Wärmepumpe: Funktion einfach erklärt

Eine Wärmepumpe holt Wärme aus der Außenluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser und bringt sie mit Hilfe von Strom auf die Temperatur, die Ihre Heizung braucht. Das passiert in einem geschlossenen Kreislauf mit einem Kältemittel, das vier Schritte durchläuft: Verdampfen, Verdichten, Verflüssigen und Entspannen. Aus 1 kWh Strom entstehen so im Jahresmittel etwa 3 bis 4,5 kWh Wärme.

In diesem Ratgeber erfahren Sie, wie der Kreislauf genau funktioniert, welche Bauteile eine Wärmepumpe hat, wie sich Luft-, Erd- und Grundwasser-Wärmepumpen unterscheiden und was im Winter passiert.

Das Wichtigste auf einen Blick

• Prinzip: wie ein Kühlschrank, nur umgekehrt. Die Wärmepumpe entzieht der Umgebung Wärme und gibt sie an das Heizungswasser ab.
• Kreislauf: Verdampfer, Verdichter, Verflüssiger und Expansionsventil bringen das Kältemittel immer wieder auf die nötigen Temperaturen.
• Effizienz: Den größten Teil der Wärme liefert die Umwelt. Strom braucht vor allem der Verdichter.
• Größter Hebel: eine niedrige Vorlauftemperatur. Je weniger die Wärmepumpe die Temperatur anheben muss, desto weniger Strom braucht sie.

Wie funktioniert eine Wärmepumpe? Das Prinzip einfach erklärt

Eine Wärmepumpe funktioniert wie ein Kühlschrank, nur umgekehrt. Der Kühlschrank entzieht seinem Innenraum Wärme und gibt sie über die Rückwand an die Küche ab. Die Wärmepumpe entzieht der Außenluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser Wärme und gibt sie an das Heizungswasser in Ihrem Haus ab.

Das klappt auch dann, wenn es draußen kalt ist. Selbst Luft mit −10 °C enthält noch Wärmeenergie. Die Wärmepumpe kann sie nutzen, weil ihr Kältemittel noch deutlich kälter ist als die Wärmequelle. Strom braucht sie vor allem, um diese Wärme anschließend auf Heiztemperatur zu bringen.

Wie viel Wärme eine Wärmepumpe aus einer Kilowattstunde Strom macht, beschreibt die Jahresarbeitszahl. Was sie aussagt und wie Sie sie verbessern, lesen Sie im Ratgeber JAZ Wärmepumpe.

Der Wärmepumpenkreislauf in vier Schritten

Im Inneren jeder Wärmepumpe zirkuliert ein Kältemittel in einem geschlossenen Kreislauf. Es wechselt dabei ständig zwischen flüssig und gasförmig. Beim Verdampfen nimmt es Wärme auf, beim Verflüssigen gibt es sie wieder ab.

1. Was macht der Verdampfer einer Wärmepumpe?

Der Verdampfer ist ein Wärmeübertrager, an dem das Kältemittel Wärme aus der Umwelt aufnimmt. Bei einer Luft-Wasser-Wärmepumpe sitzt er im Außengerät: Die Lamellen, an denen der Ventilator die Außenluft vorbeiführt, gehören zum Verdampfer. Bei einer Erdwärmepumpe nimmt er die Wärme aus der Sole auf, bei einer Grundwasser-Wärmepumpe aus dem Brunnenwasser.

Dass das funktioniert, liegt am Kältemittel. Es siedet schon bei sehr niedrigen Temperaturen. Das häufig eingesetzte Propan (R290) verdampft bei normalem Luftdruck zum Beispiel schon bei rund −42 °C. Im Verdampfer ist das Kältemittel deshalb kälter als die Wärmequelle, nimmt Wärme auf und wird gasförmig.

2. Verdichter: Hier entsteht die Heiztemperatur

Der Verdichter saugt das gasförmige Kältemittel an und presst es zusammen. Dabei steigen Druck und Temperatur stark an, so wie sich eine Fahrradpumpe beim Aufpumpen erwärmt. Erst dadurch ist das Kältemittel heiß genug, um das Heizungswasser zu erwärmen.

Der Verdichter ist der größte Stromverbraucher der Wärmepumpe. Wie viel Strom er braucht, hängt vor allem davon ab, wie weit er die Temperatur anheben muss: von der Wärmequelle bis zur Vorlauftemperatur der Heizung. Je kleiner dieser Abstand, desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe. Warum das so wichtig ist, erklärt der Ratgeber Wärmepumpe Vorlauftemperatur.

3. Verflüssiger: Die Wärme geht ins Heizungswasser

Im Verflüssiger, auch Kondensator genannt, trifft das heiße Gas auf das kühlere Heizungswasser. Es gibt seine Wärme ab und wird dabei wieder flüssig, ähnlich wie Wasserdampf an einer kalten Fensterscheibe. Das erwärmte Wasser fließt zu Fußbodenheizung, Heizkörpern oder in den Warmwasserspeicher.

4. Expansionsventil: Zurück zum Anfang

Das noch warme, flüssige Kältemittel steht unter hohem Druck. Im Expansionsventil wird es auf niedrigen Druck entspannt. Dabei kühlt es stark ab, bis es wieder kälter ist als die Wärmequelle. Danach fließt es zurück in den Verdampfer, und der Kreislauf beginnt von vorn. Das Ganze läuft ohne Unterbrechung und vollautomatisch ab.

Aufbau: Aus welchen Bauteilen besteht eine Wärmepumpe?

Neben den vier Bauteilen des Kältekreises gehören zu einer kompletten Wärmepumpenheizung weitere Komponenten. Welche davon in Ihrem Gerät stecken, hängt von Hersteller und Bauart ab.

Welche Kältemittel heute eingesetzt werden und warum natürliche Kältemittel an Bedeutung gewinnen, lesen Sie im Ratgeber Kältemittel Wärmepumpe.

Monoblock oder Split: Wo sitzt der Kältekreis?

Bei einer Monoblock-Wärmepumpe sitzt der komplette Kältekreis in einem Gerät, meist im Außengerät. Ins Haus führen nur Leitungen mit Heizungswasser. Bei einer Split-Wärmepumpe ist der Kältekreis auf ein Außen- und ein Innengerät aufgeteilt, die über Kältemittelleitungen verbunden sind. Diese Leitungen darf nur ein Fachbetrieb mit Sachkundenachweis für Kältemittel anschließen.

Monoblock: Kältekreis komplett im Außengerät, ins Haus fließt Heizungswasser.

Split: Kältekreis auf Außen- und Innengerät verteilt, verbunden über Kältemittelleitungen.

Quelle Bildmaterial: © Vaillant GmbH

Vor- und Nachteile beider Bauweisen, auch beim Frostschutz und bei der Installation, vergleicht der Ratgeber Monoblock vs. Split.

Monovalent, monoenergetisch oder bivalent: Die Betriebsarten

Die Betriebsart beschreibt, ob die Wärmepumpe das Haus allein beheizt oder Unterstützung bekommt.

Die Außentemperatur, ab der die Zusatzheizung einspringt, heißt Bivalenzpunkt. Liegt er richtig, läuft der Heizstab oder Kessel nur an wenigen Tagen im Jahr.

Inverter-Technik: Wie die Wärmepumpe ihre Leistung anpasst

Ältere Wärmepumpen kennen nur zwei Zustände: an mit voller Leistung oder aus. Moderne Geräte haben einen Inverter, der die Drehzahl des Verdichters stufenlos regelt. So liefert die Wärmepumpe an milden Tagen wenig und an kalten Tagen viel Leistung. Sie läuft dadurch länger am Stück, startet seltener und arbeitet effizienter. Mehr dazu im Ratgeber Inverter-Wärmepumpe. Was passiert, wenn eine Wärmepumpe trotzdem zu oft startet, erklärt der Ratgeber Wärmepumpe taktet.

Wie funktioniert eine Wärmepumpe im Winter?

Eine Wärmepumpe heizt auch bei Frost zuverlässig. Viele aktuelle Luft-Wasser-Wärmepumpen arbeiten laut Herstellerangaben bis etwa −20 °C, manche bis −25 °C. Je kälter die Außenluft, desto größer wird allerdings der Abstand zur Vorlauftemperatur. Der Verdichter muss mehr arbeiten, und die Effizienz sinkt. Erd- und Grundwasser-Wärmepumpen sind davon kaum betroffen, weil ihre Wärmequelle auch im Winter rund 10 °C warm bleibt.

Im Winter kommen zwei Dinge hinzu:

• Abtauen: Bei Temperaturen um den Gefrierpunkt bildet sich Reif am Verdampfer. Die Wärmepumpe kehrt dann über das Vier-Wege-Ventil kurz ihren Kreislauf um und taut ihn mit Wärme aus dem Heizungswasser ab. Alles dazu im Ratgeber Wärmepumpe vereist.
• Zusatzheizung: Unterhalb des Bivalenzpunkts springt je nach Auslegung der Heizstab oder ein zweiter Wärmeerzeuger ein.

Wie viel Strom die Wärmepumpe an kalten Tagen braucht, zeigt der Ratgeber Wärmepumpe Stromverbrauch.

Kann eine Wärmepumpe auch kühlen?

Ja, viele Wärmepumpen können im Sommer auch kühlen. Dafür gibt es zwei Wege:

Am besten eignet sich eine Fußbodenheizung, weil sie eine große Fläche zum Kühlen bietet. Worauf Sie achten müssen, damit sich kein Kondenswasser bildet, lesen Sie im Ratgeber Wärmepumpe kühlen.

Fazit

Eine Wärmepumpe verbrennt nichts, sondern verschiebt Wärme: Sie nimmt sie mit einem kalten Kältemittel aus der Umwelt auf, bringt sie mit dem Verdichter auf Heiztemperatur und gibt sie an das Heizungswasser ab. Den größten Teil der Energie liefert die Umwelt kostenlos. Wie effizient das im Alltag gelingt, hängt vor allem von der Wärmequelle und der Vorlauftemperatur ab. Alle weiteren Themen finden Sie in unserem Wärmepumpen-Ratgeber, passende Geräte im UNIDOMO Shop.

Praxis-Tipp von Marko Gürtler: Die Technik im Kältekreis ist bei allen namhaften Herstellern ausgereift. Über die Effizienz entscheidet im Alltag vor allem, wie weit die Wärmepumpe die Temperatur anheben muss. Planen Sie deshalb Heizflächen und Vorlauftemperatur genauso sorgfältig wie die Wahl des Geräts und achten Sie auf eine gute, witterungsgeführte Regelung.

Jetzt kostenlose Wärmepumpen-Beratung anfragen · Mehr über unsere Experten bei UNIDOMO