Wärmepumpe: Funktionsweise und Leistungszahl
Die Wärmepumpe Funktionsweise lässt sich in einem Satz sagen: Eine Wärmepumpe entzieht der Umgebung Wärme und hebt sie mit elektrischer Energie auf eine höhere Temperatur, sodass sie zum Heizen taugt. In dieser Lektion lernst du den Kältemittelkreislauf kennen, berechnest die Leistungszahl und verstehst, warum aus einer Kilowattstunde Strom mehrere Kilowattstunden Wärme werden.
- Fach: Physik
- Klasse 10
- Thema: Energie
- Dauer: 20 Min
- Niveau: Mittel
Wärmepumpe Funktionsweise: Wärme aus der Umgebung
Von selbst fließt Wärme immer vom warmen zum kalten Körper. Eine heiße Tasse Tee kühlt ab, bis sie Zimmertemperatur hat. Umgekehrt wird es nie von allein: Ein kühler Garten heizt nicht das warme Haus. Um Wärme von draußen nach drinnen zu bringen, muss man also Energie aufwenden. Genau das tut die Wärmepumpe.
Auch an einem kalten Wintertag enthalten Luft, Boden und Grundwasser noch viel Wärmeenergie. Bei minus 5 Grad Celsius ist die Luft zwar kalt, aber sie ist immer noch viel wärmer als der absolute Nullpunkt bei minus 273 Grad. Eine Wärmepumpe nimmt diese Umweltwärme auf und pumpt sie auf ein Temperaturniveau, das für Heizkörper oder Fußbodenheizung reicht.
Das Prinzip kennst du schon vom Kühlschrank. Er entzieht dem Innenraum Wärme und gibt sie hinten an die Küche ab. Eine Wärmepumpe arbeitet genauso, nur dient der warme Teil als Heizung. Man kann sich eine Wärmepumpe als einen Kühlschrank vorstellen, dessen Innenraum die Umwelt ist.
Wärmepumpe Funktionsweise berechnen: Die Leistungszahl
Die Leistungszahl gibt an, wie viel nutzbare Heizwärme eine Wärmepumpe aus elektrischer Energie macht. Sie ist das Verhältnis der abgegebenen Wärme Q zur aufgenommenen elektrischen Energie W. Hat eine Wärmepumpe die Leistungszahl 4, entstehen aus 1 kWh Strom 4 kWh Wärme.
Das widerspricht nicht der Energieerhaltung. Der Strom liefert nur einen Teil der Energie. Den Rest, hier 3 von 4 kWh, entnimmt die Wärmepumpe der Umgebung. Die Energiebilanz lautet: abgegebene Wärme gleich Strom plus Umweltwärme. Ein Direktheizer mit Leistungszahl 1 wandelt dagegen jede Kilowattstunde Strom nur in eine Kilowattstunde Wärme um.
Die Leistungszahl hängt vom Temperaturunterschied ab. Je kleiner der Abstand zwischen der Umgebungstemperatur und der Heiztemperatur, desto weniger muss der Verdichter leisten. Eine ideale Wärmepumpe, die zwischen 0 Grad Celsius und 35 Grad Celsius arbeitet, erreichte etwa 8,8. Reale Geräte schaffen im Jahresmittel etwa 3 bis 5, weil Reibung und Wärmeverluste Energie kosten.
- ε
- Leistungszahl, eine Zahl ohne Einheit
- Q
- abgegebene Heizwärme in kWh
- W
- aufgenommene elektrische Energie in kWh
| Heizsystem | Leistungszahl | Strom für 1 kWh Wärme |
|---|---|---|
| Elektro-Direktheizung | 1 | 1,00 kWh |
| Luft-Wärmepumpe | etwa 3 | etwa 0,33 kWh |
| Erdwärmepumpe | etwa 4 | etwa 0,25 kWh |
| Ideale Wärmepumpe (0 bis 35 Grad Celsius) | etwa 8,8 | etwa 0,11 kWh |
Wärmepumpe Funktionsweise: Der Kältemittelkreislauf
In der Wärmepumpe zirkuliert ein Kältemittel, ein Stoff, der schon bei sehr niedrigen Temperaturen verdampft. Im Verdampfer nimmt es die Umweltwärme auf und wird gasförmig. Es kann das, obwohl die Umgebung kalt ist, weil seine Siedetemperatur bei dem dort herrschenden niedrigen Druck noch viel tiefer liegt.
Danach saugt der Verdichter, auch Kompressor genannt, den Dampf an und presst ihn zusammen. Dabei steigen Druck und Temperatur stark an, und genau hier wird elektrische Energie gebraucht. Der heiße Dampf gelangt in den Verflüssiger, einen Wärmetauscher. Dort gibt er seine Wärme an das Heizwasser ab und kondensiert, wird also wieder flüssig.
Zuletzt strömt das flüssige Kältemittel durch das Expansionsventil. Der Druck sinkt plötzlich, das Kältemittel kühlt stark ab und kann im Verdampfer wieder Umweltwärme aufnehmen. Der Kreislauf schließt sich und läuft ununterbrochen, solange geheizt wird.
Beispiel 1: Leistungszahl und Umweltwärme berechnen
Eine Wärmepumpe liefert in einem Jahr 12 000 kWh Heizwärme und verbraucht dafür 3 000 kWh Strom. Berechne die Leistungszahl und die Wärme, die der Umgebung entnommen wurde.
Gegeben:
- Q12 000 kWh
- W3 000 kWh
Gesucht:
ε und UmweltwärmeLösung:
- Leistungszahl: εQW12 000 kWh3 000 kWh4
- Energiebilanz: QW + Umweltwärme
- Umweltwärme = Q − W = 12 000 kWh − 3 000 kWh = 9 000 kWh
Die Leistungszahl beträgt 4. Von den 12 000 kWh Heizwärme stammen 9 000 kWh, also drei Viertel, aus der Umgebung und nur 3 000 kWh aus dem Stromnetz. Die Wärmepumpe erzeugt die Wärme nicht aus dem Nichts, sondern bringt Umweltwärme auf ein nutzbares Temperaturniveau.
Beispiel 2: Stromkosten von Wärmepumpe und Direktheizung
Ein Haus braucht 12 000 kWh Heizwärme pro Jahr. Die Wärmepumpe hat die Leistungszahl 3,5, eine Kilowattstunde Strom kostet 0,30 Euro. Wie viel Strom braucht sie, und was kostet das im Vergleich zu einer Elektro-Direktheizung?
Gegeben:
- Q12 000 kWh
- ε3,5
- Strompreis 0,30 Euro je kWh
Gesucht:
W und KostenLösung:
- Umstellen: WQε12 000 kWh3,5 ≈ 3 429 kWh
- Kosten Wärmepumpe: 3 429 kWh · 0,30 Euro ≈ 1 029 Euro
- Direktheizung (ε = 1): 12 000 kWh · 0,30 Euro = 3 600 Euro
Die Wärmepumpe verbraucht etwa 3 429 kWh Strom und verursacht rund 1 029 Euro Stromkosten im Jahr. Eine Direktheizung würde 3 600 Euro kosten, also mehr als das Dreifache. Das Ergebnis zeigt, wie stark sich eine höhere Leistungszahl auf die Heizkosten auswirkt. Mit Anschaffung, Wartung und Förderung vergleichen Fachleute die Systeme allerdings über viele Jahre.
Typische Fehler bei der Wärmepumpe
Der erste Fehler ist die Annahme, eine Wärmepumpe erzeuge mehr Energie, als sie verbraucht. Das wäre ein Verstoß gegen die Energieerhaltung. Sie liefert viel mehr Wärme als Strom, weil sie Umweltwärme nutzt. Zählt man diese mit, geht die Energiebilanz exakt auf: Heizwärme gleich Strom plus Umweltwärme.
Der zweite Fehler ist die Verwechslung von Leistungszahl und Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad ist immer kleiner als 1 oder 100 Prozent. Die Leistungszahl der Wärmepumpe kann dagegen deutlich größer als 1 sein, weil im Nenner nur der Strom steht, nicht die gesamte eingesetzte Energie.
Dritter Fehler: Viele glauben, eine Wärmepumpe funktioniere bei Frost nicht. Tatsächlich arbeitet sie auch bei minus 15 Grad Celsius, nur sinkt die Leistungszahl, weil der Temperaturunterschied zwischen Umwelt und Heizung wächst. Beim Rechnen achtest du darauf, Q und W beide in derselben Einheit anzugeben, zum Beispiel in kWh.
Wärmepumpe im Alltag und Tipps für die Klassenarbeit
Wärmepumpen holen die Wärme aus drei Quellen: aus der Außenluft (Luft-Wärmepumpe), aus dem Erdreich über Sonden oder Kollektoren (Erdwärmepumpe) oder aus dem Grundwasser. Erdwärme und Grundwasser sind das ganze Jahr über recht warm und stabil, deshalb erreichen solche Anlagen meist die höchsten Leistungszahlen. Luft-Wärmepumpen sind günstiger in der Anschaffung, arbeiten aber bei Kälte weniger effizient.
Auch die Umkehrung gibt es: Viele Klimaanlagen sind eigentlich Wärmepumpen, die im Sommer kühlen und im Winter heizen können. Ebenso arbeiten Kühlschrank und Wäschetrockner mit dem gleichen Prinzip, bei dem ein Kältemittel verdampft, verdichtet und wieder verflüssigt wird.
In der Klassenarbeit solltest du den Kreislauf in der richtigen Reihenfolge beschreiben können und die Leistungszahl berechnen. Skizziere vier Stationen und beschrifte, wo Wärme aufgenommen und wo sie abgegeben wird. Achte bei Aufgaben auf gleiche Einheiten und notiere, was Q und was W ist. Dann gelingt auch die Umstellung der Formel nach W.
Jetzt bist du dran
Woher stammt der größte Teil der Heizwärme bei einer Wärmepumpe?
Noch nicht. Die Wärmepumpe nimmt Umweltwärme auf und hebt sie mit elektrischer Energie auf ein höheres Temperaturniveau. Der Strom liefert nur einen kleinen Teil der Heizwärme.
Das Wichtigste in Kürze
- Eine Wärmepumpe entzieht der Umgebung Wärme und hebt sie mit elektrischer Energie auf Heiztemperatur.
- Im Kreislauf folgen Verdampfer, Verdichter, Verflüssiger und Expansionsventil aufeinander.
- Leistungszahl: ε gleich Q geteilt durch W. Bei ε gleich 4 werden aus 1 kWh Strom 4 kWh Wärme.
- Die Energiebilanz stimmt: Heizwärme gleich Strom plus Umweltwärme, Energie entsteht nicht neu.
- Niedrige Vorlauftemperaturen, etwa bei Fußbodenheizungen, erhöhen die Leistungszahl und sparen Strom.
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Häufige Fragen zu Wärmepumpe: Funktionsweise und Leistungszahl
- Wie funktioniert eine Wärmepumpe einfach erklärt?
- Eine Wärmepumpe nimmt Wärme aus Luft, Erde oder Wasser auf und hebt sie mit einem elektrischen Verdichter auf eine höhere Temperatur. Diese Wärme gibt sie an das Heizwasser ab. Ein Kältemittel im Kreislauf transportiert die Wärme, ähnlich wie im Kühlschrank.
- Was ist die Leistungszahl einer Wärmepumpe?
- Die Leistungszahl gibt an, wie viel Heizwärme die Wärmepumpe pro eingesetzter Kilowattstunde Strom liefert. Bei einer Leistungszahl von 4 entstehen aus 1 kWh Strom 4 kWh Wärme. Je höher die Zahl, desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe.
- Was ist der Unterschied zwischen Leistungszahl und Jahresarbeitszahl?
- Die Leistungszahl wird unter festgelegten Prüfbedingungen gemessen, etwa bei bestimmten Temperaturen. Die Jahresarbeitszahl gibt das Verhältnis von Wärme und Strom über ein ganzes Jahr im echten Betrieb an. Sie liegt meist etwas niedriger, weil die Außentemperatur schwankt.
- Warum ist eine Wärmepumpe effizienter als eine Elektroheizung?
- Eine Elektroheizung macht aus 1 kWh Strom nur 1 kWh Wärme. Eine Wärmepumpe nutzt zusätzlich Umweltwärme und erzeugt aus 1 kWh Strom etwa 3 bis 5 kWh Wärme. Bei gleichem Wärmebedarf braucht sie daher nur ein Drittel bis ein Fünftel des Stroms.
- Funktioniert eine Wärmepumpe auch bei Frost?
- Ja. Auch bei Frost enthält die Luft noch Wärmeenergie. Allerdings steigt der Temperaturunterschied, und die Leistungszahl sinkt. Gute Anlagen arbeiten bis etwa minus 20 Grad Celsius, benötigen dann aber mehr Strom je Kilowattstunde Wärme.
- Welche Arten von Wärmepumpen gibt es?
- Man unterscheidet Luft-Wärmepumpen, die Außenluft nutzen, Erdwärmepumpen mit Sonden oder Kollektoren im Boden und Wasser-Wärmepumpen, die Grundwasser verwenden. Erd- und Wasser-Wärmepumpen erreichen meist höhere Leistungszahlen, sind aber aufwendiger zu bauen.
- Verstößt eine Wärmepumpe gegen die Energieerhaltung?
- Nein. Die abgegebene Heizwärme ist die Summe aus dem eingesetzten Strom und der Umweltwärme, die die Wärmepumpe aufnimmt. Weil die Umweltwärme zusätzlich eingesetzt wird, ist die Wärme größer als der Strom. Insgesamt bleibt die Energie erhalten.
- Wie ähnlich ist eine Wärmepumpe einem Kühlschrank?
- Beide arbeiten mit einem Kältemittelkreislauf aus Verdampfer, Verdichter, Verflüssiger und Expansionsventil. Der Kühlschrank entzieht dem Innenraum Wärme und gibt sie hinten an die Küche ab. Die Wärmepumpe entzieht der Umwelt Wärme und gibt sie an das Haus ab.
Wiederhol diese Fragen später mit deinem Lernkarten-Trainer.