Wärmepumpe: die Funktion einfach und anschaulich erklärt

Wärmepumpen haben in den letzten Jahren deutlich an Bedeutung gewonnen. In rund der Hälfte der Neubauten werden mittlerweile Wärmepumpen verbaut – mit steigender Tendenz! Dennoch fragen sich nach wie vor viele Interessenten: „Wärmepumpe – wie funktioniert das?“ Kleiner Spoiler: Die Technik ist keinesfalls kompliziert – zumindest, wenn man einmal das Prinzip verstanden hat.

In diesem Artikel erklären wir die grundlegende Funktionsweise und den Aufbau einer Wärmepumpe. Darüber hinaus gehen wir auch noch auf die ► unterschiedlichen Wärmequellen und die mögliche ► Kombination mit einer Photovoltaik-Technik sowie der Nutzung der Wärmepumpe als ► „Klimaanlage“ ein. ► Mit kurzem Erklärvideo

1. Was macht eine Wärmepumpe?

Mit einer Wärmepumpe ist es möglich, Wärmeenergie aus einer Wärmequelle der Umwelt zu entziehen. Dabei kann Energie beispielsweise aus dem Erdreich, dem Grundwasser oder auch aus der Luft generiert werden.

Das umgekehrte Prinzip vom Kühlschrank, der seinem Innenraum Wärme entzieht und an die Umwelt abgibt.

Die Funktion gleicht dabei in etwa der eines Kühlschranks. Allerdings mit dem entscheidenden Unterschied, dass die Wärmepumpe im Gegensatz dazu nicht Kälte, sondern Wärme erzeugt. Die in der Umweltquelle enthaltene Wärme wird dazu genutzt ein Kältemittel zum Verdampfen zu bringen. In diesem Kreislauf entzieht die Wärmepumpe der Umwelt Energie und nutzt diese zum Erwärmen der Immobilie.

Die in der Umweltquelle enthaltene Wärme wird dazu genutzt, um ein Kältemittel zu erwärmen.

2. Aufbau einer Wärmepumpe: Welche Bestandteile sind darin enthalten?

Eine Wärmepumpe (beziehungsweise eine Wärmepumpen-Heizungsanlage, denn so lautet der vollständige Begriff) besteht grundsätzlich aus drei Teilen:

• Die Wärmequellenanlage ist dafür zuständig, der Umwelt die nötige Energie zu entziehen.
• Die Wärmepumpe macht die gewonnene Umweltwärme nutzbar.
• Das Wärmeverteil- und Speichersystem verteilt die Wärme im Haus oder speichert sie für den späteren Bedarf.

Die Bezeichnung "Wärmepumpe" beruht darauf, dass Wärme aus der Umgebung bzw. dem Erdreich auf ein höheres nutzbares Temperaturniveau angehoben – "gepumpt" – wird.

Diese Arbeit erfolgt im Verdichter, wo das zirkulierende Kältemittel verdampft, und der dadurch entstehende Druck komprimiert wird. Dabei entsteht Wärme.  Siehe dazu das folgende Schaubild:

3. Wärmepumpe Funktion: Wie ist das grundlegende Prinzip einer Wärmepumpe?

Schaubild einer Kompressionswärmepumpe**

Größe der Pfeile

• Die großen Pfeile links und rechts zeigen den Wärmefluss.
• Die kleinen Pfeile oben und unten den Fluss des Kältemittels.

Bauteile

1. Kondensator bzw. Verflüssiger
2. Drossel
3. Verdampfer bzw. Wärmetauscher
4. Kompressor bzw. Verdichter

Farben

• Dunkelrot (unten links): Gasförmig, hoher Druck, relativ warm
• Rosa (oben links): Flüssig, hoher Druck, warm
• Blau (oben rechts): Flüssig, niedriger Druck, sehr kalt
• Hellblau (unten rechts): Gasförmig, niedriger Druck, kalt

Wer den Aufbau einer Wärmepumpe kennt, kann auch die Funktion einer Wärmepumpe sehr gut nachvollziehen. Denn diese besteht in der Regel aus drei Schritten, bei denen jeweils einer der drei Bestandteile die Hauptaufgaben übernimmt.

3.1. Schritt 1: Energie gewinnen

In der Wärmepumpe der Erdwärmepumpe befindet sich eine Flüssigkeit. Diese wird als Sole bezeichnet. Dabei handelt es sich um eine Kombination von Wasser mit Frostschutzmittel, welche mittels einer Umwälzpumpe z. B. durch das Erdreich gepumpt wird. Die Sole nimmt die Wärme aus der Umwelt auf und transportiert diese in weiterer Folge zur Wärmepumpe.

Bei der Wasser-Wärmepumpe wird Grundwasser ins Haus gepumpt, die darin enthaltene Wärmeenergie entzogen und wieder, über einen zweiten Bohrschaft, zurück in das Grundwasser-Reservoir befördert.

3.2. Schritt 2: Umweltwärme nutzbar machen

Um die Umweltwärme nutzbar zu machen, sind mehrere Teilschritte erforderlich:

• Zunächst wird die Umweltenergie von einem Verdampfer (die 3 im oberen Schaubild, auch als Wärmetauscher bezeichnet) auf ein Kältemittel übertragen. Dadurch verdampft dieses Kältemittel.
• Dieser Dampf wird daraufhin an einen Verdichter (Kompressor) weitergeleitet. Dadurch steigt die Temperatur des dampfförmigen Kältemittels.
• Nun wird das Kältemittel in einem Verflüssiger kondensiert (also flüssig gemacht).
• Im Anschluss daran wird das nun flüssige Kältemittel an eine Drossel (oben im Bild die 2) geleitet. Dort wird der Druck des Kältemittels verringert.
• Im letzten Teilschritt wird das nun druckarme und flüssige Kältemittel schließlich wieder zum Verdampfer (3) zurückgeführt.

3.3. Schritt 3: Wärme im Haus verteilen

In dem Gebäude, das mit der Wärmepumpe beheizt werden soll, befindet sich ein Wärmeverteil- und Speichersystem, in dem Wasser zirkuliert.

Die erzeugte Wärme aus dem Kältemittelkreislauf wird über einen Wärmetauscher an das Wasser des Wärmeverteiler- und Speichersystems übertragen. Mit Hilfe des Verteilsystem wird daraufhin die Wärme an die jeweiligen Heizkörper in die einzelnen Räume abgegeben. Anders ausgedrückt: Das Wasser nimmt die Wärme, die das Kältemittel im Verflüssiger abgibt, auf und leitet dieses anschließend an die Heizkörper oder -schleifen weiter und der Prozess der Erwärmung kann erneut starten.

3.4. Erklärfilm

Dies kurze Video erklärt den Kreislauf der Erwärmung auf anschauliche Weise:

4. Wärmequellen: Wo bekommt die Pumpe die Wärme her?

Für die Gewinnung der Wärme für die Wärmepumpe werden vor allem die folgenden Quellen genutzt:

• Erdwärme: Die im Erdreich gespeicherte Wärme wird für die Wärmepumpe genutzt. In der Fachsprache wird die Erdwärme auch als oberflächennahe Geothermie bezeichnet. Dabei handelt es sich um ein Relikt aus der Entstehungsphase unseres Planeten, dessen flüssiger Kern immer noch eine Temperatur von rund 6.000 Grad Celsius aufweist. Die für die Pumpe genutzte Wärme knapp unter der Oberfläche hat jedoch „nur“ etwa 10 Grad Celsius. Generell gibt es zwei Arten von Erdwärmepumpen. Zum einen solche mit Erdwärmekollektoren, die die oberflächennahe Wärme nutzen und zum anderen solche mit Erdsonden. Diese gehen bis zu 100 Meter tief in die Erde und entziehen dort Wärme.
• Grundwasser: Auch an sehr kalten Wintertagen beträgt die Temperatur unseres Grundwassers immer noch rund 10 Grad Celsius. Wenn es in ausreichender Menge zur Verfügung steht, bietet es sich deshalb auch als Wärmequelle für eine Wärmepumpe an. Dabei wird das Wasser über einen Förderbrunnen an die Oberfläche gepumpt. Aufgrund der konstanten Wassertemperaturen sind diese Anlagen besonders effizient.
• Luft: Auch Außenluft und Abluft kann für den Betrieb der Wärmepumpe als Quelle verwendet werden. Bei der Abluft wird die thermische Energie genutzt, die im Normalfall beim Lüften durch das Fenster verloren gehen würde. Mit einer Abluft-Wärmepumpe lässt sich diese Energie „recyclen“.

4.1. Wann welche Wärmepumpe: Vergleich der Systeme

Typische Luftwärmepumpe neben dem Eingang

5. Welche Wärmepumpe ist für welchen Zweck geeignet?

Die mit Abstand beliebteste Wärmepumpe bei Bauherren ist heutzutage die Luftwärmepumpe, auch als Luft-Wasser-Wärmepumpe bezeichnet. Rund 70 Prozent all jener Haushalte, die mit einer Wärmepumpe heizen, nutzen dafür eine Luftwärmepumpe. Der Hauptgrund dafür ist, dass im Gegensatz zu den Erd- und Wasserwärmepumpen die aufwendigen und oftmals kostenintensiven Zusatzarbeiten entfallen.

Für die Wärmegewinnung sorgt in diesem Fall eine Außeneinheit, die einfach im Freien aufgestellt wird. Bei der Aufstellung ist allerdings Vorsicht geboten: Der Abstand zu Wänden, Gehwegen und Terrassen sollte zumindest drei Meter betragen. Und auch wenn viele Geräte bereits mit einer schallisolierenden Außenhaut versehen sind, sollte auch der Nachbar geschont werden. Ein weiterer kleiner zusätzlicher Nachteil der Luftwärmepumpe ist darüber hinaus auch noch ihr geringer Wirkungsgrad im Vergleich zu den anderen Techniken.

Verlegung eines Flächenkollektors für die Wärmepumpenheizung
PBaeumchen, Flaechenkollektor Waermepumpe, CC BY-SA 3.0

Bei der Erdwärmepumpe kann die Energiegewinnung auf zwei unterschiedliche Arten erfolgen. Die kostengünstigere Variante sind mit Sicherheit die sogenannten Flächenkollektoren. Bei einem Einfamilienhaus ist dafür allerdings eine Fläche von etwa 300 Quadratmeter erforderlich. Bei Baukosten von durchschnittlich 15 Euro pro Quadratmeter entstehen hier also zusätzliche Kosten von etwa 4.000 bis 5.000 Euro.

Die zweite Möglichkeit zur Energiegewinnung ist die Tiefenbohrung. Bei Einfamilienhäusern ist dafür eine Bohrung von rund 200 Metern erforderlich. Die Kosten pro Meter liegen bei etwa 50 Euro. Die Initialkosten liegen hier also mit 10.000 Euro rund doppelt so hoch wie bei den Flächenkollektoren.

Bei einer Wasserwärmepumpe kommt es vor allem darauf an, ob der Grundwasserspiegel für die Nutzung ausreichend ist. Um das zu beurteilen, ist es allerdings erforderlich, einen Geologen hinzuzuziehen. Darüber hinaus entstehen Kosten für den Bau des für die Wasserwärmepumpe benötigten Brunnens. Steht die Anlage einmal, ist sie im Vergleich zu den anderen beiden Varianten jedoch besonders platzsparend und arbeitet genau wie die Erdwärmepumpe sehr effizient.

6. Die Wärmepumpe im Zusammenspiel mit Photovoltaik

Größter laufender Kostenfaktor: Für den Betrieb einer Wärmepumpe wird Strom benötigt.

In Kombination mit einer Photovoltaik-Anlage lässt sich dieser besonders umweltfreundlich und günstig gewinnen. Denn die Photovoltaik-Anlage bezieht ihren Strom aus der Sonnenenergie. Dieser kann in weiterer Folge entweder selbst genutzt oder bei einer Überproduktion sogar in das öffentliche Netz eingespeist werden.  

Die Kombination von Wärmepumpe und Photovoltaik bietet sich darüber hinaus an, weil von dem erzeugten Strom durch die Sonnenenergie im Durchschnitt nur etwa 30 Prozent tatsächlich genutzt werden können. Aktuell sind Stromspeicheranlagen noch viel zu teuer, um den Strom effizient für längere Zeit aufzubewahren. Deswegen liegt es auf der Hand, den gewonnenen Strom einfach für den Betrieb der Wärmepumpe zu verwenden.

Denn dadurch erhöht sich zum einen der Energieverbrauch der Photovoltaik-Anlage und zum anderen sinken die laufenden Kosten der Wärmepumpe deutlich. Auch der Staat ist daran interessiert, dass seine Bewohner auf umweltfreundliche und nachhaltige Energien setzen. Deswegen fördert er seit Juli 2021 die Kombination aus Wärmepumpen und Photovoltaik-Anlagen im Rahmen der neuen Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG WG).

6.1. Zu den Kosten einer Wärmepumpe

Gegenüber einer einfachen Wärmepumpe entstehen durch die Kombination Mehrkosten von rund 8.000 bis 10.000 Euro. Für die gesamte Anlage sollten also je nach Technik rund 25.000 bis 45.000 Euro budgetiert werden. Davon werden in der Regel 35 Prozent der Investitionskosten gefördert. Anders ausgedrückt: Bei einer Kombi-Anlage für rund 30.000 Euro finanziert sich die Ergänzung der Photovoltaik-Anlage somit "in gewissem Sinne" von selbst.

6.2. Fördermöglichkeiten

6.3. Rechner Amortisation Wärmepumpe

7. Paradox: Eine Wärmepumpe mit Kühlfunktion

Auch wenn es der Begriff nicht vermuten lässt: Mit einer Wärmepumpe ist es auch möglich, sein Haus im Sommer zu kühlen. Aufgrund des Klimawandels und der damit verbundenen Hitzewellen in den Sommermonaten auch in unseren Breitengraden ist die Wärmepumpe eine einfache und vor allem kostengünstige Möglichkeit, die Temperatur in den einzelnen Räumlichkeiten deutlich abzukühlen.

Unterschieden wird bei der Wärmepumpe Funktion zwischen aktiver und passiver Kühlung.

Bei der aktiven Kühlung wird die Wärme aus den Räumen entzogen und an die Umgebung abgeben. Die Funktion wird hier also einfach umgekehrt. Das ist allerdings nur mit einer Luftwärmepumpe möglich.

Bei der passiven Kühlung (dem sogenannten „natural cooling“) wird das Oberflächenheizsystem mit einer Wasserwärmepumpe oder einer Erdwärmepumpe kombiniert. Dabei wird die überschüssige Wärme aus den Räumen über einen Wärmetauscher aus dem Heizkreis geleitet und nach außen abgegeben.

8. Leserumfrage zur Wärmepumpenheizung

9. Video zur Erläuterung der Funktionsweise einer Wärmepumpe

9.1. Video: Die Funktionsweise

Hinweis: Das Video ist anschaulich gestaltet, geht aber nicht auf die Nachteile einer Wärmepumpe ein. 

9.2. Video: Die Kosten der Wärmepumpe

9.3. Video: Wärmepumpentechnik im Altbau sinnvoll?

10. Weiterlesen

Bilder

• ** Ilmari Karonen, Heatpump2, als gemeinfrei gekennzeichnet, Details auf Wikimedia Commons