Einfach erklärt: Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

• Bei einer Wärmepumpe wird kostenlose und dauerverfügbare Umweltwärme aus der Außenluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser durch Stromzugabe „aufbereitet“ und auf deine Heizungsanlage übertragen.

• Technisch erklärt basiert eine Wärmepumpe auf einem thermodynamischen Dauerkreislauf, bei dem ein spezielles Kältemittel verdampft, verdichtet, kondensiert und wieder entspannt wird.

• Das Kältemittel hat einen überaus geringen Siedepunkt, sodass die Wärmepumpe auch bei frostigen Temperaturen im Winter funktioniert.

• Der Kältemittelkreislauf kann sich umdrehen lassen, sodass du mit einer Wärmepumpe bei gegebenen Voraussetzungen auch kühlen kannst.

Ganz vereinfacht formuliert reden wir bei einer Wärmepumpe – unabhängig davon, ob Luftwärmepumpe, Erdwärmepumpe oder Grundwasserwärmepumpe – von immer ein- und demselben Funktionskreislauf:

In aller Kürze erklärt basiert der Funktionskreislauf auf der 1) Verdampfung, 2) Verdichtung, 3) Kondensation und 4) Entspannung eines speziellen Kältemittels. Bei diesem Kältemittel handelt es sich um ein Fluid, beispielsweise ein natürliches Propan, das besondere chemische Eigenschaften besitzt. 

Die wichtigste Eigenschaft des Kältemittels ist sein geringer Siedepunkt, dank dem das Fluid schon bei geringen Temperaturunterschieden seinen Aggregatzustand verändern kann. Zudem ist es in der Lage, bei einer niedrigen Eigentemperatur und niedrigem Druck Wärme aufzunehmen und diese Wärme bei einer höheren Eigentemperatur und höherem Druck wieder abzugeben. 

Beides macht sich eine Wärmepumpe in ihrem thermodynamischen Kreislauf zunutze, den wir uns folgend Station für Station ansehen:

Mit dem Verdampfer geht alles los. Er ist dazu da, die Wärmeenergie aus der Luft, dem Erdreich oder dem Grundwasser über einen ersten Wärmetauscher auf das in der Wärmepumpe zirkulierende Kältemittel übertragen. Durch den Kontakt des Kältemittels mit der Umgebungs-Wärmeenergie erreicht es seinen Siedepunkt und verdampft, woraus sich auch der Name der Komponente ableitet.

• Bei Luftwärmepumpen (Luft-Luft-Wärmepumpen sowie Luft-Wasser-Wärmepumpen) saugen Ventilatoren die Außenluft an und blasen sie in den Wärmetauscher. In diesem Wärmetauscher findet sich meist ein eng angeordnetes Gebilde aus Kupferrohren mit aufgepressten Aluminium-Lamellen, sodass zwischen der Luft und den Rohren eine möglichst große Oberfläche entsteht. Gerade bei Luftwärmepumpen werden Kältemittel eingesetzt, die selbst dann verdampfen, wenn die Ventilatoren eisige Winterluft ansaugen und in den Wärmetauscher leiten. So funktionieren sie auch bei Minusgraden – nur der Verdichter muss dann anschließend mehr powern, weil bis zur Vorlauftemperatur deiner Heizung eine größere Temperaturdifferenz zu überbrücken ist.

• Bei Erdwärmepumpen (Sole-Wasser-Wärmepumpen) kommt ein zweiter Rohrkreislauf hinzu. Dieser zweite Rohrkreislauf ist zwischen der Wärmepumpe und dem Erdreich verlegt – er verbindet den Verdampfer also entweder mit den im oberen Erdreich installierten Flächenkollektoren oder mit einer tief in die Erde eingelassenen Erdsonde. In dem zweiten Rohrkreislauf zirkuliert eine Sole, also Wasser mit Frostschutzmittel, die als Wärmeträger dient. Die Sole erwärmt sich im Erdreich und kommt so angewärmt dann beim Verdampfer an, wo der Wärmetausch meist über einen Plattenwärmeüberträger stattfindet. Bei Wärmepumpen mit einer Erdsonde ist die Temperatur der Sole ganzjährig konstant-milde und die Wärmepumpe läuft äußerst effizient. Flächenkollektoren sind dagegen knapp unter der Erdoberfläche verlegt, weshalb die Effizienz bei frostigen Außentemperaturen sinken kann – sie ist jedoch grundsätzlich höher als bei Luftwärmepumpen.

• Bei Grundwasserwärmepumpen sprechen wir ebenfalls von einem zweiten Rohrsystem und einem Wärmetauscher in Form eines Plattenwärmeüberträgers. Hier dient das Grundwasser selbst als Wärmeträger, indem es über zwei unabhängige Brunnen zur Wärmepumpe hoch- und wieder zurückgepumpt wird. Die Temperatur des Grundwassers ist ebenfalls ganzjährig konstant-milde, in der Regel noch etwas höher als bei Wärmepumpen mit Erdsonden. Das macht Grundwasserwärmepumpen zu den effizientesten Anlagen – jedoch aufgrund der Grundwasser-tiefen Bohrungen und Brunnen auch zu den teuersten.

Wenn das Kältemittel verdampft ist, gelangt es zum Verdichter. Der Verdichter hat die Aufgabe, das nun gasförmige Kältemittel zu komprimieren und so dessen Druck zu erhöhen. Dabei nimmt auch die Temperatur des Kältemittels weiter zu. 

Das Ziel ist, dass bei der nächsten Station – also der Wärmeabgabe an deine Heizung – die entsprechende Vorlauftemperatur der Heizung erreicht wird. Bei modernen Niedertemperatur-Heizungen sind das beispielsweise 35 °C. Der Verdichter erhöht den Druck also so, dass das Kältemittel ein Temperaturniveau erreicht, das für den anschließenden Wärmetausch ausreicht. 

Von allen Komponenten der Wärmepumpe weist der Verdichter den höchsten Stromverbrauch auf. Je weniger der Verdichter also powern muss, um die Differenz zwischen der Temperatur des ankommenden Kältemittels und dem für die Vorlauftemperatur erforderlichen Temperaturniveau zu überbrücken, desto besser. Merk dir einfach: Die Wärmepumpe arbeitet umso effizienter, je wärmer das Kältemittel schon beim Verdichter ankommt und je niedriger die zu erreichende Vorlauftemperatur ist. 

Meist sind in Wärmepumpen Verdichter auf Basis einer Kolben- oder Scroll-Technologie verbaut. So oder so funktioniert er pumpenartig, indem er das verdampfte Kältemittel ansaugt, es komprimiert und dann zum Verflüssiger entlässt. 

Bei einem Kolbenverdichter findet die Komprimierung in einem Zylinder statt, indem das angesaugte Gas einfach durch die Bewegung des Kolbens zusammengepresst wird. Bei einem Scroll-Verdichter finden sich zwei ineinander verwobene Spiralen, von denen sich eine dreht und die andere nicht. Zwischen den Spiralen entstehen durch die Bewegung immer kleiner werdende Kammern, in denen sich das Gas sammelt und ebenfalls zusammengepresst wird. Die Bewegung der Spiralen oder des Kolbens wird durch einen Elektromotor hervorgerufen.

Der Verflüssiger ist ein zweiter Wärmetauscher, bei dem die mittlerweile hohe Wärmeenergie des komprimierten Kältemittels auf deine Heizungsanlage übertragen wird, also auf das darin zirkulierende Wasser oder auch die Luft. Bei der Wärmeübertragung kühlt das Kältemittel wieder ab und wechselt vom gasförmigen zurück in den flüssigen (aber weiterhin komprimierten) Aggregatzustand. Die übertragene Wärme wird daraufhin gespeichert. 

Der Funktionsablauf und Aufbau des Verflüssigers beziehungsweise des zweiten Wärmetauschers ist ähnlich zu dem des Verdampfers, nur andersherum. Das Kältemittel nimmt keine Wärme auf, sondern gibt sie ab.

Eine Besonderheit speziell bei Luftwärmepumpen ist, dass in der Regel noch ein zusätzlicher Heizstab verbaut wird – und zwar im Pufferspeicher oder im Vorlauf deiner Heizung. Wenn im Winter Minusgrade herrschen, nimmt die Heizleistung einer Luftwärmepumpe tendenziell ab – gerade bei Minustemperaturen weit unter dem Gefrierpunkt. Unter anderem in diesen Situationen schaltet sich der Heizstab ein, um die restlichen Prozent der Heizleistung zu decken, die die Wärmepumpe nicht mehr schafft.

In diesem Fall fällt natürlich nicht nur beim Verdichter ein erhöhter Strombedarf an, sondern auch der Heizstab verbraucht Strom. Jedoch ist es nur so wenige Tage im Jahr wirklich so kalt, dass er gebraucht wird. Normalerweise sollte der Anteil des Heizstabs an der Jahresheizleistung nicht höher als 3 % liegen. Wo manche also eine Kostenfalle sehen, bleibt es fraglich, ob es wirklich eine ist. (Du kannst natürlich auch eine Erd- oder Grundwasserwärmepumpe installieren lassen, die in der Regel ohne einen Heizstab auskommt, aber dann sind die Anschaffungskosten höher.)

Das Expansionsventil (oder auch Entspannungsventil) hat die Aufgabe, den Druck des Kältemittels wieder zu senken, sodass dieses in seinen Ursprungszustand zurückkehrt. Rein technisch sprechen wir hier einfach nur über einen Strömungswiderstand. Sobald das Kältemittel das Ventil passiert, verliert es an Druck, womit nach der Verflüssigung auch der zweite Schritt zurück zum Ursprungszustand des Kältemittels erfüllt ist. Das Kältemittel zirkelt daraufhin wieder zum Verdampfer und der ganze Prozess beginnt von vorne. 

Noch einmal zurück zu Schritt 2, dem Verdichter: Du hast vorhin gelesen, dass dieser Strom verbraucht, um den Druck des verdampften Kältemittels zu erhöhen und die Vorlauftemperatur deiner Heizung zu erreichen. Bevor du jetzt aber vor potenziell hohen Heizkosten aufgrund von direktem Stromverbrauch zurückschreckst: Tatsächlich sind die laufenden Heizkosten mit einer Wärmepumpe (wider erwarten) meist niedriger als mit konventionellen, fossil betriebenen Heizungsanlagen. 

Das hat mit dem hohen Wirkungsgrad einer Wärmepumpe zu tun: Natürlich verbraucht eine Wärmepumpe im Betrieb Strom, doch der macht nur 25 % des erforderlichen Energie-Inputs zur Wärmeerzeugung aus. 75 % entfallen dagegen auf die dauerhaft verfügbare und kostenlose Umweltwärme. Will heißen: Nur 25 % des Energie-Inputs einer Wärmepumpe verursachen Kosten, während es bei anderen Heizungsanlagen 100 % sind, indem du etwa Öl, Gas oder Pellets kaufen musst. 

Mit Blick auf den Wirkungsgrad wird deutlich, was für einen Unterschied das macht: Je nachdem, ob es sich um eine Luftwärmepumpe, Erdwärmepumpe oder Grundwasserwärmepumpe handelt, wird ein Wirkungsgrad zwischen 3,0 und 5,0 erzielt. Das heißt: Aus 1 kWh an bezahltem Strom gewinnst du bis zu 3 kWh bis 5 kWh an nutzbarer Wärme. Andere Heizungsanlagen kommen vergleichend, wenn überhaupt, auf einen Wirkungsgrad von knapp über 1,0. Meistens liegen sie eher darunter. (Und nur, damit es erwähnt ist: Wenn du mit einer Solaranlage eigenen Strom erzeugst, kannst du die Heizkosten auf ein wirkliches Minimum senken.)

Wir bleiben beim Verdichter, der bei manchen Wärmepumpen mit dem sogenannten Inverter ein Sonder-Feature besitzt. Bei diesem Inverter handelt es sich um einen Frequenzumwandler, der es der Wärmepumpe beziehungsweise dem Verdichter erlaubt, die Arbeitsleistung stufenlos dem tatsächlichen Bedarf anzupassen. 

Um das näher einzuordnen: Herkömmliche Wärmepumpen ohne Inverter schalten sich bei Wärme- beziehungsweise Kühlbedarf ein und laufen dann standardmäßig auf Höchstlast, um den Bedarf zu decken. Danach schalten sie sich wieder aus. 

Ein “Ich brauche nur ein bisschen Wärme” oder “Ich brauche nur ein bisschen Kühlleistung” gibt’s nicht, außer eben bei der Inverter-Wärmepumpe: Der Frequenzumwandler passt die Leistung der Wärmepumpe hier an den Bedarf an. So arbeitet die Anlage immer am effizientesten Betriebspunkt – und dasmit dem für dich gleichen, wohl-temperierten Ergebnis. Relevant kann die Inverter-Technologie vor allem für Wärmepumpen in Altbauten sein, um einen zu häufigen Start-Stopp-Betrieb zu vermeiden und die mechanischen Komponenten der Wärmepumpe zu schonen.

Wie effizient eine Wärmepumpe je nach Art beim Heizen deines Hauses sein kann, ist inzwischen unterstrichen. Vielleicht hast du aber auch schon mal davon gehört, dass Wärmepumpen oft ebenso eine Kühlfunktion mit sich bringen. 

Natürlich ist zu betonen, dass eine Wärmepumpe ausdrücklich nicht den Effekt einer Klimaanlage hat, die einen Raum wirklich stark herunterkühlen kann. Vielmehr sprechen wir davon, dass du deine Räume durch das Umdrehen des Kältemittelkreislaufs (der Verflüssiger wird also zum Verdampfer) um ein paar Grad kühler machen kannst. Bedeutet: Die Wärmepumpe entzieht nicht mehr der Wärmequelle thermische Energie, sondern deiner Heizungsanlage, wodurch sich die Heizkörper abkühlen.

Unterschieden wird zwischen einer aktiven Kühlung und einer passiven Kühlung – mit dem Unterschied, dass der Verdichter bei der aktiven Kühlung involviert ist und bei der passiven Kühlung nicht. Durch den involvierten Verdichter kannst du einen stärkeren Kühleffekt erzielen, wobei dank eines Vier-Wege-Ventils die Warmwasserbereitung weiterhin unabhängig vom Kühlen funktioniert. 

Das mit dem Warmwasser gilt auch für die passive Kühlung, bei der der Verdichter umgangen wird. Sie kommt eher bei Erd- oder Grundwasserwärmepumpen zum Einsatz. Die Wärmeenergie aus deinem Heizungssystem wird ohne Komprimierung direkt auf die im Erdreich zirkulierende Sole oder auf das Grundwasser übertragen. Das spart zwar Strom, weil der Verdichter nicht im Spiel ist, hat jedoch auch keinen so großen Kühleffekt. 

Die Umstellung von Heizen auf Kühlen kann manuell erfolgen oder beispielsweise anhand von thermischen Sensoren auch vom System automatisiert ausgeführt werden. 

Wichtig ist, dass zwar viele Wärmepumpen inzwischen auch eine Kühlfunktion mitbringen und oft auch nachgerüstet werden können, aber trotzdem noch nicht alle. Außerdem braucht es möglichst großflächige Heizkörper, also beispielsweise eine Fußbodenheizung oder eine Wandheizung. Mit herkömmlichen Heizkörpern zum Aufdrehen funktioniert der Kühleffekt nicht.

Du bist überzeugt von der effizienten Funktionsweise der Wärmepumpe und möchtest deine Heizungsanlage entsprechend umrüsten und aufwerten? Wende dich an den nächsten regionalen 1KOMMA5°-Meisterbetrieb und lass dich beraten. 

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