Heizen und Kühlen: Wärmepumpe als Klimaanlage – so funktioniert’s

Eine Wärmepumpe wandelt nicht nur Umweltwärme in Wärme um, die ihr zum Heizen eurer Räume und zum Erwärmen eures Warmwassers in Küche und Bad nutzen könnt. Ihr könnt sie auch als Klimaanlage einsetzen, um für angenehme Kühle zu sorgen. Lest hier, wie die Wärmepumpe heizen und kühlen kann. 

Wie funktioniert eine Wärmepumpe? (Funktionsprinzip einfach erklärt)

Eine Wärmepumpe macht euch Wärme verfügbar, die in der Umwelt gespeichert ist. Dabei handelt es sich um Wärme der Sonne, die in der Erdoberfläche, im Grundwasser und in Gewässern und in der Luft gespeichert ist, sowie um Wärme aus dem Inneren der Erdkugel. Je nachdem, welche natürliche Wärmequelle eine Wärmepumpe anzapft, ist sie anders aufgebaut. Jede Wärmepumpe besteht aus drei funktionalen Teilen:

1. aus Vorrichtungen, um die Wärmequelle anzuzapfen
2. aus der eigentlichen Wärmepumpe, die die Umgebungswärme Erdreich, (Grund-)Wasser oder Luft in nutzbare Heizwärme umwandelt
3. aus den zur Heizungsanlage gehörenden Wärmespeiche- und Wärmeverteilsystemen

Man unterscheidet Wärmepumpentypen in Geräte,

• die Erdwärme abgreifen: Erdwärmepumpen (auch Sole-Wasser-Wärmepumpen genannt)
• die Wasserwärme abgreifen: Wasserwärmepumpen (auch Wasser-Wasser-Wärmepumpen genannt)
• die Luftwärme abgreifen: Luftwärmepumpen (auch Luft-Wasser-Wärmepumpen genannt).

Den Unterschied zwischen den Wärmepumpentypen macht die spezielle Vorrichtung, mit der die Wärme aus Erdreich, Grundwasser oder Gewässer sowie Luft abgegriffen wird:

• Erdwärmepumpen arbeiten entweder mit Sonden, die tief ins Erdreich gebohrt werden, oder mit Kollektoren, die flach und flächig im oberen Erdreich verlegt werden.

• Wasserwärmepumpen arbeiten mit Hilfe zweier Brunnen: Der eine saugt das Grundwasser aus dem Erdreich an (sogenannter Saugbrunnen), der andere gibt es wieder ins Erdreich ab (sogenannter Schluckbrunnen).

• Luftwärmepumpen saugen mit Hilfe eines Ventilators die Luft aus der Umgebung an.

Die eigentliche Wärmepumpe wandelt die Umweltwärme der verschiedenen Wärmequellen in nutzbare Heizwärme um. Das tut sie mithilfe eines geschlossenen Kreislaufs aus Verdampfer, Kompressor, Kondensator und Expansionsventil. Die Wärmepumpe nutzt dabei ein Kältemittel, das bei niedriger Temperatur verdampft und bei hoher Temperatur kondensiert.

Wichtig: Auf diese Weise kann die Wärmepumpe nicht nur Wärme liefern (Heizfunktion), sondern auch abziehen (Kühlfunktion). Das schauen wir uns jetzt einmal etwas genauer an:

Heizen mit einer Wärmepumpe – das müsst ihr wissen

Zum Heizen absolviert die Wärmepumpe den folgenden Wärmepumpenkreislauf:

1. Die externe Wärmequelle (Luft, Erde oder Wasser) wird angezapft.
2. Verdampfen: Mit einem Verdampfer wird die Umweltwärme auf den Wärmepumpenkreislauf übertragen. Ein spezielles Kältemittel ist für die Aufnahme und den Transport der Wärme zuständig. Es nimmt die Umweltwärme im flüssigen Zustand auf, wobei es verdampft, also vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand übergeht.
3. Verdichten (Komprimieren): Das dann gasförmige Kältemittel wird danach in den strombetriebenen Verdichter (Kompressor) geleitet, wo es verdichtet (komprimiert) wird. Mit der Kompression steigen sowohl der Druck als auch die Temperatur des Kältemittels weiter an.
4. Verflüssigen (Kondensieren): Das auf diese Weise erhitzte und verdichtete Kältemittel gelangt anschließend in den Verflüssiger (Kondensator), wo es dank eines Wärmetauschers seine Wärme an die entsprechende Heizungsanlage übergibt, beispielsweise an eine Fußbodenheizung. Demzufolge kühlt sich das heiße und verdichtete Kältemittel ab -und zwar soweit, dass es sich wieder verflüssigt (kondensiert). Die übertragene Wärme wird im Wärmespeicher (Pufferspeicher) der Heizungsanlage gespeichert.
5. Entspannen: Zu guter Letzt wird die erkaltete Flüssigkeit entspannt: Das macht das Expansionsventil. Der Druck und die Temperatur des Kältemittels sinken, bis es die Ausgangswerte erreicht hat.

Der Wärmepumpenkreislauf kann von Neuem starten. , bevor es wieder in den Verdampfer gelangt, um den Zyklus zu wiederholen.

Wärmepumpen zum Heizen im Einsatz: als Heizung – Beispiele

• Wohnhäuser: Eine Wärmepumpe kann ein Einfamilienhaus oder ein Mehrfamilienhaus effizient beheizen. Besonders gut geeignet sind Fußbodenheizungen oder Niedertemperaturheizkörper, da diese große Flächen haben und eine gleichmäßige Wärmeverteilung ermöglichen.
• Gewerbegebäude: In Bürogebäuden und Industriehallen kann eine Wärmepumpe zum Beheizen großer Flächen eingesetzt werden, besonders in Kombination mit Deckenstrahlplatten oder anderen großflächigen Heizsystemen.
• Schwimmbäder: Wärmepumpen eignen sich auch ideal fürs Aufheizen von Schwimmbadwasser, da sie die große Wassermenge effizient auf die gewünschte Temperatur bringen können.

Kühlen mit einer Wärmepumpe – das müsst ihr wissen

Wärmepumpen, die mit einer sogenannten reversiblen Funktion daher kommen, können nicht nur heizen, sondern auch kühlen. Sie wirken dann als Klimaanlage, oft allerdings nicht mit der starken Leistungsfähigkeit einer solchen. So eine Kühlfunktion lässt sich unter Umständen auch im Nachhinein nachrüsten.

Im Kühlmodus arbeitet die Wärmepumpe umgekehrt, da auch der Kältemittelkreislauf umgekehrt wird: Sie entzieht dem Innenraum (Wärmequelle) Wärme und leitet diese nach außen ab. Das ist besonders vorteilhaft in den Sommermonaten, wenn ihr eure Räume kühlen möchtet. Der Kühlvorgang läuft folgendermaßen ab:

1. Wärmequelle anzapfen: Die Wärmepumpe nimmt die Wärme aus dem Innenraum des Gebäudes auf.
2. Verdampfen: Das Kältemittel in der Wärmepumpe verdampft, während es die Wärme aus dem Raum aufnimmt.
3. Verdichten: Das gasförmige, warme Kältemittel wird komprimiert und somit weiter erhitzt.
4. Verflüssigen: Im Kondensator gibt das Kältemittel die Wärme an die Außenluft ab, wobei es sich verflüssigt.
5. Entspannen: Das verflüssigte Kältemittel wird dank des Expansionsventils entspannt und abgekühlt.

Anschließend strömt es wieder zurück in den Verdampfer, um erneut Wärme aus dem Innenraum aufzunehmen: Der Kühlkreislauf beginnt von Neuem.

Wärmepumpe zum Kühlen im Einsatz: als Kühlung – Beispiele

• Wohngebäude: In heißem Klima kann eine Wärmepumpe als Klimaanlage verwendet werden, um zu warme Innenräume auf eine angenehme Temperatur herunter zu kühlen.
• Büros und Gewerbegebäude: Wärmepumpen können große Büroflächen kühlen und somit für ein angenehmes Arbeitsklima sorgen.
• Kühllager: In der Lebensmittelindustrie oder im Einzelhandel können Wärmepumpen zur Kühlung von Lagerräumen genutzt werden.

3 wichtige Vorteile der Wärmepumpe: effizient, nachhaltig und flexibel

• Energieeffizienz: Wärmepumpen nutzen vorhandene, natürliche Wärmequellen und arbeiten energieeffizient. Für jede Kilowattstunde Strom, die sie im Betrieb verbrauchen, können sie mehrere Kilowattstunden Wärme liefern. Zwei Drittel der Heizenergie stammen aus der Umgebungswärme und nur ein Drittel aus elektrischer Energie. Manche Wärmepumpen sind sogar noch effizienter. Damit sind sie sie jedem Verbrennungsofen und auch einfachen Elektroheizungen überlegen, die elektrisch zugeführte Energie im Verhältnis 1:1 in Gebäudewärme umwandeln. Für die Effizienz einer Wärmepumpe gilt: Je geringer der Temperaturunterschied zwischen der Wärme der Wärmequelle und der gewünschten Heiztemperatur ist, desto effizienter arbeitet das Gerät. Denn ein kleiner  Temperaturunterschied heißt, dass weniger Arbeit für den Kompressor anfällt. Schließlich muss das Gas im Kreislauf nicht so stark komprimiert werden und das spart Strom. Günstig für den Einsatz von Wärmepumpen, jedoch nicht zwingend, sind demnach Heizungsanlagen mit großflächigen Heizverteilungssystemen (Wärmeübertragern) wie Fußbodenheizungen, die mit einer niedrigen Vorlauftemperatur laufen.
• Nachhaltigkeit: Wärmepumpen nutzen die erneuerbaren Wärmequellen Luft, Wasser und Erdreich und tragen so zur Reduzierung der CO₂-Emissionen bei. Wichtig: Stammt der Betriebsstrom für die Wärmepumpe dann noch aus erneuerbaren Energien, beispielsweise von einer Photovoltaik-Anlage auf eurem eigenen Dach, läuft die Wärmepumpe sogar klimaneutral.
• Flexibilität: Wärmepumpen können sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen verwendet werden, was ihren Einsatz besonders flexibel macht.

Fazit

Wärmepumpen sind eine hervorragende Lösung für das Heizen und Kühlen von Gebäuden. Sie bieten eine umweltfreundliche, effiziente und flexible Möglichkeit, das Raumklima zu regulieren.

Grafiken: bwp, Fotos: Paradigma