Wie funktioniert eine Wärmepumpe? Einfach erklärt
Wärmepumpe Funktion: Das Wichtigste in Kürze
- Grundprinzip der Wärmeübertragung: Eine Wärmepumpe nutzt die Umgebungswärme, um Gebäude zu beheizen.
- Schlüsselkomponenten: Eine Wärmepumpe besteht aus einer Energiegewinnungseinheit, der eigentlichen Wärmepumpe und einem Wärmeverteilungs- und Speichersystem. Diese Komponenten arbeiten zusammen, um Umweltenergie effizient zu nutzen.
- Effizienzbewertung: Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe wird durch die Jahresarbeitszahl (JAZ) dargestellt. Sie zeigt die Energieeffizienz über einen längeren Zeitraum an.
- Wärmequellen: Wärmepumpen können Wärme aus verschiedenen Quellen extrahieren, wie z. B. der Umgebungsluft, dem Erdreich oder Grundwasser, abhängig vom Typ der Wärmepumpe.
- Technologische Entwicklung: Von den ersten Kältemaschinen des 19. Jahrhunderts bis hin zu modernen, hocheffizienten Systemen hat sich die Wärmepumpentechnologie erheblich weiterentwickelt, besonders im Hinblick auf Energieeffizienz und Umweltfreundlichkeit.
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Eine Wärmepumpe ist für immer mehr Hausbesitzer das beste Heizsystem, um günstig, effizient und nachhaltig zu heizen. Aber wie funktioniert eine Wärmepumpe eigentlich? Das erklären wir in diesem Artikel.
Wie ist eine Wärmepumpe aufgebaut?
Alle Wärmepumpen Arten haben folgende Bestandteile:
- Wärmequelle: Die Wärme kommt entweder aus der Luft, dem Wasser oder der Erde.
- Wärmepumpe: Diese Einheit wandelt die gewonnene Umweltwärme in nutzbare Wärmeenergie um.
- Wärmeverteilungs- und Speichersystem: Dieses System ist zuständig für die Verteilung und Speicherung der Wärme im Gebäude.
Das Zusammenspiel dieser Komponenten ermöglicht den Wärmepumpen-Kreislauf, den wir im nächsten Abschnitt beschreiben.
Das Wärmepumpen-Prinzip einfach erklärt
Eine Wärmepumpenheizung nutzt die Umgebungswärme, um Gebäude zu beheizen. Das Wärmepumpen-Prinzip folgt einem einfachen Kreislauf:
- Wärmeabsorption: Das kalte Wärmepumpe Kältemittel im System fließt durch eine Außeneinheit und absorbiert dabei die Umgebungswärme aus Luft, Wasser oder Erdreich.
- Verdampfung: Das Kältemitttel im Verdampfer verdampft durch die Aufnahme der Umgebungswärme.
- Kompression: Der Kältemitteldampf wird dann zu einem Kompressor geleitet. Durch die Kompression erhöht sich die Temperatur des Kältemittels deutlich. Dieser Prozess benötigt elektrische Energie.
- Wärmeabgabe: Der heiße Kältemitteldampf gelangt anschließend in den Wärmetauscher (Kondensator). Dort gibt es seine Wärme an die Raumluft oder das Heizsystem ab.
- Expansion: Nachdem das Kältemittel seine Wärme abgegeben hat, fließt es durch ein Expansionsventil. Dabei verringert sich der Druck, das Kältemittel kühlt ab und der Kreislauf beginnt von vorne.
- Ausgangszustand: Das Kältemittel befindet sich nun wieder in seinem ursprünglichen Zustand und kann erneut Wärme aus der Luft aufnehmen.
Hier nochmal übersichtlich im Schaubild:
Wärmepumpe Funktion: Schlüsselbegriffe erklärt
Wer sich mit Wärmepumpen beschäftigt, stößt immer wieder auf die gleichen Begriffe. Jahresarbeitszahl, Bivalenzpunkt und andere Themen klingen oft kompliziert, sind meistens aber recht einfach erklärt.
Jahresarbeitszahl (JAZ)
Die Jahresarbeitszahl, kurz auch JAZ, ist ein Maß für die Effizienz von Wärmepumpen auf ein Jahr gerechnet. Sie berechnet das Verhältnis der abgegebenen Heizwärme zur aufgenommenen elektrischen Energie über diesen Zeitraum.
Eine Luftwärmepumpe mit einem JAZ von beispielsweise 4,5 gewinnt vier Einheiten Wärmeenergie aus der Umgebungsluft, während sie dafür nur eine Einheit elektrische Energie benötigt.
Merken Sie sich: Eine hohe JAZ bedeutet eine hohe Effizienz.
Coefficient of Performance (COP)
Der COP ist ebenfalls eine Maßzahl zur Bestimmung der Effizienz von Wärmepumpen, bemisst allerdings nur einen bestimmten Zeitpunkt. Dadurch kann der COP-Wert je nach Betriebsbedingungen variieren, da er von der Temperatur der Umgebungsluft abhängt. Dies macht den COP weniger geeignet für die Bewertung von realen Betriebsbedingungen als den JAZ.
Vorlauftemperatur, Rücklauftemperatur und Spreizung
Die Vorlauftemperatur ist die Temperatur des Wassers, das in die Heizkörper oder Fußbodenheizung fließt. Die Rücklauftemperatur ist die Wassertemperatur, die zurück zur Wärmepumpe fließt, nachdem sie ihre Wärme abgegeben hat. Die Differenz zwischen den beiden nennt man Spreizung. Oftmals spricht eine geringe Spreizung für hohe Effizienz.
Bivalenzpunkt
Der Bivalenzpunkt einer Wärmepumpe ist der Punkt, genauer gesagt die Außentemperatur, zu der die Wärmepumpe ihre maximale Heizleistung erbringt. Ist die Außentemperatur niedriger als der Bivalenzpunkt, wird ein zusätzliches Heizsystem benötigt, um den Haushalt mit Wärme zu versorgen.
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Kurzer Exkurs: Technische Entwicklung der Wärmepumpe
Die Entwicklung der Wärmepumpe begann bereits im 19. Jahrhundert mit der Schaffung der ersten Kältemaschinen durch Jacob Perkins im Jahr 1834. Diese frühen Maschinen enthielten bereits die Hauptelemente moderner Wärmepumpen: Kompressor, Kondensator, Verdampfer und Expansionsventil.
Doch erst um 1900 etablierten sich letztendlich Wärmepumpen als Kältemaschinen für Lebensmittelkühlung. Noch heute haben wir sie in unseren Küchen stehen: Kühlschränke.
Die Ölkrisen der 1970er Jahre führten zu einem Boom in der Wärmepumpentechnologie, der allerdings durch sinkende Ölpreise und Qualitätsprobleme im Kleinwärmepumpenbereich gebremst wurde. Trotzdem setzte sich die Kombination von Blockheizkraftwerken mit Wärmepumpen in größeren Anlagen durch.
Mit der Entdeckung des ersten Ozonlochs in den 1980er Jahren und dem Montreal-Protokoll trat ein Umdenken in der Kältemitteltechnologie ein, was zur Entwicklung umweltfreundlicherer Alternativen führte.
Seit den 1990er Jahren erlebte die Wärmepumpentechnik durch technische Fortschritte, wie effizientere und leisere Kompressoren sowie verbesserte Regelungssysteme, eine rasante Verbreitung.
Heute sind Wärmepumpen eine Schlüsseltechnologie in der Heizungstechnik, gekennzeichnet durch hohe Effizienz und eine breite Palette an Anwendungsmöglichkeiten, von privaten Haushalten bis hin zu industriellen Anlagen.
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