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Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Die Wärmepumpe gilt als Heizung der Zukunft: Umweltfreundlich, effizient, flexibel einsetzbar.

Im Prinzip funktioniert sie wie ein Kühlschrank – nur eben genau umgekehrt. Denn anstatt zu kühlen, ist die Technik auf die Wärmeerzeugung optimiert. Doch was genau spielt sich im Inneren des Gerätes ab? Und wie schafft es die Wärmepumpe, auch aus eiskalter Winterluft Wärme zu beziehen?

So funktioniert eine Wärmepumpe

Einfach zusammengefasst:


Die Wärmepumpe entzieht der Umwelt Wärme. Die Temperatur der Wärme wird mithilfe eines physikalischen Prinzips so weit erhöht, bis damit ein Haus beheizt werden kann. Ähnlich funktionieren auch Kühlschränke. Nur entziehen diese dem Innenraum Wärme und geben diese nach außen ab. 

Funktionsweise der Luft-Wasser-Wärmepumpe

Die Luft-Wasser-Wärmepumpe wird anders als eine Öl- oder Gaszentralheizung nicht immer im Keller installiert, sie kann auch außerhalb des Hauses platziert werden. In diesem Fall verfügt die Heizung zusätzlich über eine Inneneinheit mit Warmwasserspeicher.
In der sogenannten Außeneinheit wird die Umweltwärme in Form von Außenluft genutzt um Wärme zu erzeugen.  

Und das funktioniert so:

Im Inneren der Wärmepumpe befindet sich ein geschlossener Kreislauf. In diesem System zirkuliert das sogenannte Kältemittel, das einen extrem niedrigen Siedepunkt hat. Dieser liegt meist zwischen minus 12 (etwa beim Kältemittel Butan) und minus 57 Grad Celsius (Kohlendioxid).
Und das ist auch schon der Clou: Das Mittel verdampft selbst bei niedrigen Außentemperaturen oder gar Minusgraden im Winter – wechselt also vom flüssigen in den gasförmigen Zustand. Für diesen Vorgang wird Wärme benötigt. Das physikalische Prinzip dahinter heißt Verdampfungswärme. Die Temperatur dieser Wärmeenergie reicht jedoch nicht aus, um ein Gebäude zu heizen. Deshalb wird das Gas zusätzlich mithilfe eines Kompressors verdichtet, also unter Druck gesetzt. Dadurch wird es wärmer.

Das heiße Gas wird anschließend zum sogenannten Verflüssiger geführt. Dort kommt es mit dem separaten, geschlossenen Heizkreislauf in Kontakt und gibt die Wärme an das Wasser in dessen Rohren ab.
Das neu aufgewärmte Wasser fließt dann in die Heizkörper des Hauses und heizt sie auf. Das Kältemittel innerhalb der Wärmepumpe wird bei diesem Vorgang abgekühlt, verflüssigt sich wieder und fließt weiter zum sogenannten Entspannungsventil. Dieses gibt dem flüssigen Kältemittel mehr Raum, wodurch es sich zusätzlich abkühlt. Das Flüssiggas ist nun wieder so kalt, dass es Wärme aus der Umwelt aufnehmen kann – dafür wird es dem Verdampfer erneut zugeführt und der Kreislauf beginnt von vorne.

Übrigens: Für den Betrieb benötigt die Wärmepumpe lediglich einen geeigneten Platz und einen Stromanschluss. Sole-Wasser-Wärmepumpen und Wasser-Wasser-Wärmepumpen benötigen zusätzlich eine Erdbohrung. Funktion und Technik der Heizungen unterscheiden sich daher nur in Hinblick auf die verschiedenen Wärmequellen.

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Inneneinheit und Außeneinheit einer Wärmepumpe

Arten von Wärmepumpen und deren Besonderheiten in der Funktion

Die Namen der Wärmepumpenheizungen, die durchaus kompliziert klingen, erklären bei genauer Betrachtung bereits ihre Funktionsweise. Dabei ist das Funktionsprinzip der Wärmeerzeugung innerhalb der Wärmepumpe meist gleich. Die Typen unterscheiden sich nur darin, woraus die Energie bezogen wird und wie diese in den Raum gelangt. Der erste Begriff beschreibt dabei immer die Wärmequelle, der zweite Begriff die Wärmeverteilung. So bezieht eine Luft-Wasser-Wärmepumpe beispielsweise die Wärme aus der Außenluft und gibt dieses an das Wasser im Heizsystem ab. Eine Luft-Luft-Wärmepumpe bezieht die Wärme ebenfalls aus der Außenluft und gibt diese über einen Wärmetauscher an die Innenluft ab, wodurch das Haus aufgeheizt wird.

Luft-Wasser-Wärmepumpe

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Abbildung einer Luft-Wasser-Wärmepumpe

Wärmequelle: Umgebungsluft

Kurzbeschreibung: 
Die Luft-Wasser-Wärmepumpe befindet sich außerhalb des Gebäudes und wird auf einem festen Untergrund oder Betonsockel platziert. Die Luft wird über einen Ventilator angesaugt und zur Verdampfung des Kältemittels benutzt.

Nutzung:
Ist flexibel einsetz- und einbaubar sowie relativ einfach zu installieren. Daher die am weitesten verbreitete Wärmepumpe Deutschlands.

Sole-Wasser-Wärmepumpe

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Abbildung einer Luft-Wasser-Wärmepumpe

Wärmequelle: Erdwärme

Kurzbeschreibung: Die Sole-Wasser-Wärmepumpe macht sich die konstante Temperatur im Erdboden zunutze. Dafür wird auf dem Grundstück eine Erdbohrung vorgenommen, die die Platzierung einer Erdsonde ermöglicht. Diese wiederum leitet die Wärme zur Wärmepumpenheizung weiter.

Nutzung: Erfordert Genehmigungen und verursacht zusätzliche Kosten für die Bohrung. Voraussetzung ist ein geeigneter Standort

Wasser-Wasser-Wärmepumpe

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Abbildung einer Luft-Wasser-Wärmepumpe

Wärmequelle: Grundwasser

Kurzbeschreibung: Die Wasser-Wasser-Wärmepumpe nutzt die konstante Temperatur des Grundwassers, das sich in der Nähe der Oberfläche befindet. Dafür wird auf dem Grundstück ein Brunnen installiert, der das Grundwasser direkt zur Wärmepumpe führt und das Kältemittel über einen Wärmetauscher verdampft. Anschließend wird das Wasser wieder zurückgeführt.

Nutzung: Ob diese Wärmepumpenart installiert werden kann, ist abhängig von der Grundwassermenge und Qualität des Standorts. Für die Installation ist eine Genehmigung der örtlichen Wasserbehörde erforderlich.

Das unterscheidet das Funktionsprinzip der Wärmepumpe von herkömmlichen Heizungen

Die meisten deutschen Haushalte verwenden noch Gas- oder Ölheizungen. Also Heizsysteme, die, genau wie die meisten Wärmepumpentypen, auch das Wasser in einem Heizkreislauf erhitzen. Um diese Hitze zu erzeugen, wird entweder Gas oder Erdöl verbrannt. Moderne Geräte machen das zwar sehr effizient, haben jedoch einen entscheidenden Nachteil: Der verbrannte Energieträger ist endlich, kostet Geld und die Emissionen belasten die Umwelt. Genau diese Punkte sind aber auch der Vorteil der Wärmepumpe. Denn die Heizungsart benötigt für den Antrieb lediglich Strom. Wird dieser aus Erneuerbaren Energien wie beispielsweise einer Solaranlage erzeugt, ist die Wärmepumpe praktisch emissionsfrei. Denn anstatt auf fossile Brennstoffe angewiesen zu sein, nutzt die Heizung die schier unendlich vorhandene und kostenlose Umweltwärme aus der Umgebungsluft oder der Erde – und das das ganze Jahr über.

Inzwischen gibt es sogar Wärmepumpen, die aufgrund ihrer besonderen Technologie auch in gedämmten Bestandsbauten nachgerüstet werden können. Dabei muss das Gebäude lediglich so gut saniert sein, dass die Vorlauftemperatur beim Heizkörper 55 Grad Celsius nicht übersteigt. Einige Wärmepumpenmodelle können das Gebäude im Sommer sogar kühlen, was eine Installation besonders attraktiv macht – vorausgesetzt, man verfügt über eine Fußbodenheizung.

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