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

• Elektroheizung: 1 Einheit Strom hinein = 1 Einheit Wärme hinaus (viel ineffizienter als eine Wärmepumpe).

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 als Wärmeerzeuger dienen. 

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. Oft kommt hier ein moderner Scrollverdichter zum Einsatz. Durch die Kompression steigt der Druck auf das Kältemittel, und damit 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 Temperaturunterschied, desto höher der Stromverbrauch – und damit die Kosten im Betrieb (wobei Wärmepumpen grundsätzlich sehr sparsam sind).

Der Verflüssiger ist ein zweiter Wärmeübertrager und damit das Gegenstück zum Verdampfer: Hier gibt das Kältemittel die gespeicherte Heizwärme an den Heizwasserkreislauf ab. Das Kältemittel kühlt ab, die Temperaturen im Haus steigen. Die Wärme kann in einem Pufferspeicher oder einem Speicher speziell für Warmwasserbereitung 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 leicht. 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. 

Bei Luft-Wasser-Wärmepumpen stößt du oft auf zwei Begriffe: Monoblock und Split. Der Unterschied liegt im Aufbau.

Übrigens: Auch die Lautstärke ist längst kein Problem mehr! Moderne Luftwärmepumpen verfügen über einen "Silent Mode" und sind im Betrieb oft kaum lauter als ein Flüstern. Der richtige Standort, gewählt durch einen erfahrenen Fachbetrieb, sorgt zusätzlich für Ruhe.

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. 

Viele Hausbesitzende fürchten eine wochenlange Baustelle, doch der Wechsel auf eine Wärmepumpe geht meist schneller als gedacht. Da oft die bestehenden Heizungsrohre weitergenutzt werden können, dauert die reine installation durch einen Fachbetrieb und der Austausch des alten Heizkessels in der Regel nur 1 bis 3 Arbeitstage.

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.

Der große Vorteil der Erdwärme liegt in der Temperaturkonstanz: Ab einer Tiefe von etwa 10 Metern herrscht ganzjährig eine Temperatur von ca. 10 Grad Celsius. Die Temperaturdifferenz, die die Wärmepumpe überbrücken muss, ist also im Winter deutlich geringer als bei der Nutzung von Außenluft.

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 Grundwasserwärmepumpen im Betrieb am günstigsten – aber am aufwendigsten und teuersten in der Anschaffung. Eine Grundwasserwärmepumpe erfordert zudem fast immer eine behördliche Genehmigung. Bevor du eine Grundwasserwärmepumpe planst, ist eine Wasserprobe nötig.

Früher hieß es oft, Wärmepumpen seien nur etwas für Neubauten mit Fußbodenheizung. Das stimmt so nicht mehr. Die Technik hat sich rasant weiterentwickelt.

• Neubauten: Hier ist die Wärmepumpenheizung Standard. Durch gute Dämmung und oft installierte Wohnraumlüftung ist der Wärmebedarf gering, was die Effizienz maximiert.

• Bestandsgebäude & Altbauten: Auch hier lohnt sich der Umstieg. Wenn die Wärmepumpe Vorlauftemperaturen von 55 bis 70 Grad schafft, können oft sogar die alten Heizkörper bleiben. Wichtig ist eine genaue Berechnung der Heizlast durch einen Fachbetrieb.

Fachleute unterscheiden außerdem zwei Betriebsarten moderner Wärmepumpen:

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.

Man unterscheidet dabei zwei Methoden:

1. Active Cooling: Hier arbeitet der Verdichter aktiv, um dem Haus Wärme zu entziehen. Das ist effektiv, verbraucht aber Strom.

2. Natural Cooling (Passive Kühlung): Das ist die „Königsklasse“ der Effizienz, möglich bei Erd- und Grundwasser-Wärmepumpen. Hier bleibt der Verdichter aus. Nur die Umwälzpumpe läuft und nutzt die natürliche Kühle des Erdreichs.

Wichtig beim Kühlen ist der Taupunkt. Sensoren überwachen, dass der Fußboden nicht zu kalt wird, damit sich kein Kondenswasser bildet. Du bekommst also angenehme Frische, ohne feuchte Böden.

Keine Kosten für Brennstoffe – aber den Wärmepumpenstrom musst du bezahlen. Gut, dass der manchmal super günstig ist – etwa wenn viel Solarstrom aus deiner eigenen Solaranlage zur Verfügung steht oder die Nachfrage im Netz sehr gering ist. Mit einem dynamischen Stromtarif wie Dynamic Pulse von 1KOMMA5° sicherst du dir rekordniedrige Preise für Strom, bisweilen sogar 0 Cent pro Kilowattstunde (für den reinen Energiepreis, zzgl. Steuern und Abgaben). Eine intelligente Steuerung namens Heartbeat AI überwacht diesen Prozess vollautomatisch und holt das Optimum für dich heraus.

Wärmepumpen überzeugen durch ihre Funktionsweise: Sie nutzen Umweltenergie aus Luft, Erde oder Grundwasser und machen diese mit vergleichsweise wenig Strom für die Heizung nutzbar. Genau diese hohe Effizienz ist der Grund, warum der Staat den Einbau aktuell besonders stark fördert. Voraussetzung für eine Förderung ist, dass neue Heizungen die gesetzlichen Vorgaben erfüllen – darunter der 65-Prozent-Anteil erneuerbarer Energien im Betrieb.

Über die Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) wird der Einbau einer Wärmepumpe deshalb mit klar strukturierten Zuschüssen unterstützt:

• 30 % Grundförderung für jede förderfähige Wärmepumpe

• +20 % Klimageschwindigkeits-Bonus beim Austausch alter fossiler Heizungen

• +30 % Einkommens-Bonus für selbstnutzende Eigentümer mit bis zu 40.000 € zu versteuerndem Haushaltseinkommen

• +5 % Effizienz-Bonus für Wärmepumpen mit natürlichen Kältemitteln

In Summe sind bis zu 70 % Förderung möglich, begrenzt auf eine maximale förderfähige Investitionshöhe. Die Abwicklung erfolgt über das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) bzw. die KfW – wichtig ist, dass der Antrag vor Beginn der Maßnahme gestellt wird.

Wie gut deine geplante Wärmepumpe zur Effizienzanforderung passt und wie hoch deine konkrete Förderung ausfällt, ist individuell unterschiedlich.
Unser Rechner direkt im Anschluss zeigt dir schnell, welche Förderung du auf Basis deiner Situation erwarten kannst.

Oft werden Wärmepumpen mit anderen Systemen verwechselt. Eine Elektroheizung (z.B. Infrarot) wandelt Strom 1:1 in Wärme um – das ist teuer. Die Wärmepumpe macht aus 1 Teil Strom bis zu 5 Teile Wärme. Solarthermie hingegen erzeugt Wärme direkt durch Sonnenstrahlen auf Kollektoren. Solarthermie ist eine tolle Ergänzung, kann ein Haus im Winter aber meist nicht allein heizen. Anders als bei der Solarthermie nutzt die Wärmepumpe Strom, der auch von einer Photovoltaikanlage kommen kann. Eine Solarthermie-Anlage liefert "nur" warmes Wasser, während PV-Strom vielseitiger ist. Wenn du dich zwischen Solarthermie und PV entscheiden musst, ist PV mit Wärmepumpe meist die wirtschaftlichere Wahl. Dennoch gibt es Bestandsgebäude, in denen Solarthermie bereits vorhanden ist und weiter genutzt werden kann.

Der Vergleich zeigt deutlich: Solarthermie ist gut, Wärmepumpe plus PV ist besser. Übrigens: Manche Systeme kombinieren Wärmepumpe, Wohnraumlüftung und Solarthermie, das ist aber oft komplex und teuer in den Investitionskosten. Einfacher ist oft der Verzicht auf Solarthermie zugunsten einer größeren Solaranlage.

Beim Vergleich der Datenblätter stößt du auf den COP (Coefficient of Performance). Das ist ein Laborwert für die Leistungszahl unter Idealbedingungen. Realistischer ist die Jahresarbeitszahl (JAZ). Sie betrachtet die Effizienz über ein ganzes Jahr hinweg – inklusive aller warmen und kalten Tage sowie der Warmwasserbereitung. Die Jahresarbeitszahl ist entscheidend für deine tatsächlichen Stromkosten.

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.