Wärmepumpe: Funktion einfach erklärt

Energie aus der Umwelt effizient nutzen

Die Wärmepumpe gilt als Heizsystem der Zukunft. Sie ermöglicht es, Ihr Zuhause effizient, klimafreundlich und unabhängig von fossilen Brennstoffen zu beheizen. Doch wie funktioniert eine Wärmepumpe eigentlich genau? Und warum lohnt sich der Umstieg gerade jetzt?

Eine Wärmepumpe nutzt Energie, die bereits in der Umwelt vorhanden ist – aus der Luft, dem Boden oder dem Grundwasser. Diese Energiequellen sind kostenlos und stehen das ganze Jahr über zur Verfügung. Je nach Wärmequelle unterscheidet man zwischen Luft-Wasser-, Sole-Wasser- und Wasser-Wasser-Wärmepumpen.

Das Wichtigste in Kürze

• Wärme aus der Natur clever nutzen:
  Wärmepumpen gewinnen Energie aus natürlichen Quellen wie Luft, Erdreich oder Grundwasser. Über einen geschlossenen Kältemittelkreislauf wird diese Umweltwärme aufgenommen und für das Heizen oder Kühlen nutzbar gemacht.
• So funktioniert die Technik dahinter:
  Das Kältemittel wird verdichtet, wodurch sich seine Temperatur stark erhöht. Diese Wärme wird dann an das Heizsystem Ihres Hauses abgegeben. Nach der Abkühlung entspannt sich das Kältemittel wieder – der Kreislauf beginnt von vorn.
• Hohe Effizienz und Klimavorteile:
  Moderne Wärmepumpen erzeugen aus 1 Kilowattstunde Strom bis zu 4 Kilowattstunden Heizenergie. Das entspricht einer Jahresarbeitszahl (JAZ) von etwa 3 bis 5, je nach System und Standort. Im Vergleich zu einem Gaskessel können die CO₂-Emissionen um bis zu 60 % reduziert werden.

Wie ein Kühlschrank, nur umgekehrt

Die generelle Funktionsweise einer Wärmepumpe lässt sich vereinfacht mit der eines Kühlschranks beschreiben, nur umgekehrt. Ein Kühlschrank entzieht dem Innenraum Wärme und gibt sie an die Umwelt ab, um die Lebensmittel zu kühlen. Eine Wärmepumpe entzieht der Umweltquelle Wärme und gibt sie in die Innenräume Ihres Hauses ab, um zu heizen. Für eine genauere Erklärung können Sie den Joule-Thomson-Effekt näher betrachten. Dieses physikalische Prinzip liegt der Funktionsweise von beiden Geräten zugrunde und besagt, dass ein reales Gas sich bei einer Druckerhöhung (Kompression) erwärmt und umgekehrt bei Druckverminderung abkühlt. In der Wärmepumpe wird dieser Effekt genutzt, um das Kältemittel auf das gewünschte nutzbare Niveau anzuheben bzw. abzusenken.

Quelle Bildmaterial: © Vaillant GmbH

1. Verdampfung – Wärme aus der Umgebung aufnehmen

Im Verdampfer nimmt die Wärmepumpe Energie aus der Umwelt auf, je nach System aus Luft, Erde oder Grundwasser. Diese Wärme wird an das Kältemittel übertragen, das sich im Verdampfer befindet.

Das Kältemittel hat eine sehr niedrige Verdampfungstemperatur. Schon geringe Umgebungswärme reicht aus, damit es vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht. Während des Verdampfens bleibt die Temperatur stabil, das Kältemittel wird jedoch gasförmig und gelangt anschließend zum Verdichter.

2. Kompression – Druck sorgt für Heizwärme

Im Verdichter wird das gasförmige Kältemittel verdichtet. Dabei steigt der Druck und mit ihm die Temperatur des Gases. Die dafür nötige Energie liefert ein elektrisch betriebener Motor.

Dieser Schritt ist entscheidend, denn erst durch den Druckanstieg erreicht das Kältemittel die Temperatur, die nötig ist, um Ihr Heizsystem zu versorgen. Je größer die Temperaturdifferenz zwischen Umwelt und Heizkreislauf, desto mehr Strom muss der Verdichter aufwenden.

3. Kondensation – Wärme abgeben an das Heizsystem

Der nun heiße Dampf gelangt in den Verflüssiger (Kondensator). Dort gibt das Kältemittel seine Wärme an das Heizungswasser ab. Beim Abkühlen wird das Kältemittel wieder flüssig, ähnlich wie Wasserdampf, der an einer kalten Fensterscheibe kondensiert.

Damit keine Dampfblasen entstehen, wird das Kältemittel leicht unterkühlt, bevor es weiter zum nächsten Schritt, der Expansion, fließt.

4. Expansion – Zurück zum Ausgangspunkt

Nach der Wärmeabgabe muss das Kältemittel wieder auf ein niedrigeres Druck- und Temperaturniveau gebracht werden. Dafür sorgt das Expansionsventil.

Beim Durchlaufen des Ventils dehnt sich das Kältemittel aus, kühlt stark ab und erreicht wieder seinen ursprünglichen Zustand. Anschließend fließt es erneut in den Verdampfer und der Kreislauf beginnt von vorn.

Wie funktionieren die unterschiedlichen Bauarten der Wärmepumpe?

Die grundlegende Arbeitsweise einer Wärmepumpe ist bei allen Systemen gleich: Sie nutzt Energie aus der Umwelt und wandelt sie über einen Kältemittelkreislauf in Heizwärme um. Je nach Bauart wird dafür Luft, Erdreich oder Grundwasser als Energiequelle verwendet.

Luft/Wasser-Wärmepumpe

Die Luft/Wasser-Wärmepumpe ist die am häufigsten installierte Wärmepumpenart in Deutschland. Ein Ventilator im Außengerät saugt Luft an, entzieht ihr die gespeicherte Wärme und überträgt diese an das Kältemittel. Das Prinzip ist einfach, effektiv und erfordert keine aufwendigen Erdarbeiten.

Bei sehr niedrigen Temperaturen können elektrische Heizstäbe einspringen, um die gewünschte Raumwärme sicherzustellen. Außerdem verfügen moderne Geräte über eine automatische Entfrostungsfunktion, die Eisbildung am Verdampfer verhindert. Dadurch bleibt die Effizienz auch im Winter weitgehend stabil.

Luft/Wasser-Wärmepumpen eignen sich besonders für Einfamilienhäuser ohne große Grundstücksfläche. Sie sind leicht zu installieren, relativ günstig in der Anschaffung und können nahezu überall betrieben werden.

Sole/Wasser-Wärmepumpe (Erdwärmepumpe)

Die Sole/Wasser-Wärmepumpe nutzt die konstante Temperatur des Erdreichs. Bereits ab einer Tiefe von rund 10 Metern herrschen ganzjährig Temperaturen um 10 Grad Celsius – eine ideale Energiequelle für den Heizbetrieb.

Zur Nutzung dieser Wärme werden Erdsonden oder Flächenkollektoren verlegt. Vertikale Sonden reichen je nach Gebäudegröße 50 bis 100 Meter tief in den Boden, während Kollektoren flach auf etwa 1,5 Metern verlegt werden. Ein Wasser-Frostschutz-Gemisch transportiert die Erdwärme über Rohrleitungen zur Wärmepumpe.

Sole/Wasser-Systeme arbeiten sehr effizient und erreichen Jahresarbeitszahlen (JAZ) von 3,6 bis 5,2. Sie verursachen höhere Investitionskosten als Luftsysteme, amortisieren sich jedoch durch den geringen Stromverbrauch oft innerhalb weniger Jahre.

Wasser/Wasser-Wärmepumpe

Eine Wasser/Wasser-Wärmepumpe nutzt die konstante Wärme des Grundwassers, das auch im Winter selten unter 8 Grad fällt. Dazu werden zwei Brunnen gebohrt: Ein Förderbrunnen leitet das Grundwasser zur Wärmepumpe, wo die Wärme entzogen wird, anschließend gelangt das abgekühlte Wasser über den Schluckbrunnen wieder zurück ins Erdreich.

Dieses System ist äußerst effizient, erfordert aber eine behördliche Genehmigung und ist mit höheren Planungs- und Bohrkosten verbunden. Für Häuser mit geeignetem Grundstück und stabilen Grundwasserverhältnissen zählt sie zu den effizientesten Wärmepumpen überhaupt.

Brauchwasserwärmepumpe

Die Brauchwasserwärmepumpe dient ausschließlich der Warmwasserbereitung. Sie nutzt Raumluft, Außenluft oder Abluft einer Lüftungsanlage, um Warmwasser zu erzeugen. Damit entlastet sie das Heizsystem und spart zusätzliche Energie.

Kann eine Wärmepumpe im Sommer auch kühlen?

Eine moderne Wärmepumpe kann nicht nur heizen, sondern auch für angenehme Raumtemperaturen im Sommer sorgen. Voraussetzung ist, dass die Anlage reversibel arbeitet. Dabei wird der technische Prozess umgekehrt, sodass Wärme aus den Innenräumen nach außen abgeführt wird. Auf diese Weise entsteht eine natürliche Kühlwirkung, ohne dass ein separates Klimagerät erforderlich ist.

Grundsätzlich unterscheidet man zwei Arten der Kühlung mit Wärmepumpen: passive Kühlung und aktive Kühlung. Beide Methoden nutzen dasselbe Prinzip, unterscheiden sich jedoch in ihrer Arbeitsweise und im Energieverbrauch.

Passive Kühlung

Bei der passiven Kühlung wird die im Haus vorhandene Wärme über einen Wärmetauscher an die kühleren Erdschichten oder das Grundwasser abgegeben. Diese Variante funktioniert nur mit Sole/Wasser-Wärmepumpen oder Wasser/Wasser-Wärmepumpen. Der Verdichter bleibt ausgeschaltet, sodass lediglich die Umwälzpumpe in Betrieb ist. Das Ergebnis ist eine leichte, aber sehr energieeffiziente Abkühlung der Räume.

Mit passiver Kühlung lässt sich die Raumtemperatur typischerweise um etwa drei Grad Celsius senken. Sie arbeitet nahezu geräuschlos und verursacht kaum zusätzliche Stromkosten. Der Einbauaufwand ist gering, wenn die Wärmepumpe bereits für diese Funktion ausgelegt ist.

Aktive Kühlung

Bei der aktiven Kühlung wird der Kältekreislauf der Wärmepumpe umgekehrt. Die Anlage arbeitet dann ähnlich wie ein Kühlschrank und leitet Wärme gezielt nach außen ab. Diese Variante wird überwiegend bei Luft/Wasser-Wärmepumpen eingesetzt, da sie eine höhere Kühlleistung ermöglicht.

Der Vorteil besteht in der schnellen und gezielten Temperatursenkung. Selbst an sehr heißen Tagen kann so ein angenehmes Raumklima erreicht werden. Der Nachteil liegt im etwas höheren Stromverbrauch, da der Verdichter während des Kühlbetriebs aktiv ist.

Monovalent oder bivalent? Die zwei unterschiedlichen Betriebsarten einer Wärmepumpe

Neben den beiden Bauweisen gibt es bei Wärmepumpen auch zwei Betriebsarten. Die Auswahl hängt von der baulichen Situation vor Ort ab. Der monovale Betrieb bedeutet, dass die Wärmepumpe der einzige Wärmeerzeuger ist. Dies ist jedoch nur möglich, wenn das Gebäude einen optimalen energetischen Zustand aufweist. Je niedriger die erforderliche Vorlauftemperatur, desto energieeffizienter arbeitet die Wärmepumpe. Als praxisnahe Zielgröße empfiehlt das Umweltbundesamt eine System-Jahresarbeitszahl von 4,0; sie wird umso wahrscheinlicher, je geringer die notwendige Vorlauftemperatur im Bestand ausfällt. Im Gegensatz dazu wird von einer bivalenten Betriebsweise gesprochen, wenn die Wärmepumpe mit anderen Wärmeerzeugern wie einer Öl- oder Gasheizung kombiniert wird. Besonders in älteren Gebäuden, die nicht den neuesten energetischen Standards entsprechen, ist der bivalente Betrieb oft die richtige Wahl, da hier in der Regel höhere Vorlauftemperaturen benötigt werden.

Wie funktionieren Wärmepumpen mit Inverter-Technologie?

Wärmepumpen mit der Inverter-Technologie haben im Vergleich zu herkömmlichen Wärmepumpen einen entscheidenden Vorteil. Inverter-Wärmepumpen sind in der Lage modulierend zu arbeiten, also ihre Leistung an den aktuellen Wärmebedarf des Gebäudes anzupassen. Wärmepumpen ohne Inverter arbeiten immer unter Volllast, dabei bekommt das Haus dann oftmals zu viel Wärme und die Wärmepumpe gerät ins Takten. Sie schaltet häufig ein und aus, verliert an Effizienz und verschleißt schneller.

Der Inverter ermöglicht eine stufenlose Anpassung der Leistung an den Wärmebedarf. Er sorgt dafür, dass der Wechselstrom aus dem 50-Hertz-Netz in Gleichstrom umgewandelt wird. Im Anschluss erzeugt der Inverter dann Wechselstrom, dessen Frequenz zwischen 30 und 90 Hertz variiert. Die Höhe der Frequenz ist dabei entscheidend für die Drehzahl des Kompressors und somit für die Leistung der Wärmepumpe.

Die Vorteile einer Wärmepumpe mit Inverter-Technologie

• enegieeffizienter Betrieb
• niedrigere Energiekosten
• Die Wärmepumpe läuft nur wenig unter Volllast, dadurch wird eine höhere Lebensdauer sichergestellt
• kürzere Anlaufkurve der Wärmepumpe
• hohe Laufruhe der Wärmepumpe
• verbesserte Jahresarbeitszahl

Mehr dazu erfahren Sie in unserem Ratgeber zur Inverter Wärmepumpe.

Wie funktioniert die Wärmepumpe im Winter?

Auch bei Minusgraden entzieht die Wärmepumpe ihrer Umgebung (Außenluft, Erdreich oder Grundwasser) Wärme. Ein Kältemittel nimmt diese Wärme am Verdampfer auf, der Verdichter erhöht das Temperaturniveau, und der Kondensator überträgt die Wärme auf das Heizungswasser. Weil Außenluft im Winter kälter ist, sinkt die momentane Effizienz etwas – erd- und grundwassergekoppelte Systeme bleiben konstanter, da ihre Quellen nahe ~10 °C liegen.

Wärmepumpe Abtaufunktion – Was tun, wenn die Wärmepumpe vereist?

Bei niedrigen Temperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit kann es vorkommen, dass die Wärmepumpe vereist, insbesondere am Verdampfer der Außeneinheit. Eine leichte Eisschicht ist normal, doch wenn sich zu viel Eis bildet, kann dies die Effizienz beeinträchtigen.

Um das zu verhindern, verfügen moderne Wärmepumpen über eine automatische Abtaufunktion. Sie erkennt die Vereisung und aktiviert einen Abtauvorgang, meist durch eine Heißgasabtauung. Dabei wird der Kältekreislauf kurzfristig umgekehrt, sodass warme Energie das Eis schmilzt.

Wenn eine Wärmepumpe vereist und die Abtaufunktion nicht ausreicht, kann eine fehlerhafte Luftzirkulation, eine falsche Platzierung oder eine mangelnde Wartung die Ursache sein. In diesem Fall sollten Luftzufuhr, Filter und Drainage überprüft werden, um eine einwandfreie Funktion sicherzustellen.

In der Praxis zeigen Messungen, dass moderne Systeme auch im Bestand zuverlässig arbeiten: Feldtests des Fraunhofer ISE ermittelten Jahresarbeitszahlen um 3,3 für Luft/Wasser-Wärmepumpen (Sole/Wasser teils höher). Je niedriger die nötige Vorlauftemperatur, desto besser fällt die Effizienz aus.

Bei sehr tiefen Temperaturen unterstützt – je nach Auslegung – ein integrierter elektrischer Heizstab; das stellt die Wärmeversorgung sicher, beeinflusst aber kurzfristig die Effizienz. Eine gute Auslegung (hydraulischer Abgleich, passende Heizflächen, witterungsgeführte Heizkurve) minimiert diesen Bedarf.

Experte Marko Gürtler

"Die Funktion einer Wärmepumpe basiert auf einem cleveren Zusammenspiel verschiedener physikalischer Prozesse: Verdampfung, Kompression, Kondensation und Expansion. Ein optimal abgestimmter Verdichter sorgt dafür, dass der Druck und die Temperatur des Kältemittels genau die richtigen Werte erreichen, um effizient zu heizen. Achten Sie daher bei der Auswahl Ihrer Wärmepumpe auf einen hochwertigen Verdichter und eine präzise Steuerungstechnik, um die bestmögliche Effizienz zu erzielen. "

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Über unseren Experten

Marko Gürtler ist Heizungsbaumeister und seit 2006 Teil des UNIDOMO-Teams. Als Experte für regenerative Energien berät er Bauherren, Sanierer und Eigentümer rund um moderne Heizlösungen wie Wärmepumpen, Hybridanlagen und Festbrennstoffsysteme.

Seine Erfahrung aus über 20 Jahren SHK-Praxis und hunderten Projekten fließt in jeden Ratgeber, jede Empfehlung und jede Beratung mit ein. Besonders wichtig ist ihm: individuelle Planung, ehrliche Kommunikation und wirtschaftlich sinnvolle Lösungen für jedes Zuhause.