Während meiner Ausbildung konnte ich mir zunächst nichts unter einer Wärmepumpe vorstellen. Also hat meine Meisterin zu einem einfachen Vergleich gegriffen, den wahrscheinlich jeder kennt. Eine Wärmepumpe funktioniert wie ein Kühlschrank – nur umgekehrt. Der Kühlschrank entzieht seinem Innenraum Wärme und gibt diese an den Raum ab. Also entzieht die Wärmepumpe der Umgebung (Luft, Erde oder Wasser) Wärme und gibt sie an das Heizsystem ab.
Das funktioniert auch bei niedrigen Außentemperaturen, da auch kalte Luft Wärmeenergie enthält. Diese Energie wird über einen technischen Prozess – dazu kommen wir noch – auf ein höheres Temperaturniveau gehoben. Dieses ist dann für die Heizung nutzbar.
Der thermodynamische Kreislauf
Die Funktion einer Wärmepumpe basiert auf dem thermodynamischen Kreislauf, der aus vier Prozessen besteht:
Eine Wärmepumpe besteht also, vereinfacht gesagt, aus vier Hauptkomponenten, die zusammen einen geschlossenen Kreislauf bilden – den Kältekreis. Sehen wir uns diese Komponenten genauer an:
1. Verdampfer
Im Verdampfer wird die Umweltwärme aufgenommen – je nach System aus der Luft, dem Erdreich (Sole) oder dem Grundwasser. Selbst bei niedrigen Außentemperaturen enthalten die Wärmeträger noch Energie, die entzogen werden kann. Diese Wärme wird an ein flüssiges Kältemittel mit niedrigem Siedepunkt abgegeben, das durch die aufgenommene Wärme verdampft und vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht.
Der Verdampfer besteht in der Regel aus einem Wärmetauscher, der mit dem Kältemittel gefüllt ist. Die Umgebungsluft bzw. der Wärmeträger strömt um die Rohre, wodurch die Wärmeübertragung stattfindet.
Wichtig: Der Verdampfer ist ein Wärmetauscher.
2. Verdichter (Kompressor)
Das nun gasförmige Kältemittel wird in den Verdichter gesaugt und dort stark komprimiert. Durch die Verdichtung steigt der Druck und somit auch die Temperatur des Kältemittels stark an – auf ein für die Heizung nutzbares Temperaturniveau.
Der Kompressor benötigt elektrische Energie, um zu arbeiten. Die Effizienz des Kompressors ist entscheidend für die Gesamtenergieeffizienz der Wärmepumpe. Es gibt verschiedene Kompressortypen, wie z. B. Hubkolbenkompressoren, Scrollkompressoren und Schraubenkompressoren, die je nach Anwendung und Größe der Wärmepumpe eingesetzt werden
Wichtig: Der Kompressor braucht elektrische Energie – das ist der Hauptanteil des Stromverbrauchs einer Wärmepumpe.
Bild: ChatGPT/vO/SBZ Monteur
3. Verflüssiger (Kondensator)
Im Verflüssiger gibt das heiße, gasförmige Kältemittel seine Wärme an das Heizsystem des Gebäudes (oder an einen Pufferspeicher) ab. Dabei kühlt das Kältemittel ab und wird wieder flüssig.
Wichtig: Auch der Verflüssiger ist ein Wärmetauscher – hier erfolgt die Wärmeübertragung ins Heizsystem.
4. Expansionsventil (Entspannungsventil)
Das flüssige, jetzt abgekühlte Kältemittel durchläuft nun das Expansionsventil. Hier wird der Druck schlagartig gesenkt, wodurch sich das Kältemittel wieder stark abkühlt und in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehrt. Danach fließt es erneut zum Verdampfer – der Kreislauf beginnt von vorne.
Das Expansionsventil wird automatisch geregelt, um den Durchfluss des Kältemittels an den jeweiligen Bedarf anzupassen. Dies trägt zur Effizienz der Wärmepumpe bei.
Es gibt verschiedene Arten von Expansionsventilen, darunter thermostatische Expansionsventile und elektronische Expansionsventile, die eine präzisere Steuerung ermöglichen.
Wichtig: Das Expansionsventil senkt den Druck des Kältemittels und steuert dessen Durchfluss automatisch.
Was ist der COP und wie unterscheidet er sich von der JAZ?
Die beiden Begriffe COP und JAZ haben Sie in Verbindung mit Wärmepumpen sicher bereits gehört. Beide beschreiben die Effizienz einer Wärmepumpe – also wie viel Wärmeleistung im Verhältnis zum eingesetzten elektrischen Strom bereitgestellt wird. Aber auf unterschiedliche Weise.
Bild: ChatGPT/vO/SBZ Monteur
COP – Coefficient of Performance (Leistungszahl)
Der COP gibt an, wie effizient eine Wärmepumpe unter bestimmten, festgelegten Bedingungen arbeitet. Man misst ihn z. B. bei einer Außentemperatur von 7 °C und einer Vorlauftemperatur von 35 °C. Das sieht dann z. B. so aus:
COP = 4,2 → Aus 1 kWh Strom macht die Wärmepumpe 4,2 kWh Wärme.
Wichtig: Der COP ist ein Laborwert. Er wird unter optimalen Bedingungen ermittelt – das ist gut für den Vergleich verschiedener Geräte, aber sagt nichts über den realen Betrieb im Haus aus.
JAZ – Jahresarbeitszahl (Langzeiteffizienz)
Die JAZ ist praxisnäher. Sie sagt aus, wie gut die Wärmepumpe im gesamten Jahr gearbeitet hat – also unter allen realen Bedingungen, mit wechselnden Temperaturen, Teillastbetrieb, Abtauvorgängen usw.
JAZ = 3,8 → Über das ganze Jahr hinweg wurden aus 1 kWh Strom im Schnitt 3,8 kWh Wärme erzeugt.
Das bedeutet: Die JAZ berücksichtigt alle Einflüsse, wie z. B.:
Beispielrechnung zur Jahresarbeitszahl (JAZ)
Ein Einfamilienhaus wird mit einer Luft-Wasser-Wärmepumpe beheizt. Über ein ganzes Jahr hinweg wurde der Stromverbrauch der Wärmepumpe sowie die abgegebene Wärmemenge gemessen.
Gegeben:
Stromverbrauch der Wärmepumpe im Jahr:
3.000 kWh
Gesamte erzeugte Heizwärme + Warmwasser im Jahr:
11.400 kWh
Gesucht:
Die Jahresarbeitszahl (JAZ) der Wärmepumpe
Rechnung:
Die Formel lautet:
Ergebnis:
Die JAZ beträgt 3,8. Die Wärmepumpe hat im Jahresdurchschnitt aus 1 kWh Strom 3,8 kWh Wärme gemacht.
Weitere wichtige Komponenten in der Praxis
Neben dem Kältekreis gibt es weitere technische Komponenten, die für den Betrieb der Wärmepumpe wichtig sind:
Weiterentwicklungen von Wärmepumpen
Die Wärmepumpentechnik entwickelt sich ständig weiter. Hier ein Überblick über aktuelle Entwicklungen:
Wartung von Wärmepumpen – Was, wann und wie?
Auch wenn Wärmepumpen im Vergleich zu Öl- oder Gasheizungen relativ wartungsarm sind, sollten sie regelmäßig kontrolliert werden, um eine hohe Effizienz und lange Lebensdauer zu gewährleisten. Die Wartung sollte mindestens einmal jährlich erfolgen. Folgende Arbeiten gehören dazu:
1 Der thermodynamische Kreislauf einer Wärmepumpe besteht aus vier Prozessen: Verdampfung, Kompression, Kondensation und Expansion.
2 Der COP ist ein Laborwert, die Jahresarbeitszahl bezieht sich auf den realen Betrieb und berücksichtigt die äußeren Einflüsse.
3 Zusätzlich zu den Komponenten des Kältekreislauf werden weitere Bauteile wie bei anderen Heizsystemen benötigt, also z. B. Regelung, Pumpen, Pufferspeicher etc.
4 Auch Wärmepumpen benötigen eine regelmäßige Wartung wie jedes andere Heizsystem.
5 Ein Wartungsprotokoll hilft, den Überblick zu behalten und ist bei vielen Herstellern Voraussetzung für die Garantieleistung.
Bild: ChatGPT/vO/SBZ Monteur
Bild: ChatGPT/vO/SBZ Monte
Bild: ChatGPT/vO/SBZ Monte
Technische Funktion im Überblick – Der Kältekreis
Hier nochmal der Ablauf im Kältekreis im Überblick:
Merksatz für die Prüfung:
„Der COP zeigt, was möglich ist – die JAZ, was tatsächlich geleistet wird.“
Fazit für die Praxis
Wichtig ist:
Infomaterial vom Bundesverband Wärmepumpe bwp
Umfangreiche Infomationen zum Thema Inspektion, Wartung und Optimierung von Heizungsanlagen mit Wärmepumpe gibt es zum Download unter https://www.waermepumpe.de im Bereich Publikationen.
Autor
Bild: SBZ Monteur
