Die Wärmepumpe wandelt Umweltwärme aus dem Erdboden, dem Grundwasser oder der Umgebungsluft in nutzbare Wärmeenergie um. In erster Linie ist sie als Wärmepumpenheizung zur Erwärmung von Gebäuden sowie zur Warmwassererzeugung im Einsatz. Da die aus der Umgebung gewonnene Wärme in der Regel nicht alleine ein Gebäude beheizen kann, hält ein mit Strom betriebener Kompressor einen Kältekreislauf in Gang und ein thermodynamischer Prozess sorgt für die Erhöhung des Temperaturniveaus.
Die Funktionsweise einer Wärmepumpe ist am Besten wie folgt erklärt:
Vereinfacht lässt sich die Funktionsweise einer Wärmepumpe folgendermaßen beschreiben:
Je nach Modell nutzen Wärmepumpen Luft, Erdwärme oder Grundwasser als Wärmequellen. Hinsichtlich der Wärmegewinnung bestehen somit zwar Unterschiede, der grundsätzliche Vorgang ist jedoch weitgehend identisch. Das im geschlossenen Wärmepumpen-Kreislauf zirkulierende Kältemittel verdampft bereits bei relativ niedrigen Temperaturen. Sie können beispielsweise selbst bei einer Außentemperatur von -20 Grad Celsius mit einer Wärmepumpenheizung Ihr Wohngebäude heizen, da der relativ kalte Kältemitteldampf durch den Verdichter komprimiert wird und dieser Vorgang die Temperatur des Dampfes erhöht. Die entstandene Wärme gelangt über den Wärmetauscher zur Heizungsanlage. Falls es in seltenen Fällen dazu kommt, dass die Heizleistung an besonders kalten Tagen nicht ausreicht, sorgt zusätzlich ein integrierter Elektroheizstab für zusätzliche Wärme.
Luft-Wasser-Wärmepumpen nutzen die aus der Umgebungsluft gewonnene Wärme, um das Wasser für den Heizkreislauf aufzuheizen. Es gibt Modelle für die Aufstellung im Inneren des Gebäudes sowie für die Außenplatzierung. Dieses System eignet sich gleichermaßen für Neubauten oder sanierte Altbauten, selbst bei niedrigen Außentemperaturen erzeugt die Heizung ausreichend Wärme für das Beheizen eines Wohnhauses und erzeugt bei Bedarf auch Warmwasser.
Die Luftwärmepumpe gibt es als Luft-Wasser- oder als Luft-Luft-Variante. Letztere nutzt die aus der Luft gewonnene Wärme zur Erwärmung der Frischluft, der Einsatz ist in erster Linie für Passiv- oder Niedrigenergiehäuser sinnvoll. Luft-Wasser-Wärmepumpen sind flexibler einsetzbar und kommen daher häufiger zum Einsatz, der Begriff Luftwärmepumpe bezieht sich daher meist auf die Luft-Wasser-Pumpe. Die Luftwärmepumpe saugt mittels Ventilator die Umgebungsluft an und überträgt die Wärme auf das zirkulierende Kältemittel. Im weiteren Prozess wird die gewonnene Wärme über den Wärmetauscher an das Heizsystem übertragen.
Erdwärme oder Geothermie ist die unterhalb der Erdoberfläche gespeicherte Wärmeenergie. Die Kraft der Sonne ist keineswegs alleine für diese Wärme verantwortlich, sie stammt überwiegend aus dem Erdinneren oder gelangt durch Schmelzwässer bzw. Niederschläge in den Erdboden. Es wird zwischen oberflächennaher (bis ca. 400 m Tiefe) und tiefer Geothermie (von ca. 400 m bis mehrere Kilometer Tiefe) unterschieden. Erdwärme gilt als unerschöpfliche Energiequelle und zählt somit zu den regenerativen Energien. Wärmepumpen machen die oberflächennahe Geothermie auch für Privathaushalte nutzbar.
Bei der Erdwärmepumpe erfolgt die Wärmeaufnahme mittels eines Kunststoffrohrsystems, in dem ein Wasser-Frostschutz-Gemisch (Sole) zirkuliert. Dabei ist zwischen folgenden Varianten zu unterscheiden:
Bei großen Grundstücken bietet sich meist die Nutzung von Flächenkollektoren an. Als Faustregel kann dabei gelten, dass die benötigte Fläche mindestens die doppelte Größe der zu beheizenden Wohnfläche aufweisen sollte. Grundsätzlich sollte die Planung jedoch individuell anhand Ihres persönlichen Heizwärmebedarfs erfolgen. Die Kollektoren werden in ca. 1,5 m Tiefe verlegt, diese Fläche darf nicht gepflastert oder überbaut werden.
Eine Variante der klassischen Flächenkollektoren sind die Ringgrabenkollektoren, die etwas weniger Fläche benötigen. Sie können beispielsweise in einem Graben rund um das Haus oder entlang der Grundstücksgrenze verlegt werden.
Falls Ihr Grundstück nicht groß genug ist, kann alternativ eine Erdsonde zum Einsatz kommen. Anders als die horizontal verlegten Kollektoren ist hier eine entsprechend große Tiefe entscheidend. Mit zunehmender Tiefe steigt die Temperatur an, daher ermöglichen Erdsonden einen höheren Wirkungsgrad.
Die in den Rohren der Sonden bzw. Kollektoren zirkulierende Sole nimmt die im Erdreich gespeicherte Wärme auf und gibt sie über einen Wärmeübertrager an das System ab.
Bei der Grundwasserwärmepumpe ist zusätzlich zum herkömmlichen Wärmepumpensystem eine Brunnenanlage mit einem Saug- und einem Schluckbrunnen erforderlich. Über den Saugbrunnen wird das Grundwasser nach oben zur Anlage befördert, dort wird die Wärme auf das Kältemittel übertragen. Anschließend gelangt das Wasser über den Schluckbrunnen wieder in die Erde zurück. Die Wärme geht über den Wärmetauscher vom verdichteten Kältemittel auf das Heizungssystem über.
