Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Gas- und Ölheizungen arbeiten mit einem Brennstoff. Durch die Verbrennung entsteht Energie. Wie funktioniert eine Wärmepumpe also ohne Brennstoff? Die Wärmeenergie kommt aus der Umwelt – je nach Art entweder aus der Luft, aus der Erde oder aus dem Grundwasser. 

Die Wärme gelangt über ein Kältemittel in dein Haus. Es nimmt Umweltwärme auf und wird dabei gasförmig. Ein Verdichter komprimiert das Kältemittel, wodurch die Temperatur steigt. Diese Wärme gelangt nun zum Heizen und für die Bereitung von Warmwasser in deinen Heizwasserkreislauf. Das Kältemittel gibt die Wärmeenergie ab, wird wieder flüssig und fließt zum Beginn des Kreislaufs zurück.

Soweit die Kurzfassung. Die einzelnen Schritte schauen wir uns gleich im Detail an. Wichtig zu wissen ist, dass die gewählten Kältemittel besondere thermodynamische Eigenschaften haben – zum Beispiel, dass sie schon bei niedrigen Temperaturen (sogar bei Minusgraden!) gasförmig werden und viel Wärme aufnehmen können. Deshalb funktionieren Wärmepumpen auch im eisigen Winter problemlos. 

Die Funktionsweise einer Wärmepumpe bedeutet, dass du nur einen kleinen Teil Strom zum Heizen benötigst – je nach Effizienz des Geräts etwa ein Viertel bis ein Drittel der gewünschten Wärmemenge. Die restliche Energie stammt aus der Umweltwärme, die jederzeit kostenlos verfügbar ist. Somit sind Wärmepumpen locker zweieinhalb- bis fünfmal so effizient wie Heizungen auf Basis von Öl oder Gas, die aus einer Einheit Brennstoff maximal eine Einheit Wärme gewinnen können. 

• Öl oder Gas: 1 Einheit Energie hinein = maximal 1 Einheit Wärme hinaus, eher weniger

• Wärmpumpe: 1 Einheit Energie hinein = 2,5–5 Einheiten Wärme hinaus

Man spricht dabei auch vom Wirkungsgrad der Wärmepumpe.

Schauen wir uns jetzt Schritt für Schritt an, wie eine Wärmepumpe funktioniert. Das Kältemittel durchläuft einen fortdauernden Kreislauf mit vier Stationen:

Der Verdampfer einer Wärmepumpe ähnelt der Rohrschlange, die du vielleicht schon einmal hinten an deinem Kühlschrank gesehen hast. Es handelt sich um einen Wärmetauscher, der Wärme aus der Umwelt auf das flüssige Kältemittel überträgt. Beim Kühlschrank funktioniert das anders herum – dort wird Wärme aus dem Inneren nach außen geleitet.

Zusätzlich hat der Verdampfer die Aufgabe, das Kältemittel in einen gasförmigen Zustand zu bringen. Das passiert aufgrund des äußerst niedrigen Siedepunkts von allein: Manche Kältemittel verdampfen schon bei –40 Grad – jetzt weißt du, warum Wärmepumpen auch bei Minusgraden zuverlässig heizen. 

Das Kältemittel – jetzt in Form von Gas – kommt beim Verdichter an. Den Verdichter kannst du dir vorstellen wie eine Pumpe: Er presst das Kältemittel zusammen, komprimiert es also. Deshalb heißt der Verdichter auch Kompressor. Weil der Druck auf das Kältemittel steigt, erhöht sich auch die Temperatur – und zwar so stark, wie es nötig ist, damit deine Heizung die benötigte Vorlauftemperatur erreichen kann. 

Der Verdichter ist für den größten Teil des Stromverbrauchs einer Wärmepumpe verantwortlich. Am wenigsten Strom benötigst du zum Heizen, wenn die Temperatur der Wärmequelle (Luft, Erdreich oder Grundwasser) und die Vorlauftemperatur nicht allzu weit auseinanderliegen. Je größer der Unterschied, desto höher der Stromverbrauch – und damit die Kosten im Betrieb (wobei Wärmepumpen grundsätzlich sehr sparsam sind).

Der Verflüssiger ist ein zweiter Wärmetauscher und damit das Gegenstück zum Verdampfer: Hier gibt das Kältemittel die gespeicherte Wärme an den Heizwasserkreislauf ab. Das Kältemittel kühlt ab, die Temperaturen im Haus steigen. Die Wärme kann in einem Pufferspeicher oder einem Speicher speziell für Warmwasser gespeichert werden, oder das heiße Wasser fließt direkt in die Heizkörper. 

Wie der Verdampfer hat auch der Verflüssiger eine zweite Funktion: Das Kältemittel muss hier kondensieren, also wieder flüssig werden. Noch immer steht es unter hohem Druck – dieser reduziert sich erst im letzten Schritt. 

Das Entspannungsventil, auch Expansionsventil genannt, hat nur eine kleine Aufgabe: Es reduziert den Druck auf das Kältemittel. Damit hat das Kältemittel jetzt seinen Ausgangszustand wieder erreicht. Es fließt zurück zum Verdampfer – jetzt wieder flüssig, kühl und bei niedrigem Druck – und beginnt dort seine Reise von Neuem.

Die Funktionsweise, die du oben kennengelernt hast, ist für Luft-Wasser-Wärmepumpen, Erdwärmepumpen und Grundwasser-Wärmepumpen gleich. Ein paar Unterschiede gibt es aber, und die sehen wir uns jetzt an. Sie wirken sich auf die Effizienz und damit den Stromverbrauch der Wärmepumpen aus. 

Luft-Wasser-Wärmepumpen saugen mithilfe von Ventilatoren die Außenluft an und blasen sie dann in den ersten Wärmetauscher (den Verdampfer). Damit der Verdampfer, der meist aus Kupferrohr besteht, die Wärme noch besser aufnehmen kann, sind zusätzlich Aluminium-Lamellen aufgepresst. Dadurch vergrößert sich die Oberfläche, und der Austausch von Wärmeenergie verbessert sich.

Die Effizienz von Luft-Wasser-Wärmepumpen schwankt mit den Jahreszeiten. Das liegt daran, dass der Verdichter mehr powern muss, wenn draußen minus 20 Grad sind und du trotzdem drinnen eine Vorlauftemperatur von 30 oder 40 Grad erreichen möchtest. Dennoch arbeiten moderne Wärmepumpen selbst bei Minusgraden effizient. 

In einem durchschnittlichen Neubau sind Luft-Wasser-Wärmepumpen absolut unschlagbar und aufgrund ihrer Effizienz meist die sinnvollste Heizmöglichkeit. Selbst im Altbau ist der Betrieb oft wirtschaftlich möglich und sinnvoll. In unserer Klimazone sind Luft-Wasser-Wärmepumpen die erste Wahl, zumal sie deutlich einfacher zu installieren sind als Erd- und Grundwasser-Wärmepumpen. Das senkt auch die Kosten für die Installation. 

Luft-Wasser-Wärmepumpen holen sich die Luft mit Ventilatoren – das funktioniert natürlich für das Erdreich nicht. Deshalb arbeiten Erdwärmepumpen meist mit einem zweiten Kreislauf (zusätzlich zum Kältemittelkreislauf), nämlich dem Solekreislauf. Deshalb heißen sie auch Sole-Wasser-Wärmepumpen. 

Die Sole ist ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel. Es fließt über Rohre ins Erdreich und nimmt dort Wärmeenergie aus der Erde auf. Für die Verlegung dieser Rohre hast du zwei Möglichkeiten:

Durch diese Rohre fließt nun die Sole, nimmt Wärme auf und transportiert sie nach oben. Ein Wärmetauscher überträgt die Wärme auf das Kältemittel – und den Rest kennst du schon. 

Eine Erdwärmepumpe hat den Vorteil, dass die Temperaturen im Erdreich das ganze Jahr über recht konstant sind und über den Lufttemperaturen im Winter liegen. Daher arbeitet eine Erdwärmepumpe effizienter und spart Kosten im Betrieb. Allerdings ist die Installation auch deutlich aufwendiger und teurer. 

Auch die Grundwasser-Wärmepumpe nutzt ein zweites Rohrsystem. Sie braucht aber keine Sole, sondern verwendet direkt das Grundwasser als Wärmeträger: Es wird durch einen Brunnen nach oben gepumpt, gibt Wärme an den Kältemittelkreislauf ab und fließt dann durch einen zweiten Brunnen wieder ab. 

Das Grundwasser hat ebenfalls ganzjährig eine recht konstante Temperatur, die sogar noch über den Temperaturen in der Erde liegt. Daher sind Grundwasser-Wärmepumpen im Betrieb am günstigsten – aber am aufwendigsten und teuersten in der Anschaffung. 

Viele moderne Wärmepumpen haben eine Funktion zum Kühlen. Am Betrieb ändert sich fast nichts – außer dass der Kältemittelkreislauf andersherum läuft – denk an den zuvor erwähnten Kühlschrank. Der Verdampfer und der Verflüssiger tauschen dabei die Rollen: So kann das Kältemittel aus deinem Haus Wärme aufnehmen und sie außen an Luft, Erde oder Wasser abgeben, damit es wieder flüssig wird.

Zwei kleine Einschränkungen gibt es dabei aber: 

1. Zum einen kann eine Wärmepumpe nicht so effizient kühlen wie eine speziell dafür ausgelegte Klimaanlage. Einige Grad, die im Sommer spürbare Erleichterung bringen, sind aber drin. 

2. Zum anderen brauchst du für den Betrieb der Kühlfunktion eine Fußbodenheizung. Heizkörper haben einfach nicht genug Fläche, um der Raumluft ausreichend Wärme zu entziehen. 
   

Diese aktive Art der Kühlung funktioniert mit allen drei Arten von Wärmepumpen. Erd- und Grundwasser-Wärmepumpen können außerdem zur passiven Kühlung genutzt werden. Der Verdichter arbeitet bei dieser Art der Kühlung nicht, weshalb die Wirkung geringer ausfällt – andererseits aber auch der Stromverbrauch.

Aus einer Einheit Strom machen Wärmepumpen zweieinhalb bis fünf Einheiten Wärme – das schaffen Heizungen auf Basis von Gas oder Öl nicht annähernd. Die Besonderheit liegt im Kältemittelkreislauf, der den größten Teil der benötigten Energie aus Luft, Erde oder Wasser gewinnt – also aus erneuerbaren Energien in ihrer besten Form. 

Mit selbst genutztem Strom aus einer Photovoltaik-Anlage und einem Stromspeicher kannst du noch nachhaltiger agieren und auch deine Stromrechnung noch weiter drücken. Aber selbst ohne diese Maßnahmen sind Wärmepumpen äußerst effizient und umweltfreundlich. Und dank der staatlichen Förderung unter Umständen nicht einmal teurer als konventionelle Heizungen. Du hast also nichts zu verlieren.