Was ist eine Wärmepumpe und wie funktioniert sie? Alles Wichtige darüber erfährst du hier und in diesem Video dazu!
Inhaltsübersicht
Was ist eine Wärmepumpe?
Eine Wärmepumpe ist eine Maschine, welche die Energie aus der Umwelt zum Beheizen nutzt. Mit ihren üblichen Energiequellen Luft, Erde oder Grundwasser ist die Pumpe deutlich umweltfreundlicher als andere Heizsysteme. Um diese Quellen zu nutzen und die Wärmepumpe betreiben zu können, ist elektrische Energie erforderlich
Wärmepumpen sind eigentlich Kühlschränke mit umgekehrter Funktionsweise: Der Kühlschrank entreißt Wärme aus seinem Innenraum und gibt sie an die Umgebung ab, während die Wärmepumpe dem Außenbereich die Wärme entzieht und sie als Heizenergie zum Haus transportiert.
Gut zu wissen: Die Wärmepumpe Funktionsweise gründet auf dem physikalischen Phänomen namens Joule-Thomson-Effekt. Demnach kühlt sich ein Gas ab, sobald es durch eine enge Öffnung strömt. Das hat zur Folge, dass der Druck des Gases abnimmt. Es entspannt sich.
Wie funktioniert eine Wärmepumpe?
Die Funktionsweise einer Wärmepumpe lässt sich in den folgenden drei Bestandteilen des Pumpen-Heizsystems wiederfinden: Wärmequellenanlage, Wärmepumpe, Wärmeverteil- & Speichersystem.
Jeder dieser Abschnitte hat hierbei einen eigenen Kreislauf, der jeweils einem bestimmten Zweck dient:
- Wärmequellenanlage → Energie-Gewinnung
- Wärmepumpe → Energie-Nutzbarmachung
- Wärmeverteil- & Speichersystem → Beheizung
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Energie-Gewinnung
Im ersten Kreislauf wird der Umgebung die Wärmeenergie entzogen und auf Wasser übertragen, welches dann zum Verdampfer der Wärmepumpe weitertransportiert wird. Als Wärmequellen dienen hierbei also entweder der Erdboden oder das Grundwasser.
Energie-Nutzbarmachung
Innerhalb des Pumpen-Kreislaufs wird die Wärmeenergie der Umgebung in vier Schritten nutzbar gemacht. Dafür ist in diesem Kreislauf permanent ein Kältemittel im Umlauf.
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Verdampfen: Das Kältemittel nimmt beim Verdampfer die Umwelt-Wärmeenergie durch das Wasser auf, weshalb das Kältemittel verdampft.
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Verdichten: Der Dampf des Kältemittels kommt nun beim Verdichter an. Hier erhöht sich der Druck des Gases, wodurch auch die Temperatur ansteigt.
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Verflüssigen: Im Verflüssiger kondensiert das Gas dann wieder. Der Dampf geht also vom gasförmigen in den flüssigen Zustand über und gibt dabei seine Wärmeenergie an das Wärmeverteil- und Speichersystem ab.
- Entspannen: Das jetzt wieder flüssige Kältemittel gelangt jetzt zu einer engen Öffnung, welche Expansionsventil oder Drossel heißt. Hier wird der Druck des Kältemittels verringert, wodurch es abkühlt und sich „entspannt“. Anschließend wird das Kältemittel erneut zum Verdampfer geleitet, um den Kreislauf erneut zu durchlaufen.
Übrigens: Eine weitere Art der Wärmepumpen bilden die Luftwärmepumpen. Sie funktionieren, indem sie das Kältemittel der Pumpe direkt durch die Temperatur der Umgebungsluft erhitzen.
Beheizung
Im letzten Kreislauf wird die nutzbare Wärmeenergie an das Haus zur Beheizung verteilt oder gespeichert, damit es später verwendet werden kann. Mit dieser Energie können dann Heizungen, Fußböden oder Wasser im Haushalt erwärmt werden.
Wenn die Energie nicht sofort genutzt wird, dient Wasser als Speichermedium für die abgegebene Wärme des kondensierten Kühlmittels.
Wärmepumpe im Winter
Selbst bei winterlichen Außentemperaturen von bis zu -20 °C können Wärmepumpen funktionieren. Ein Grund dafür ist die Druckerhöhung beim Verdichten. Dadurch können die geringen Außentemperaturen ausreichend zum Erhitzen ansteigen. Wenn es dann noch kälter werden sollte, aktiviert sich ein elektrischer Heizstab. Dieser hilft dabei, das Kältemittel ausreichend für das Heizsystem zu erwärmen.
Nichtsdestotrotz wird es zu einer Leistungsminderung der Pumpe kommen. Deshalb kann es auch sinnvoll sein, unterstützend mehrere Heizsysteme als Hybridsystem zu nutzen. Damit wird gewährleistet, dass das Beheizen im Winter nachhaltiger und umweltfreundlicher als beim ausschließlichen Nutzen von fossilen Brennstoffen ausfällt.
Wie funktioniert ein Kühlschrank?
Jetzt weißt du, wie eine Wärmepumpe funktioniert. Das Prinzip eines Kühlschranks ist ganz ähnlich. Wie ein Kühlschrank genau funktioniert und wie er aufgebaut ist, erfährst du in diesem Video dazu!
Wärmepumpe — häufigste Fragen
(ausklappen)
Wärmepumpe — häufigste Fragen
(ausklappen)-
Wie gewinnt eine Wärmepumpe aus kalter Außenluft oder kaltem Erdreich Wärme zum Heizen?Eine Wärmepumpe gewinnt Wärme, indem sie der Umgebung Energie entzieht und diese mit einem Kältemittel (zirkulierende Arbeitsflüssigkeit) auf ein höheres Temperaturniveau bringt. Zuerst nimmt das Kältemittel im Verdampfer Umweltwärme auf und verdampft. Dann wird es im Verdichter zusammengedrückt, dadurch steigt seine Temperatur. Im Verflüssiger gibt es die Wärme an die Heizung ab.
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Wie funktioniert eine Wärmepumpe im Winter?Eine Wärmepumpe funktioniert im Winter, weil sie auch aus kalter Außenluft oder aus dem Boden noch Wärmeenergie aufnehmen und durch Verdichten auf eine höhere Temperatur bringen kann. Dadurch liefert sie selbst bei etwa
noch Heizwärme. Wenn es noch kälter wird, unterstützt oft ein elektrischer Heizstab, während die Leistung insgesamt abnimmt.
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Für wen lohnt sich eine Wärmepumpe nicht?Eine Wärmepumpe lohnt sich oft nicht, wenn ein Gebäude sehr schlecht gedämmt ist und deshalb hohe Heiztemperaturen benötigt werden. Dann sinkt die Effizienz, und die Stromkosten können stark steigen. Unattraktiv kann sie auch sein, wenn die Investition sehr hoch ausfällt oder baulich wenig Platz für die nötige Außenanlage vorhanden ist.
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Was ist das größte Problem bei einer Wärmepumpe?Das größte Problem bei einer Wärmepumpe ist meist, dass ihre Leistung und Effizienz bei sehr niedrigen Außentemperaturen spürbar sinken und dadurch mehr elektrische Energie nötig wird. In solchen Phasen kann zusätzlich ein elektrischer Heizstab anspringen, der den Stromverbrauch weiter erhöht. Außerdem ist die Technik oft nur dann wirklich sinnvoll, wenn das Heizsystem mit niedrigen Temperaturen arbeiten kann.
Heizsysteme verstehen
Die Wärmepumpe gehört zu den modernen Heizsystemen und nutzt Energie aus der Umwelt. Du vergleichst in diesem Themenfeld verschiedene Arten des Heizens und ordnest ihre Energiequellen und Einsatzbereiche ein. So wird klar, wie Wärme in Gebäuden bereitgestellt wird und warum sich Heizsysteme in Aufbau, Aufwand und Umweltwirkung unterscheiden. Im Ingenieurwissenschaftenbereich findest du passende Videos zu diesem und verwandten Themen.
