Wärmepumpen sind wesentliche Bestandteile von Heizungs- und Kühlsystemen für Wohngebäude. Sie werden außerhalb des Hauses installiert und funktionieren ähnlich wie Klimaanlagen, indem sie den Wohnraum kühlen. Allerdings bieten Wärmepumpen eine zusätzliche Funktion - sie können auch Wärme liefern. Diese Wärmepumpensysteme entziehen der Außenluft während der kälteren Monate Wärme und transferieren sie nach innen. Umgekehrt entziehen sie der Innenluft während der wärmeren Monate Wärme, um das Haus zu kühlen. Wärmepumpen verwenden Strom und setzen Kältemittel ein, um Wärme zu übertragen und so ganzjährigen Komfort zu gewährleisten. Ihre doppelte Funktionalität eliminiert die Notwendigkeit für separate Heizsysteme und macht sie zu einer praktischen Option für Hausbesitzer. Darüber hinaus sind Wärmepumpen umweltfreundlich, da sie im Gegensatz zu herkömmlichen Öfen keine fossilen Brennstoffe verbrennen.
Es gibt zwei Haupttypen von Wärmepumpen: Luft-Wasser-Wärmepumpen und Erdwärme-Wärmepumpen. Luft-Wasser-Wärmepumpen werden in Wohngebieten häufiger eingesetzt, da sie Wärme zwischen Innen- und Außenluft übertragen. Erdwärme-Wärmepumpen, auch als geothermische Wärmepumpen bekannt, übertragen Wärme zwischen Innenluft und dem Boden. Obwohl Erdwärme-Wärmepumpen höhere Installationskosten haben, sind sie in der Regel effizienter und haben niedrigere Betriebskosten aufgrund der konstanten Bodentemperatur im Laufe des Jahres.
Wie funktioniert eine Wärmepumpe?
Wärmepumpen arbeiten, indem sie Wärme von einem Ort zum anderen über verschiedene Luft- oder Wärmequellen übertragen. Luft-Wasser-Wärmepumpen bewegen Wärme zwischen Innen- und Außenluft, während Erdwärme-Wärmepumpen Wärme zwischen Innenluft und dem Boden übertragen. Obwohl der Fokus auf Luft-Wasser-Wärmepumpen liegt, bleiben die grundlegenden Prinzipien für beide Arten gleich.
Entgegen ihrem Namen erzeugen Wärmepumpen keine Wärme. Stattdessen nehmen sie Wärmeenergie aus der Außenluft auf, auch bei kalten Temperaturen, und übertragen sie auf die Innenluft. Im Kühlmodus arbeitet eine Wärmepumpe ähnlich wie eine Klimaanlage, indem sie Wärme aus der Innenluft aufnimmt und sie über das Außengerät abgibt. Bei der Auswahl des richtigen Systems für Ihr Zuhause sollten Faktoren wie die Größe des Hauses und das lokale Klima berücksichtigt werden. Die Beratung eines lokalen HVAC-Experten, wie zum Beispiel von Carrier, kann wertvolle Einblicke liefern und Ihnen bei einer informierten Entscheidung helfen.
Wärmepumpen werden häufiger in milden Klimazonen eingesetzt, in denen die Temperaturen selten unter den Gefrierpunkt fallen. In kälteren Regionen können sie mit Öfen kombiniert werden, um energieeffizientes Heizen zu ermöglichen, jedoch nicht an den kältesten Tagen. Diese Kombination, bekannt als Dual-Fuel-System, maximiert die Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit.
Ein typisches Luft-Wasser-Wärmepumpensystem besteht aus zwei Hauptkomponenten: einer Außeneinheit und einer Innenluftbehandlungseinheit. Die Außeneinheit ähnelt der Außeneinheit eines Split-System-Klimaanlagensystems und enthält eine Spule und einen Ventilator. Die Spule fungiert entweder als Kondensator oder Verdampfer, abhängig vom Modus (Kühlung oder Heizung). Der Ventilator bläst Außenluft über die Spule, um den Wärmeaustausch zu erleichtern. Ähnlich dazu besteht die Innenluftbehandlungseinheit, auch als Luftbehandler-Einheit bezeichnet, aus einer Spule und einem Ventilator. Die Spule wirkt als Verdampfer oder Kondensator und der Ventilator verteilt die konditionierte Luft im ganzen Haus. Das Kältemittel, eine wichtige Komponente des Wärmepumpensystems, nimmt Wärme auf und gibt sie ab, während es durch das System zirkuliert. Weitere wichtige Elemente sind der Kompressor, der das Kältemittel komprimiert und durch das System bewegt, das Umschaltventil, das die Richtung des Kältemittelflusses ändert, um zwischen den Heiz- und Kühlmodi zu wechseln, und das Expansionsventil, das den Kältemittelfluss reguliert, indem es Druck und Temperatur reduziert.
Wärmepumpen kühlen oder heizen, indem sie Wärme aus der Luft oder dem Boden umverteilen. Ein Kältemittel zirkuliert zwischen der Innenluftbehandlungseinheit und dem Außenkompressor und erleichtert den Wärmeaustausch. Im Kühlmodus nimmt die Wärmepumpe Wärme aus dem Innenraum auf und gibt sie nach außen ab. Im Heizmodus nimmt die Wärmepumpe Wärme aus der Außenluft oder dem Boden, auch bei kalten Temperaturen, auf und gibt sie nach innen ab.
Um zu verstehen, wie Wärmepumpen funktionieren, ist es wichtig, die Prinzipien der Wärmeübertragung zu verstehen. Wärmeenergie bewegt sich natürlicherweise zu Bereichen mit niedrigeren Temperaturen und geringerem Druck. Wärmepumpen machen sich diese physikalische Eigenschaft zunutze, indem sie Wärme von wärmeren Bereichen in kühlere übertragen. Dieser Prozess ermöglicht es ihnen, effektiv zu arbeiten.
Im Kühlmodus wird das Kältemittel der Wärmepumpe durch eine Expansionsvorrichtung in der Innenluftspule (Verdampfer) gepumpt. Die Spule nimmt Wärmeenergie aus der Innenluft auf und kühlt sie ab. Dadurch erhitzt sich das Kältemittel und verdampft zu einem Gas. Das gasförmige Kältemittel durchläuft dann einen Kompressor, wo es komprimiert und weiter erhitzt wird. Anschließend bläst der Ventilator der Außeneinheit Außenluft über die Kondensatorspulen und bewirkt, dass sich die Wärme des Kältemittels auf die Außenluft überträgt. Dieser Prozess kühlt das Kältemittel ab und führt dazu, dass es wieder in einen flüssigen Zustand kondensiert. Schließlich reduziert das Expansionsventil den Druck des warmen flüssigen Kältemittels, kühlt es weiter ab und bereitet es auf den Neustart des Zyklus vor.
Im Heizmodus wird der Fluss des Kältemittels mit dem Umschaltventil umgekehrt. Die Außenluft oder der Boden werden zur Wärmequelle, um Wärmeenergie nach innen abzugeben. Die Außenspule wirkt als Verdampfer und nimmt Wärme aus dem kühlen flüssigen Kältemittel auf und wandelt es in ein kaltes Gas um. Der Kompressor komprimiert das Gas, wodurch es heiß wird. Die Innenluftspule wirkt als Kondensator und kühlt das heiße Gas ab, indem Luft darüber geleitet wird. Dieser Prozess erwärmt die Luft und kondensiert das Gas zu einer warmen Flüssigkeit. Wenn die flüssige Kältemittel in die Außeneinheit eintritt, wird ihr Druck reduziert und sie verwandelt sich wieder in eine kühle Flüssigkeit und der Zyklus beginnt von vorne.
Zusammenfassend sind Wärmepumpen vielseitige und effiziente Systeme sowohl für Kühlung als auch Heizung. Durch den Einsatz eines Umschaltventils können sie Wärme in verschiedene Richtungen übertragen. Wärmeenergie wird von der Verdampferspule aufgenommen, im Kältemittel übertragen und von der Kondensatorspule abgegeben, während Luft darüber geblasen wird. Wärmepumpen bieten eine zuverlässige Methode zur Wärmeübertragung und gewährleisten komfortable Temperaturen in Wohngebäuden.