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Wie funktioniert eine Wärmepumpe?
Wussten Sie, dass eine Wärmepumpe und ein Kühlschrank nach dem gleichen Prinzip funktionieren? Spätestens dann, wenn Sie Ihre alte Öl- oder Gasheizung in den eigenen vier Wänden durch ein neueres und effizienteres Heizsystem ersetzen möchten, wird Sie diese Frage interessieren.
Der wesentliche Unterschied zwischen Kühlschrank und Wärmepumpe: Während der Kühlschrank Wärme von innen nach aussen transportiert und seinen Inhalt dadurch kühlt, schaufelt die Wärmepumpe Wärmeenergie von aussen nach innen und heizt damit den Innenbereich. Das Geheimnis der hohen Effizienz: Die Wärmepumpe nutzt frei verfügbare Umweltwärme als Energiequelle, beispielsweise aus der Luft, dem Erdreich oder dem Grundwasser.
Ob Luft/Wasser-, Sole/Wasser- oder Wasser/Wasser-Wärmepumpe – das Funktionsprinzip bleibt gleich
Eine Wärmepumpe macht sich – ähnlich wie der Kühlschrank – die speziellen Eigenschaften von Kältemitteln zunutze. Das für die Wärmepumpe verwendete Kältemittel ist ein wichtiges Hilfsmittel für die Temperaturübertragung während des gesamten Heiz- und Kühlprozesses. Die stofflichen Eigenschaften des Kältemittels sorgen dafür, dass der Aggregatzustand in Abhängigkeit von Druck und Temperatur zwischen flüssig (kalt) und gasförmig (warm) wechselt und dadurch eine hervorragende Wärmeregulierung im Heizkreislauf ermöglicht.
Die Funktion einer Wärmepumpe in vier einfachen Schritten erklärt
1. Das Kältemittel im Verdampfer nimmt Wärmeenergie aus der Umgebung auf, erwärmt sich und ändert seinen Aggregatzustand von flüssig (kalt) zu gasförmig (warm). Dieser Prozess ist mit dem Verdampfen von Wasser vergleichbar, mit dem Unterschied, dass das Temperaturniveau deutlich geringer ist.
2. Im nächsten Schritt verdichtet der elektrische Kompressor das gasförmige Kältemittel. Durch den Kompressionsvorgang erwärmt sich das Kältemittel, bis das im Heizsystem erforderliche Temperaturniveau erreicht wird.
3. Im Wärmetauscher übergibt das Kältemittel seine Wärmeenergie an das Wasser im Heizungskreislauf des Gebäudes. Auf diese Weise gelingt es, die aus der Umgebung gewonnene Energie schliesslich zum Heizen oder zur Warmwasserbereitung zu verwenden. Bei der Wärmeübertragung wird dem Kältemittel Wärme entzogen und es geht vom gasförmigen wieder in den flüssigen Zustand über – es kondensiert.
4. Bevor der Kreislauf im Verdampfer erneut beginnt, fliesst das Kältemittel durch das Expansionsventil. Dabei sinken Druck und Temperatur auf den Ausgangszustand und der Heizkreislauf beginnt wieder von vorne.
Wie wird die Raumtemperatur bei Nutzung einer Wärmepumpe eingestellt?
Auch ohne einen Temperatursensor im Raum ist die Wärmepumpenheizung in der Lage, die Raumtemperatur konstant zu halten. Die Temperaturregelung basiert auf der sogenannten Heizkennlinie: Bei der Inbetriebnahme der Wärmepumpenheizung stellt der zuständige Heizungstechniker die Heizkennlinie ein und gibt damit vor, bei welcher Aussentemperatur welche Vorlauftemperatur in die Radiatoren oder Fussbodenheizung fliessen soll. Dadurch bleibt die Raumtemperatur unabhängig von der Aussentemperatur immer konstant.
COP – Kennzahl für die Leistungsfähigkeit der Wärmepumpe
Die massgebliche Kennzahl zur Bewertung der Leistungsfähigkeit von Wärmepumpen ist der COP (Coefficient of Performance). Der COP gibt das Verhältnis von erzeugter Wärmeenergie zu aufgewandter elektrischer Energie an. Moderne Wärmepumpen sind in der Lage, ein Vielfaches der aufgewandten Energie in Form von Wärme bereitzustellen.
Ein COP von 4,0 bedeutet: Die Wärmepumpe stellt das Vierfache der aufgewandten elektrischen Energie in Form von Wärme zur Verfügung. Mit nur einer Kilowattstunde elektrischer Energie kann die Wärmepumpe also vier Kilowattstunden Wärme erzeugen. 3/4 der nutzbaren Wärmeenergie bezieht die Wärmepumpe aus der Umgebung, nur 1/4 aus elektrischer Energie.
Ein COP von 5,0 bedeutet: Die Wärmepumpe stellt das Fünffache der aufgewandten elektrischen Energie in Form von Wärme zur Verfügung. Mit nur einer Kilowattstunde elektrischer Energie kann die Wärmepumpe also fünf Kilowattstunden Wärme erzeugen. 4/5 der nutzbaren Wärmeenergie bezieht die Wärmepumpe aus der Umgebung, nur 1/5 aus elektrischer Energie.
Wichtig ist: Der COP-Wert wird in einem Labor gemessen, er bezieht sich also immer auf die Effizienz der Wärmepumpe in einem bestimmten Betriebspunkt. Im folgenden Abschnitt erklären wir Ihnen, wieso die Jahresarbeitszahl (JAZ) einer Wärmepumpe für den alltäglichen Gebrauch aussagekräftiger als der COP-Wert ist.
JAZ – So effizient ist die Wärmepumpe
In der Praxis ist der JAZ-Wert vom COP-Wert abhängig. Aber wieso genau?
Die Jahresarbeitszahl (JAZ) zeigt die tatsächliche Effizienz eines Heizsystems innerhalb eines Jahres auf. Genau wie der COP-Wert setzt auch die JAZ die nutzbare Wärme ins Verhältnis zur zugeführten elektrischen Energie. Dabei berücksichtigt die JAZ aber alle Betriebszustände innerhalb eines Jahres und gibt damit über den tatsächlichen Energieverbrauch Aufschluss.
Der durchschnittliche JAZ-Wert von effizienten Wärmepumpen liegt im Bereich zwischen 2,5 und 4,5 und ist abhängig von der Art der Wärmequelle. Während der JAZ-Wert bei Luft/Wasser-Wärmepumpen im Bereich zwischen 2,5 und 3,5 liegt, erreichen Sole/Wasser-Wärmepumpen einen JAZ-Wert zwischen 4,0 - 4,5.
Ein JAZ-Wert von 4,0 bedeutet: Die Wärmepumpe stellt das Vierfache der aufgewandten elektrischen Energie in Form von Wärme zur Verfügung. Mit nur 5’000 Kilowattstunde elektrischer Energie können jährlich 20’000 Kilowattstunden Wärme erzeugt werden. Die Wärmepumpe gibt somit viermal mehr Energie ab, als sie kostenpflichtig aus dem Stromnetz bezieht. (Wärmebedarf / JAZ = Strombedarf)