Wärmepumpe-Funktion: die Funktionsweise einfach erklärt

 In diesem Artikel tauchen wir tief in die faszinierende Welt der Wärmepumpen ein – technisches Meisterwerke, die Wärme aus Luft, Wasser oder Erde schöpfen, um deine vier Wände kuschelig warm zu halten. Lass uns gemeinsam herausfinden, wie diese Technologie funktioniert, welche Vorteile sie bietet und worauf du achten solltest, wenn du dein Heim auf den neuesten Stand der Technik bringen willst. Mach dich bereit, denn wir erklären es dir einfach und verständlich!

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

4.2. Welche Energiequelle ist dein Favorit?

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 bis 55 Prozent der Investitionskosten gefördert. 

6.2. Weitere Fördermöglichkeiten

6.3. Rechner Amortisation Wärmepumpe

7. Wartung und Pflege von Wärmepumpen

Eine Wärmepumpe ist eine bemerkenswert effiziente Heizlösung, die jedoch, wie jede technische Anlage, regelmäßige Wartung benötigt, um langfristig optimal zu funktionieren. Genau wie bei deinem Auto, das regelmäßig zur Inspektion muss, um sicherzustellen, dass alles reibungslos läuft, benötigt auch eine Wärmepumpe eine gewisse Pflege. Aber keine Sorge, es ist kein Hexenwerk, und vieles davon kannst du sogar selbst erledigen!

7.1. Regelmäßige Inspektion

Erstens sollte eine Wärmepumpe mindestens einmal im Jahr von einem Fachmann inspiziert werden. Dieser Check-up ist wichtig, um sicherzustellen, dass alle Komponenten einwandfrei funktionieren. Der Fachmann überprüft dabei unter anderem den Kältemittelstand, die Dichtungen und die Elektronik. Besonders wichtig ist die Kontrolle der Kältemittelleitungen und des Wärmetauschers, da hier kleine Undichtigkeiten oder Ablagerungen die Effizienz erheblich beeinträchtigen können.

7.2. Filterreinigung

Ein weiteres wichtiges Element der Wartung ist die regelmäßige Reinigung der Filter. Bei Luft-Wasser-Wärmepumpen sammeln sich in den Filtern im Laufe der Zeit Staub und Schmutz an. Wenn diese nicht regelmäßig gereinigt werden, kann die Luftzirkulation eingeschränkt werden, was die Effizienz der Pumpe verringert und den Energieverbrauch erhöht. Du solltest die Filter daher alle drei bis sechs Monate selbst reinigen oder, falls du dir unsicher bist, vom Fachmann reinigen lassen.

7.3. Geräuschkontrolle

Achte auch auf ungewöhnliche Geräusche. Ein leises Brummen oder Klopfen kann ein Hinweis darauf sein, dass der Kompressor oder eine andere Komponente nicht mehr rund läuft. Frühzeitige Erkennung und Behebung solcher Probleme können teure Reparaturen vermeiden.

7.4. Software-Updates

Moderne Wärmepumpen sind oft mit Smart-Home-Technologien ausgestattet und besitzen eigene Software, die regelmäßig Updates benötigt. Diese Updates optimieren die Effizienz und passen die Anlage an neueste Standards an. Vergewissere dich, dass deine Pumpe stets auf dem neuesten Stand ist.

8. 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.

9. Integration in ein bestehendes Heizsystem

Die Integration einer Wärmepumpe in ein bereits bestehendes Heizsystem kann auf den ersten Blick wie eine gewaltige Aufgabe erscheinen, aber mit der richtigen Planung ist es durchaus machbar. Dabei geht es nicht nur um den Austausch der alten Heizung, sondern um die sinnvolle Kombination der Wärmepumpe mit dem bestehenden System, um maximale Effizienz zu erreichen.

9.1. Kompatibilität prüfen

Bevor du eine Wärmepumpe installierst, solltest du prüfen, ob dein bestehendes Heizsystem kompatibel ist. Besonders gut funktioniert die Kombination mit einer Fußbodenheizung oder Wandheizung, da diese Systeme mit niedrigen Vorlauftemperaturen arbeiten, was ideal für eine Wärmepumpe ist. Aber auch traditionelle Heizkörper können, mit den richtigen Anpassungen, mit einer Wärmepumpe kombiniert werden.

9.2. Hybrid-Systeme

Eine interessante Option ist die Schaffung eines Hybrid-Systems. Hierbei bleibt die alte Heizungsanlage, z.B. eine Gastherme, bestehen und wird durch die Wärmepumpe ergänzt. Die Wärmepumpe übernimmt die Grundlastversorgung, also das Heizen bei moderaten Temperaturen, während die alte Heizung nur bei extrem niedrigen Außentemperaturen einspringt. Dies kann besonders in Regionen sinnvoll sein, in denen die Außentemperaturen stark schwanken.

9.3. Wärmespeicher und Pufferspeicher

Ein Pufferspeicher kann eine sinnvolle Ergänzung sein, wenn du eine Wärmepumpe in ein bestehendes System integrierst. Dieser Speicher kann überschüssige Wärme aufnehmen und zu einem späteren Zeitpunkt an das Heizsystem abgeben. Besonders in Kombination mit einer Photovoltaikanlage kann dies dazu beitragen, die Wärmepumpe effizienter zu betreiben, da der Strom für den Betrieb der Pumpe direkt aus Sonnenenergie gewonnen wird.

10. Smart-Home-Integration

Die Integration einer Wärmepumpe in ein Smart-Home-System eröffnet ganz neue Möglichkeiten der Energieeinsparung und des Komforts. Dank moderner Technologien kannst du die Wärmepumpe genau so steuern, dass sie perfekt auf deine Bedürfnisse und den Energieverbrauch abgestimmt ist.

10.1. Steuerung über Apps

Eine der größten Errungenschaften der Smart-Home-Technologie ist die Möglichkeit, die Wärmepumpe über Smartphone-Apps zu steuern. So kannst du beispielsweise die Heizung aktivieren, bevor du nach Hause kommst, oder sie ausschalten, wenn du vergisst, die Heizung vor dem Verlassen des Hauses herunterzudrehen. Dies spart nicht nur Energie, sondern sorgt auch für maximalen Komfort.

10.2. Automatisierung

Durch die Verbindung der Wärmepumpe mit Smart-Home-Hubs wie Amazon Alexa oder Google Home können automatisierte Prozesse eingerichtet werden. Beispielsweise kann die Pumpe nur dann heizen, wenn die Außentemperatur unter einen bestimmten Wert fällt, oder sie kann mit der Photovoltaikanlage synchronisiert werden, um nur dann zu arbeiten, wenn genügend Sonnenenergie zur Verfügung steht.

10.3. Optimierung des Energieverbrauchs

Ein weiterer Vorteil der Smart-Home-Integration ist die Möglichkeit, den Energieverbrauch kontinuierlich zu überwachen und zu optimieren. Einige Systeme bieten detaillierte Analysen und Energieberichte, die dir zeigen, wann und wo du Energie sparst oder verschwendest. So kannst du deinen Energieverbrauch ständig anpassen und deine Heizkosten weiter reduzieren.

11. Regionale Unterschiede

In Deutschland variiert das Klima stark von Region zu Region, und diese Unterschiede haben direkten Einfluss auf die Effizienz der verschiedenen Wärmepumpenarten. Daher ist es wichtig, die regionalen Bedingungen zu berücksichtigen, bevor man sich für eine bestimmte Pumpe entscheidet.

11.1. Kältere Regionen

In Regionen mit langen und kalten Wintern, wie beispielsweise in den Alpen oder im Erzgebirge, arbeiten Erdwärmepumpen oft effizienter als Luft-Wasser-Wärmepumpen. Das liegt daran, dass die Bodentemperaturen relativ konstant bleiben, auch wenn die Lufttemperaturen stark schwanken. Die Installation einer Erdwärmepumpe kann in diesen Gebieten zwar teurer sein, bietet aber langfristig eine höhere Effizienz.

11.2. Mildere Regionen

In den milderen Klimazonen, wie im Rheinland oder entlang der Küsten, können Luft-Wasser-Wärmepumpen eine kostengünstigere und dennoch effiziente Alternative darstellen. Da die Lufttemperaturen hier selten extrem niedrig sind, bleibt die Effizienz der Pumpe auch im Winter hoch. Zudem sind die Installationskosten für Luft-Wasser-Wärmepumpen in der Regel geringer als für Erdwärmepumpen.

11.3. Standortanalyse

Eine sorgfältige Standortanalyse ist daher unerlässlich. Diese sollte nicht nur das regionale Klima, sondern auch die Bodenbeschaffenheit und die Verfügbarkeit von Grundwasser berücksichtigen. Ein erfahrener Installateur kann dir dabei helfen, die richtige Wahl zu treffen und sicherstellen, dass die Wärmepumpe optimal auf die örtlichen Gegebenheiten abgestimmt ist.

12. Videos zur Erläuterung der Funktionsweise einer Wärmepumpe

12.1. Video: Die Funktionsweise

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

12.2. Video: Die Kosten der Wärmepumpe

12.3. Video: Wärmepumpentechnik im Altbau sinnvoll?

13. Ergänzung oder Frage von dir?

14. Weiterlesen

Bilder

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