Grundlagen: Alles, was ihr zur Wärmepumpe wissen müsst – Aufbau, Funktionsweise, Einsatz, Effizienz

Was ist eine Wärmepumpe? Welche Wärmequelle nutzt eine Wärmepumpe? Wie ist eine Wärmepumpe aufgebaut? Wie funktioniert eine Wärmepumpe? Welche Wärmepumpen-Typen gibt es und wie unterscheiden sie sich? Was kostet eine Wärmepumpe? Diese und noch mehr Fragen beantworten wir euch in diesem Grundlagen-Artikel.

Was ist eine Wärmepumpe? (einfache Begriffserklärung, Definition)

Eine Wärmepumpe ist eine Heizung, denn sie erzeugt Wärme. Wärme, die ihr

• zum Beheizen von Räumen
• und zum Erwärmen von Brauchwasser (Warmwasser) benutzen könnt, das ihr in Küche und Bad verbraucht.

Ist eine Wärmepumpe eine Heizung mit Zukunft?

Weil die Wärmequellen, die die Wärmepumpe anzapft, erneuerbar sind, ist auch das Produkt – die Wärme – erneuerbar. Und weil eine Wärmepumpe erneuerbare Wärme erzeugt, gilt sie auch als erneuerbare Heizung.

Dank ihrer Funktionsweise zählt die Wärmepumpen-Heizungstechnik sogar zu den umweltschonendsten Methoden, um Raumwärme zu erzeugen und warmes Wasser bereitzustellen. Sie emittiert im Vergleich zu fossilen Heizungen weniger klimaschädliche Treibhausgase wie CO₂. Zudem trägt sie dazu bei, den Energieverbrauch für die Wärmeerzeugung zu senken.

Welche Wärmequelle(n) nutzt eine Wärmepumpe?

Eine Wärmepumpe entzieht der Umwelt (auch Umgebung genannt) Wärme. Ihre Wärmequelle ist demnach die Umwelt. Umweltwärme ist Sonnenenergie, die in der Umwelt gespeichert wird: in der Luft, im Wasser, im Boden.

Welche Wärmepumpen-Typen gibt es und wie unterscheiden sie sich?

Je nach Wärmequelle – Luft, Wasser, Erdreich – unterscheidet man Wärmepumpen in

• Luftwärmepumpen,
• Wasserwärmepumpen
• und Erdwärmepumpen.

Alternativ werden Wärmepumpen so bezeichnet, dass man aus der Typenbezeichnung sowohl die Wärmequelle als auch das zu erwärmende Wärmemedium, beispielsweise Heizwasser oder Heizluft, ablesen kann. Eine Luftwärmepumpe, die Heizwasser erwärmt, heißt demnach Luft-Wasser-Wärmepumpe. Bei der Erdwärmepumpe gibt es bezeichnungstechnisch noch eine Besonderheit: Die wird dann nicht Erd-Wasser-Wärmepumpe, sondern Sole-Wasser-Wärmepumpe genannt.

Wie ist eine Wärmepumpe aufgebaut und wie funktioniert sie?

Seid ihr euch dessen bewusst, dass ihr bereits eine Art Wärmepumpe im Haus habt, auch wenn ihr damit nicht heizt?

Eine Wärmepumpe funktioniert nämlich wie ein Kühlschrank – indem sie dessen Funktionsprinzip umkehrt: Der Kältemittelkreislauf eures Kühlschranks entzieht dem Kühlraum Wärme und gibt diese an die Umgebung ab. Bei einer Wärmepumpe ist das genau andersrum: Sie zieht der Umgebung Wärme ab und macht diese nutzbar.

Gut zu wissen: Es gibt Wärmepumpen, die so ausgerüstet sind, dass sie eure Räume auch kühlen, wenn es darin im Sommer zu warm ist. Sie dienen dann als alternative Klimaanlage. Wie das geht, erklären wir euch weiter unten (siehe Frage: Können Wärmepumpen auch als Klimaanlage laufen?)

Aufbau der Wärmepumpe

Eine Wärmepumpen-Heizung besteht aus drei wesentlichen technischen Komponenten:

1. Wärmequellenanlage
2. Wärmepumpe
3. Wärmeverteil- und Speichersystem

Was ist die sogenannte Wärmequellenanlage und was macht sie?

Die Wärmequellenanlage nimmt Wärme aus der Umwelt auf, zum Beispiel aus der Luft, der Erde oder dem Grundwasser. Je nach Wärmepumpentyp unterscheidet sich die Art der Wärmeaufnahme:

• Bei der Luft-Wasser-Wärmepumpe (sogenannte Luftwärmepumpe) saugt ein strombetriebener Ventilator die Umgebungswärme aus der Luft an. Mehr zu unseren beiden Paradigma Wärmepumpen (Luft-Wasser-Wärmepumpen) erfahrt ihr hier.

• Bei der Sole-Wasser-Wärmepumpe (sogenannte Erdwärmepumpe) nehmen senkrecht oder schräg in die Erde eingebrachte Erdsonden die Wärme aus tieferen Erdschichten (50 bis 100 Meter)oder Erdkollektoren aus oberflächennahen Erdschichten (unterhalb der Bodenfrostgrenze (0,5 bis 1,5 Meter) auf.
• Bei der Wasser-Wasser-Wärmepumpe (sogenannte Wasserwärmepumpe) braucht es zwei Brunnen: einerseits den Saugbrunnen, der auch Grundwasserbrunnen oder Förderbrunnen genannt wird, und andererseits den Schluck- oder Sickerbrunnen, der auch Ablassbrunnen genannt wird. Das Grundwasser wird über den Saugbrunnen aus dem Erdreich angesaugt und später über den Schluckbrunnen wieder dorthin zurückgeführt.

Was ist die eigentliche Wärmepumpe und wie funktioniert sie?

In der Wärmepumpe sitzen die drei Bauteile mit V:

• Verdampfer
• Verdichter
• Verflüssiger

Diese drei Bauteile der Wärmepumpe machen die Wärme nutzbar. Mit Hilfe von Strom als Antriebsenergie wandeln sie die aufgenommene Wärme in Heizwärme um. Das geht so: Die aufgenommene Wärme wird mit Hilfe eines Wärmetauschers auf ein Kältemittel übertragen. Das besitzt einen sehr niedrigen Siedepunkt und verdampft bei diesem Vorgang. Der Dampf, der sich bildet, wird vom Verdichter komprimiert. Dabei erhöht sich die Temperatur des Dampfes auf ein Niveau, das zum Heizen und Warmwassererwärmen geeignet ist. Der Grund für die Temperaturerhöhung ist der sogenannte Joule-Thompson-Effekt. Demzufolge erwärmt sich ein reales Gas infolge einer Druckerhöhung (Kompression) und kühlt sich umgekehrt bei Druckverminderung ab. Das somit erhitzte Kältemittel gibt die in ihm enthaltene Wärme anschließend an den Heizkreislauf ab.

Exkurs: Was ist ein Kältemittel?

Ein Kältemittel ist eine Flüssigkeit, die bei niedrigem Druck und niedriger Temperatur Wärme aufzunehmen und bei hohem Druck und hoher Temperatur wieder abzugeben vermag. 

• Kältemittel ist kein Kühlmittel

Ein Kühlmittel kann das nicht. Es vermag lediglich Wärme von einem Gegenstand abzutransportieren (also aufzunehmen), wenn die Umgebung kühler als dieser Gegenstand ist. 

• Welche Kältemittel gibt es und wie unterscheiden sie sich?

Das Portal Klimaworld.com unterscheidet folgende marktübliche Kältemittel:

• FKW/HFKW: Sogenannte teilfluorierte Kohlenwasserstoffe seien demnach am weitesten verbreitet. Aber: Ihr Erderwärmungspotenzial (sogenannter GWP-Wert, „Global Warming Potential“) sei hoch. Zudem seien sie schwer zu entsorgen. Deshalb habe die internationale Staatengemeinschaft bereits im Jahr 2016 beschlossen, die HFKW-Kältemittel langsam und schrittweise aus dem Markt zu nehmen.
• PFAS: Sogenannte per- und polyfluorierte Chemikalien würden demnach nicht nur in synthetischen Kältemitteln für Wärmepumpen stecken, sondern auch in alltäglichen Dingen wie Kleidung und Kosmetika. Sie beeinträchtigen die Umwelt sehr und können auch unserer Gesundheit schaden. Laut Klimaworld.com arbeite man deshalb mit Hochdruck an einem Umstieg auf umweltfreundliche Alternativen.
• HFO: Das sei die neuste Generation synthetischer Kältemittel. Sie schade der Ozonschicht nicht und habe nur ein niedriges GWP.
• R290: Das sei ein natürliches Kältemittel (Propan). Es gelte als zukunftssicherer Ersatz für die bisher verwendeten synthetischen Kältemittel.

• NH₃ oder CO₂: Neben R290 seien auch die Verbindungen Ammoniak (NH₃) und Kohlendioxid (CO₂) gute natürliche Alternativen zu synthetischen, umweltschädlichen Kältemitteln. Sie würden sich Klimaworld.com zufolge jedoch nur selten zum Einsatz im Privatbereich eignen.

Wichtig: Das Kältemittel, mit dem eine Wärmepumpe arbeitet, bestimmt auch die Höhe der staatlichen Förderung für Wärmepumpen, mit der ihr aktuell rechnen könnt. Alles zum Effizienzbonus erfahrt ihr in unserem Beitrag „Förderung für Wärmepumpen 2024: Mit diesen Fördergeldern könnt ihr rechnen!“

Was ist das Wärmeverteil- und Speichersystem und wie funktioniert es?

Über das Wärmeverteilsystem wird die Wärme im Gebäude verteilt, zum Beispiel über Flächenheizungen wie Wand- oder Fußbodenheizungen, oder über herkömmliche Heizkörper.

Ein Wärmespeicher kann Wärme aufnehmen, die gerade nicht gebraucht wird, und zu einem späteren Zeitpunkt, also zeitversetzt, liefern.

Die grundsätzliche Funktionsweise von Wärmepumpen umfasst demnach 5 Schritte:

• Schritt 1: Die Umweltwärme wird der Umwelt entnommen.
• Schritt 2: Die Umweltwärme erwärmt das Kältemittel mittels eines Wärmetauschers. Das Kältemittel verdampft dabei im Verdampfer.
• Schritt 3: Ein strombetriebener Kompressor verdichtet das inzwischen gasförmige Kältemittel im Verdichter. Der Dampf erhitzt sich beim Verdichten.
• Schritt 4: Der dann heiße, unter Druck stehende Kältemitteldampf strömt in den Verflüssiger der Wärmepumpe. Dort gibt er seine Wärme mithilfe eines weiteren Wärmetauschers an das Heizwasser ab. Dabei kondensiert er – und er steht noch unter Druck.
• Schritt 5: Das dann wieder flüssige Kältemittel fließt durch ein sogenanntes Entspannungsventil. Dabei reduziert sich der Druck. Das Kältemittel kühlt sich auf seine ursprüngliche ab. Der Kreislauf kann von Neuem starten.

Am Heizen mit der Wärmepumpe sind drei Kreisläufe beteiligt: Im Innern der Wärmepumpe sind zwei davon:

1. Kreislauf in der Wärmepumpe

Hier zirkuliert permanent eine Flüssigkeit, in der Regel eine sogenannte Sole, also mit einem Frostschutz versehenes Wasser. Je nach Wärmepumpentyp wird die Wärme der Wärmequelle (Erdreich, Wasser, Luft) an diese Sole abgegeben, die in einer Leitung durch die Wärmequelle fließt. Über die Sole wird diese Wärme in die Wärmepumpe geführt.

2. Kreislauf in der Wärmepumpe

Im zweiten Kreislauf befinden sich ein Kältemittel und ein Wärmetauscher. Im Wärmetauscher (Bauteil: Verdampfer) wird die Umgebungsenergie aus dem ersten Kreislauf auf das Kältemittel übertragen. Dieses Kältemittel verdampft aufgrund von Temperaturunterschieden im Inneren. Das verdampfte Kältemittel wird dann an den Verdichter (Kompressor) weitergeleitet.  Anschließend wird das Kältemittel durch eine sogenannte Drossel geleitet, so dass der Druck des Kältemittels sinkt, es sich infolgedessen „entspannt“. Das wieder verflüssigte Kältemittel wird schließlich zum Verdampfer zurückgeführt.

Ein dritter Kreislauf befindet sich in eurem Gebäude:

3. Kreislauf im Gebäude (Heizkreis)

Im Heizkreis eures Gebäudes zirkuliert das Heizmedium, meist Wasser. Das Heizwasser nimmt die Wärme auf, die das Kältemittel im Verflüssiger abgibt. Über das erwärmte Heizwasser wird die Wärme an die Heizkörper verteilt.

Die Frage, die sich als Nächstes stellt:

Läuft eine Wärmepumpe im Winter, mit kälterer Umgebung, genauso?

Die Antwort auf diese Frage lautet: ja. Eine Wärmepumpe funktioniert auch bei kalten Wintertemperaturen zuverlässig. Denn selbst bei Frost, Schnee und Eis ist es im Erdreich, die Erdsonden, Erdkollektoren oder Brunnenlöcher sind, meist warm. Die Temperaturen unter der Erdoberfläche liegen üblicherweise über dem Nullpunkt. Das heißt: Wärmepumpen, die das Erdreich oder das Grundwasser als Wärmequelle anzapfen, funktionieren auch winters reibungslos.

Und selbst eine Luft-Wärmepumpe findet bei beispielsweise minus 20 Grad Celsius (°C) Außentemperatur noch genügend Wärmeenergie in der Luft, um das Kältemittel in der Wärmepumpe aufzuwärmen – vorausgesetzt, die Wärmepumpe ist passend für den Wärmebedarf von Alt- oder Neubau ausgelegt (dimensioniert). Moderne Luft-Wärmepumpen haben oft einen extra Heizstab, der automatisch dazugeschaltet wird, wenn es draußen besonders kalt ist.

Können Wärmepumpen auch als Klimaanlage laufen?

Im Sommer ist das Erdreich kühler als die Temperatur in euren Räumen. Ihr könnt technisch geeignete Erd- oder Grundwasser-Wärmepumpen dann zum Kühlen nutzen.

Aber: Wollt ihr eine Wärmepumpe nicht nur zum Erwärmen eurer Räume einsetzen, sondern auch zum Kühlen, müsst ihr schon beim Wärmepumpenkaufen darauf achten, dass euer Wunschmodell auch kühlen kann. Oder eine entsprechende Kühlungsfunktion zumindest nachrüstbar ist. Wichtig ist zudem, dass euer Wärmeverteilungssystem sich auch zum Kühlen eignet. Hierfür gilt: Gut lässt es sich mit Wärmepumpen kühlen, wenn ihr Flächenheizungen installiert habt, schreibt die Verbraucherzentrale online. Außerdem sollte das Gebäude bereits gut gedämmt sein.

Die Wärme, die ihr euren Räumen beim passiven Kühlen mit der Wärmepumpe entzieht, wird entweder an die Umgebung abgegeben oder in einem reversiblen Prozess zur Bereitstellung von Warmwasser (Brauchwassererwärmung) verwendet. Das passive Kühlen mit Wärmepumpe verbraucht weniger Energie, da nur die Pumpe läuft und die anderen Anlagenteile ausgeschaltet bleiben können. Es ist somit günstiger als das Kühlen mit Klimaanlage.

Was kostet eine Wärmepumpe?

Die Wärmepumpenpreise 2024 hängen von der Technik und Leistung der Wärmepumpe ab. Wir können euch daher an dieser Stelle nur Richtwerte zur Orientierung nennen. Marktüblich sind Preise für Erdwärmepumpen inklusive der zugehörigen Erdsonde von etwa 31.000 Euro oder inklusive der zugehörigen Erdkollektoren von etwa 25.000 Euro.

Aber: Ihr könnt euch die Investition in eine Wärmepumpe mit Geldern aus staatlichen Töpfen fördern lassen. Mit welchen Fördersummen ihr aktuell rechnen könnt, lest ihr ausführlich in unserem Beitrag hier auf dem Solarthermie-Blog. Spoiler: Der Staat fördert die oben beispielhaft genannten Wärmepumpenpreise 2024 zu mehr als die Hälfte!

Wie viel Wartung braucht eine Wärmepumpe?

Moderne Wärmepumpen brauchen kaum Wartung. Ratsam ist eine jährliche Wartung.

Wie effizient arbeitet eine Wärmepumpe?

Die Effizienz einer Wärmepumpe als Heizung lässt sich daran ablesen, wie viel Energie sie verbraucht, um aus der Umweltwärme (eingesetzte Energie) nutzbare Wärme (erzeugte Energie) zu machen.

Beim Vergleich der Effizienz von Wärmepumpen ist zu berücksichtigen, dass diese unterschiedlich aufgebaut sind und unterschiedlich funktionieren. Deshalb ermittelt man die Effizienz von Wärmepumpen unter Normbedingungen im Labor. Sie wird mit dem sogenannten COP-Wert („Coefficient of Performance“, auf Deutsch: „Leistungskoeffizient“ oder einfach „Leistungszahl“) angegeben.

Aus dem COP-Wert der Wärmepumpe lässt sich also ablesen, wie hoch der Energiegewinn verglichen mit dem Energieeinsatz ist. Der Bundesverband Wärmepumpe (BWP) e.V. erklärt, dass moderne Wärmepumpen unter genormten Prüfbedingungen auf COP-Werte von 4 bis 5 kommen. Das heißt: Aus der eingesetzten Energie wird ein Vier- bis Fünffaches an nutzbarer Wärme erzeugt.

Was sagt die JAZ über eine Wärmepumpe aus?

Die sogenannte Jahresarbeitszahl (JAZ) ist eine weitere wichtige Kennziffer zur Effizienzbestimmung einer Wärmepumpe. Sie ist auch bedeutend für die Förderung. 

Um die JAZ einer Wärmepumpe zu errechnen, muss die erzeugte Wärmemenge durch die dafür eingesetzte Strommenge geteilt werden.

Es gilt: Je höher die JAZ der Wärmepumpe ist, desto geringere Heizkosten fallen an.

Anders als der COP-Wert der Wärmepumpe wird die JAZ unter realen Bedingungen über die Laufzeit von einem Jahr gemessen. Dabei ist die Funktionsweise der Wärmepumpe ebenso bedeutsam wie die Effizienz des gesamten Heizsystems und des Gebäudes sowie das individuelle Nutzerverhalten. Deshalb wird die sogenannte Praxis-JAZ nicht vom Hersteller angegeben, sondern lässt sich erst nach der Installation berechnen.

Fotos und Grafiken: Paradigma (Titelbild und Wärmepumpen), Grafiken: BWP (Bundesverband Wärmepumpen e.V.)