der JAZ auf: Sie kann erst ermittelt werden, wenn die Wärmepumpe bereits installiert und in Betrieb genommen ist.
Wie funktioniert eine Wärmepumpe im Winter?
Im Winter von Wärme aus der Umwelt zu sprechen, tönt vielleicht etwas gewagt. Trotzdem: Solange die Temperatur der Wärmequelle (Luft, Erdreich oder Wasser) über dem Siedepunkt des wärmetransportierenden Kältemittels liegt, kann die Umgebungswärme effizient für Heizung und Warmwasseraufbereitung genutzt werden. Nachdem sich der Siedepunkt der üblicherweise eingesetzten Kältemittel im breiten Spektrum zwischen max. -57° und min. -12° Celsius bewegt, ist der zuverlässige Heizbetrieb auch im Winter immer gewährleistet. Und sollte die Anlage an sehr seltenen, ausserordentlich kalten Tagen einmal an ihre Leistungsgrenze stossen, dann kommt ein zusätzlicher, sicherheitshalber integrierter Elektroheizstab zum Einsatz.
Die Effizienz einer Wärmepumpe im Winter ist abhängig von ihrer Bauweise: Die Temperaturschwankungen der Energiequellen der Sole/Wasser-Wärmepumpe (Erdreich) und der Wasser/Wasser-Wärmepumpe (Grundwasser) fallen im Vergleich zur Luft/Wasser-Wärmepumpe sehr gering aus. Im Erdreich herrscht ab einer Tiefe ab 10 Metern sogar ganzjährig eine Temperatur von mindestens 10°C. Deshalb weisen Sole/Wasser- und Wasser/Wasser-Wärmepumpen vor allem im Winter in der Regel einen höheren Wirkungsgrad aus als Luft/Wasser-Wärmepumpen.
Was ist unter monovalentem und bivalentem Betrieb einer Wärmepumpe zu verstehen?
Für Wärmepumpen gibt es zwei Betriebsarten: der monovalente und bivalente Betrieb. Die Wahl der Betriebsart ist vor allem abhängig von der baulichen Situation.
Beim monovalenten Betrieb wird die Wärmepumpe als einzige Quelle für Heizwärme eingesetzt. Dabei spielen die Rahmenbedingungen eine wichtige Rolle: Je besser ein Gebäude energetisch optimiert ist (Dämmung der Gebäudehülle und der warmwasserführenden Leitungen) und je tiefer die erforderliche Vorlauftemperatur liegt, umso energieeffizienter verrichtet die Wärmepumpe ihren monovalenten Betrieb und umso besser lässt sie sich für gleichzeitige Heizung und Warmwasseraufbereitung einsetzen.
Beim bivalenten Betrieb wird die Wärmepumpe mit anderen Heiztechnologien kombiniert. Diese Betriebsart ist vor allem dann gefragt, wenn ein Gebäude – vornehmlich ein Altbau – gesamtenergetisch nicht optimiert ist oder nicht optimiert werden kann und deshalb besonders hohe Vorlauftemperaturen gefordert sind. Als ergänzendes Heizsystem eignen sich alle herkömmlichen Technologien – sei es eine Öl- oder eine Gasheizung, eine Pellet- oder eine Stückholzheizung. Attraktiv ist auch die Kombination mit einer thermischen Solaranlage für Warmwasseraufbereitung und Heizunterstützung.
Funktioniert eine Wärmepumpe auch als Kühlung?
Ja, Wärmepumpen lassen sich – im Gegensatz zu allen anderen Heiztechnologien – im Sommer auch zur Kühlung der Wohnräume einsetzen. Voraussetzung dafür ist, dass die Wärmepumpe reversibel ausgelegt ist, das heisst, dass der thermodynamische Prozess des Geräts auch umgekehrt ablaufen kann: In diesem Falle entzieht die Wärmepumpe den Wohnräumen Wärme und leitet diese über den beschriebenen Wärmegewinnungskreislauf in die Umwelt (Luft, Erdreich oder Wasser) ab. Üblicherweise wird als Kühlfläche die Fussbodenheizung verwendet. Dabei ist die Raumfeuchte über die Regelung zu überwachen, damit es nicht zu Kondensatbildung kommt.
Zwei Kühl-Möglichkeiten stehen zur Auswahl:
- Für das aktive Kühlen wird zusätzlicher Strom benötigt, um den Verdichter im reversiblen Betrieb anzutreiben. Dies ist zwar ein zusätzlicher Kostenfaktor, erbringt die höhere Kühlleistung als das passive Kühlen. Üblicherweise kommt diese Art der Kühlung bei Luft-Wasser-Wärmepumpen zum Einsatz.
- Das passive Kühlen ist dafür energieeffizienter, kann aber nur mit einer Sole-Wasser- oder Wasser-Wasser-Wärmepumpe realisiert werden. Die Wärme aus dem Gebäude wird allein mit der Umwälzpumpe an die Energiequelle abgeführt.
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Seit mehr als 140 Jahren gehört Vaillant zu den Technologieführern für Heizungssysteme, schon über 40 Jahre davon im Bereich Wärmepumpen. Bis heute stehen weltweit mehr als 200'000 Wärmepumpen von Vaillant im Einsatz. Alle Wärmepumpen von Vaillant verfügen sowohl über das Schweizer FWS-Gütesiegel als auch über das Zertifikat für das Wärmepumpen-System-Modul (WPSM) und sind damit förderfähig.