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Das Wirkprinzip der Wärmepumpe
Eine Wärmepumpe arbeitet wie ein Kühlschrank, nur andersherum. Sie nimmt Wärme aus der kalten Außenluft auf und gibt sie bei höherer Temperatur an Ihre Heizung ab. Wir zeigen am Beispiel einer Luft-Wasser-Wärmepumpe, wie das funktioniert und wo die physikalische Grenze liegt.
- In der Wärmepumpe kreist ein Kältemittel, das schon bei sehr tiefen Temperaturen verdampft. Dabei nimmt es Wärme aus der Luft auf, auch bei Frost.
- Der Verdichter presst das Gas zusammen. Dadurch wird es so heiß, dass es Ihr Heizungswasser erwärmen kann. Nur dafür braucht die Wärmepumpe Strom.
- Aus 1 kWh Strom werden so 3 bis 4 kWh Wärme. Der Rest stammt kostenlos aus der Umwelt.
- Je kleiner der Temperaturunterschied zwischen Außenluft und Heizungsvorlauf, desto effizienter arbeitet sie. Das zeigt der Carnot-Prozess.
Der Kältekreis
Vier Schritte im Kreis
Das Kältemittel durchläuft immer wieder dieselben vier Stationen. Auf der linken Seite ist es kalt und steht unter niedrigem Druck, auf der rechten Seite ist es heiß und steht unter hohem Druck. Tippen Sie auf einen Schritt, um ihn im Schaubild hervorzuheben.
1 · Verdampfen
Der Ventilator zieht Außenluft durch den Verdampfer. Das Kältemittel ist dort kälter als die Luft, nimmt deren Wärme auf und verdampft. Die Luft kühlt dabei um einige Grad ab.
2 · Verdichten
Der Verdichter saugt das kalte Gas an und presst es zusammen. Druck und Temperatur steigen stark, das Gas wird heißer als Ihr Heizungswasser. Hier wird der Strom gebraucht.
3 · Verflüssigen
Im Verflüssiger gibt das heiße Gas seine Wärme an das Heizungswasser ab und wird wieder flüssig. Diese Wärme ist die Summe aus Umweltwärme und Strom.
4 · Entspannen
Das Expansionsventil lässt den Druck plötzlich fallen. Das flüssige Kältemittel kühlt dabei stark ab und ist wieder bereit, im Verdampfer Wärme aufzunehmen.
Temperatur- und Druckwerte sind typische Größenordnungen für eine Propan-Wärmepumpe bei +2 °C Außenluft und 35 °C Vorlauf. Sie unterscheiden sich je nach Gerät und Betriebspunkt.
Der Trick mit dem Druck
Warum die Wärmepumpe auch bei Frost Wärme findet
Wärme fließt von selbst nur von warm nach kalt. Damit die Luft ihre Wärme abgibt, muss das Kältemittel im Verdampfer kälter sein als die Luft. Das gelingt, weil das Kältemittel bei niedrigem Druck schon weit unter 0 °C siedet. Auch Luft mit −10 °C enthält noch Wärme, die es aufnehmen kann.
Auf der anderen Seite soll das Kältemittel wärmer sein als das Heizungswasser. Dafür sorgt der Verdichter: Er erhöht den Druck, und mit dem Druck steigt die Temperatur, bei der das Kältemittel wieder flüssig wird. Sie kennen den Effekt vom Schnellkochtopf: Unter Druck kocht Wasser erst bei rund 120 °C statt bei 100 °C.
Was der Verflüssiger abgibt, ist die Summe aus aufgenommener Umweltwärme und eingesetztem Strom. Bei einer Jahresarbeitszahl von 3,5: 1 kWh Strom + 2,5 kWh Umweltwärme = 3,5 kWh Heizwärme. Wie das im Vergleich zu Öl und Gas aussieht, zeigt die Seite Warum die Wärmepumpe effizienter ist.
Die physikalische Grenze
Der Carnot-Prozess
Der französische Ingenieur Sadi Carnot hat 1824 beschrieben, wie eine ideale Wärmekraftmaschine arbeitet. Läuft dieser Prozess rückwärts, entsteht eine ideale Wärmepumpe. Sie hätte keine Reibung, keine Wärmeverluste und unendlich große Wärmetauscher. Kein echtes Gerät erreicht das, aber der Carnot-Prozess zeigt, was höchstens möglich ist.
1
Wärme aufnehmen
bei gleichbleibend tiefer Temperatur. Entspricht dem Verdampfen.
2
Verdichten
ohne Wärmeaustausch. Temperatur und Druck steigen.
3
Wärme abgeben
bei gleichbleibend hoher Temperatur. Entspricht dem Verflüssigen.
4
Entspannen
ohne Wärmeaustausch. Temperatur und Druck sinken.
Daraus ergibt sich eine einfache Formel für die höchstmögliche Leistungszahl. Sie hängt nur von zwei Temperaturen ab: der Temperatur, bei der das Kältemittel Wärme aufnimmt, und der, bei der es sie abgibt.
Carnot-Leistungszahl
COPCarnot = Twarm ÷ (Twarm − Tkalt)
Temperaturen in Kelvin: °C + 273. Der Nenner ist der Temperaturhub, also der Abstand zwischen warm und kalt.
Beispiel: Das Kältemittel verdampft bei −4 °C (269 K) und verflüssigt bei 38 °C (311 K). Dann ist der Hub 42 K und COPCarnot = 311 ÷ 42 = 7,4. Reale Wärmepumpen erreichen etwa die Hälfte davon, hier also rund 3,7.
Die wichtigste Erkenntnis steht im Nenner: Je kleiner der Temperaturhub, desto höher die Leistungszahl. Probieren Sie es aus.
Annahme: Das Kältemittel verdampft 6 K unter der Außentemperatur und verflüssigt 3 K über dem Vorlauf, weil jeder Wärmetauscher einen Temperaturabstand braucht.
- Verdampfung
- −4 °C · 269 K
- Verflüssigung
- 38 °C · 311 K
- Temperaturhub
- 42 K
- COP Carnot (ideal)
- 7,4
Realistische Leistungszahl
3,7
Aus 1 kWh Strom werden rund 3,7 kWh Wärme.
Vereinfachte Schätzung für einen Betriebspunkt. Die Jahresarbeitszahl über das ganze Jahr liegt meist darunter, weil Abtauen, Warmwasser, Pumpen und kalte Tage mitzählen. Gemessen im Bestand: Außenluft-Wärmepumpen im Mittel 3,1.
Was daraus folgt
Drei Stellschrauben für eine effiziente Wärmepumpe
Jedes Grad zählt
Je Kelvin weniger Vorlauf steigt die Leistungszahl um rund 2 bis 3 %. Große Heizflächen, ein hydraulischer Abgleich und eine raumweise Heizlastberechnung zeigen, wie niedrig Ihr Haus auskommt.
Nicht zu groß wählen
Eine zu große Wärmepumpe schaltet oft ein und aus. Jeder Start kostet Effizienz. Grundlage der Auslegung ist die Heizlast, nicht der alte Kessel.
Wärmere Quelle, kleinerer Hub
Erdreich und Grundwasser sind im Winter wärmer als die Außenluft. Darum erreichen Sole-Wärmepumpen höhere Jahresarbeitszahlen, kosten aber mehr in der Erschließung.
Ruhig laufen lassen
Wie groß ein Pufferspeicher sein sollte, damit die Wärmepumpe lange und gleichmäßig läuft, berechnet unser Puffer-Simulator.
Häufige Fragen
Funktioniert eine Luft-Wärmepumpe auch bei −15 °C?
Ja. Die Luft enthält auch dann noch Wärme, und das Kältemittel verdampft bei noch tieferen Temperaturen. Der Temperaturhub wird aber größer, die Leistungszahl sinkt. Deshalb ist die Auslegung auf die Heizlast bei Normaußentemperatur wichtig.
Warum bildet sich Eis am Außengerät?
Der Verdampfer ist kälter als die Luft. Bei Temperaturen um den Gefrierpunkt und feuchter Luft friert die Feuchtigkeit an den Lamellen fest. Die Wärmepumpe taut ihn regelmäßig ab, indem sie den Kreislauf kurz umkehrt. Das kostet etwas Energie und ist normal.
Warum heißt es „Kältemittel“, wenn doch geheizt wird?
Der Begriff stammt aus der Kältetechnik. Es ist derselbe Kreislauf wie im Kühlschrank. Dort ist die kalte Seite der Nutzen, bei der Wärmepumpe die warme.
Kann eine Wärmepumpe den Carnot-Wert erreichen?
Nein. Reibung im Verdichter, Druckverluste, Temperaturabstände in den Wärmetauschern und Hilfsenergie für Ventilator und Pumpen kosten Leistung. Gute Geräte erreichen etwa die Hälfte des Carnot-Werts.
Quellen
- Haustechnikdialog SHKwissen: Temperaturhub (Carnot-Leistungszahl aus Verflüssigungs- und Verdampfungstemperatur, reale Geräte etwa die Hälfte)
- Viessmann: Propan-Wärmepumpe (Kältemittel R290, sehr geringes Treibhauspotenzial, Vorlauf bis 70 °C)
- Fraunhofer ISE, Feldtest „WPsmart im Bestand“ (Jahresarbeitszahl Außenluft-Wärmepumpen im Mittel 3,1)
Diese Seite erklärt das Prinzip vereinfacht. Sie ersetzt keine Fachplanung.
Wie niedrig kann Ihr Vorlauf sein?
Mit einer raumweisen Heizlastberechnung wissen Sie, welche Vorlauftemperatur Ihr Haus braucht und welche Wärmepumpe dazu passt.