Die Wärmepumpe gehört zu den effizientesten und umweltfreundlichsten Technologien zur Beheizung von Gebäuden. Doch wie funktioniert eine Wärmepumpe? Die Antwort liegt in einem cleveren physikalischen Prinzip, das ähnlich dem eines Kühlschranks ist – nur umgekehrt. Dieser Beitrag erklärt das Grundprinzip, die verschiedenen Wärmepumpentypen und warum diese Technologie so zukunftsweisend ist.

Das Grundprinzip der Wärmepumpe

Im Grunde ist das ganz Prinzip einer Wärmepumpe einfach: Sie nutzt Umweltwärme um Gebäude zu heizen. In Wahrheit ist es aber doch etwas komplizierter als das.

Eine Wärmepumpe funktioniert mit Umweltwärme – etwa der Luft, dem Erdreich oder dem Grundwasser. Sie nutzt die thermische Energie der Umwelt und verstärkt diese mithilfe eines Kältemittelkreislaufs. Die erzeugte Wärme wird an das Heizsystem im Gebäude abgegeben. Selbst bei niedrigen Außentemperaturen funktioniert dieses Prinzip effizient und nachhaltig.

Wusstest du?

Eine Wärmepumpe funktioniert im Grunde wie ein Kühlschrank, nur andersrum. Beim Kühlschrank wird die Temperatur aus dem Innenraum entzogen und nach draußen geleitet. Bei der Wärmepumpe wird die Temperatur von außen nach innen geleitet.

so funktioniert eine waermepumpe — Im Kältekreislauf wird die Wärme durch den Verdampfer und Verdichter in das Gebäude geleitet.

So läuft der Kältemittelkreislauf ab

Rein physikalisch ist es so, dass Wärme von alleine nur zu niedrigen Temperaturen fließt. Dein Essen wird ohne Außeneinwirkung auch nicht wärmer, sondern eher kälter, niemals aber kälter als Raumtemperatur. Wird aber Energie zugefügt, um das Essen im Kühlschrank in der Mikrowelle zu erhitzen, wird diesem thermodynamischen Grundsatz entgegengewirkt.
Genauso funktioniert der Kältekreislauf der Wärmepumpe. Er ist das zentrale Element der Wärmepumpe und sorgt durch den Einsatz von Energie dafür, dass die angesaugte Außentemperatur in nutzbare Wärme umgewandelt wird. Der gesamte Prozess besteht aus diesen vier Schritten:

Der Wärmegewinnung, der Umwandlung, der Nutzung und dem Druckabbau.

Der Kältekreislauf einer Wärmepumpe in einer Grafik mit den einzelnen Komponenten. — *Verdampfer, Kompressor, Verflüssiger und Expansionsventil bilden die Kernstücke der Wärmepumpe.*

In diesen Komponenten spielt sich der Hauptteil des Kältekreislaufs ab, in dem die gewonnene Wärme zunächst umgewandelt, dann abgegeben und schließlich genutzt wird:

Wärmegewinnung

Im ersten Schritt wird Energie aus der Umgebungsluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser gewonnen. Dazu saugt die Wärmepumpe mithilfe eines Ventilators oder einer Pumpe thermische Energie aus der Umwelt an.

Um diesen Vorgang zu starten, benötigt die Wärmepumpe Strom. Dabei wird ein spezielles Kältemittel in Bewegung gesetzt. Das Kältemittel nimmt die thermische Energie auf und wird wärmer. Das hat zur Folge, dass es verdampft und gasförmig wird.

Wärmeumwandlung

Der gasförmige Kältemitteldampf wird im Kompressor verdichtet. Der Kompressor saugt mit elektrischer Energie den Dampf des Kältemittels an und komprimiert ihn.

Dadurch steigt der Druck stark an, wodurch sich die Temperatur des Kältemittels erheblich erhöht. Dieser erhitzte Kältemitteldampf fließt anschließend in einen Kondensator (auch Wärmetauscher genannt). Dort gibt das Kältemittel die gespeicherte Wärmeenergie an das Heizsystem oder einen Warmwasserspeicher ab.

Während dieser Energieabgabe kühlt das Kältemittel wieder ab und wird erneut flüssig.

Wärmeabgabe und Nutzung

Das gasförmige Kältemittel ist nun so warm, dass es seine Wärme über den Wärmetauscher an das Heizsystem (bspw. konventionelle Heizung) abgibt. Währenddessen sinkt die Temperatur des Kältemittels und es verflüssigt sich erneut. Die abgegebene Wärme wird nun im Haushalt genutzt, beispielsweise für den Heizkörper, die Warmwasserbereitung oder andere Anwendungen.

Entspannen (Druckabbau)

Der Kreislauf des Kältemittels ist damit jedoch nicht beendet. Es fließt – noch unter Druck stehend – weiter zu einem Expansionsventil. Hier wird der Druck des Kältemittels gesenkt, während seine Temperatur stetig abnimmt und der Dampf erneut flüssig wird. Das abgekühlte Kältemittel ist nun bereit erneut thermische Energie aus der Umwelt aufzunehmen.

Der Kreislauf beginnt stetig von Neuem, solange Wärmebedarf besteht.

Exkurs: Der Energieverbrauch von Wärmepumpen

Eine Wärmepumpe vor einem Einfamilienhaus mit PV Anlage — *Gerade im Zusammenhang mit einer PV Anlage sind Wärmepumpen besonders effizient.*

Oftmals wird von Wärmepumpen als große Energieverbraucher gesprochen. Es ist aber nicht ganz so einfach. Denn bei einem vergleichsweise großen Energieverbrauch weisen Wärmepumpen eine sehr hohe Energieeffizienz auf. Der sogenannte Wirkungsgrad (auch Jahresarbeitszahl – JAZ) ist ein entscheidender Faktor für die Effizienz der Wärmepumpe.

Die Jahresarbeitszahl wird maßgeblich von der Temperaturdifferenz zwischen Energiequelle und Heizsystem. Denn je niedriger diese Temperatur, desto mehr Strom muss die Wärmepumpe nutzen, um das Heizungswasser zu erwärmen. Die Energiequelle bestimmt letzten Endes auch wie viel Strom die Wärmepumpe einsetzen muss, um Wärme zu erzeugen. Das kann aber auch mit höheren Installationskosten verbunden sein.

Dementsprechend gilt: je größer der Wärmeunterschied zwischen Heizungswasser und der jeweiligen Energiequelle, umso mehr Strom verbraucht deine Wärmepumpe bei der Energieerzeugung.

Übrigens

Je höher die Jahresarbeitszahl, desto weniger Strom wird bei der Wärmegewinnung verbraucht. Bei modernen Wärmepumpen liegt die Zahl zwischen 3 und 5.

So funktionieren die verschiedenen Wärmepumpentypen

Wärmepumpen werden anhand ihrer Energiequelle und des Übertragungsmediums unterschieden, was sich auch in ihrer Bezeichnung widerspiegelt. Der erste Teil des Namens gibt an, aus welcher Quelle die Energie stammt, während der zweite Teil beschreibt, wie die Wärme im Haus verteilt wird. Im Allgemeinen gibt es fünf verschiedene Arten von Wärmepumpen, welche sich in der Art der Wärmequelle unterscheiden. Nachfolgend erklären wir dir, wie Wärmepumpen funktionieren und worin sich die verschiedenen Typen unterscheiden.

Luftwärmepumpen

Luftwärmepumpen nutzen die Umgebungsluft als Energiequelle und leiten diese in die zu beheizenden Räumlichkeiten. Grundsätzlich unterscheidet man in zwei Arten der Luftwärmepumpen. Luft-Luft und Luft-Wasser-Wärmepumpen. Erstere können allerdings nur als Heizsyszteme, nicht aber zur Warmwasseraufbereitung genutzt werden.

Luft Luft Wärmepumpe

Anders als bei herkömmlichen Wärmepumpen, wird die erzeugte Wärme nicht über den Heizkreislauf, sondern direkt über die Umgebungstemperatur innerhalb des Hauses, verteilt. Daher eignet sich diese Wärmepumpe lediglich zum Heizen und nicht zur Warmwasseraufbereitung.

Die Erzeugung des Warmwassers muss durch eine separate Brauchwasserwärmepumpe.

In ihrer Anschaffung sind Luft-Luft-Wärmepumpen besonders günstig und auch eher unkompliziert in der Installation. Sie benötigen nämlich keine Tiefenbohrungen wie Erdwärmepumpen oder eine Anzapfung des Grundwassers und einen zusätzlichen Schluckbrunnen wie Luft-Wasser Wärmepumpen.

Luft-Wasser Wärmepumpe

Die Luft-Wasserwärmepumpe entzieht der Umgebungsluft Wärme und leitet diese in das Eigenheim weiter. Dabei wird die Umgebungsluft angesaugt und dann über den Verdichter an das Heizsystem weitergeleitet. Grundsätzlich gibt es bei der Luft-Wasser-Wärmepumpe zwei Bauweisen.

Hinweis: Im Bestandsbau bzw. beim Umbau von einer Öl- oder Gasheizung auf eine Wärmepumpe kommt i.d.R. die Luft-Wasser Wärmepumpe zum Einsatz.

Monoblock

Die zentralen Bauteile sind in einer einzigen Einheit integriert, daher der Name Monoblock. Alle zentralen Komponenten und Funktionen inkl. Kältemittelkreislauf stecken in einem einzigen Gerät. Dieses wird im Außenbereich des Gebäudes aufgestellt. Über gut isolierte, zumeist unterirdisch verlegte Leitungen, wird die Wärme an den Wärmespeicher im Gebäudeinneren abgegeben.

Split Bauweise

Die Komponenten sind auf zwei Einheiten verteilt. In der Außeneinheit befinden sich Verdampfer, Verdichter und Expansionsventil. Damit wird die Umgebungsluft angezogen. Im Innenbereich sind die Bauteile, welche die Wärme ins Innere des Hauses leiten.

Hinweis: Die Luft-Wasser-Wärmepumpe eignet sich besonders für Neubauten, bei welchen weder Brunnen- noch Wasserquellen in der Nähe sind. Bis zu -20°C können Gebäude mit Warm und Heizwasser versorgt werden. Hier liegt aber auch das erste Hindernis der Luft-Wasser Wärmepumpe. Denn während sie bis zu -20°C operabel ist, sinkt ihre Effizienz mit jedem Grad. Je kälter es ist, desto mehr Strom braucht die Wärmepumpe.

Brauchwasser Wärmepumpe

Eine Brauchwasser-Wärmepumpe nutzt die Umgebungsluft als Energiequelle, um Warmwasser effizient und kostengünstig zu erzeugen. Dabei wird die Luft angesaugt und ihre thermische Energie auf ein spezielles Kältemittel übertragen, das bereits bei niedrigen Temperaturen verdampft. Der Kältekreis beginnt. Der Kompressor verdichtet den Dampf, die Temperatur steigt. Diese Wärme wird über einen Wärmetauscher an den Warmwasserspeicher abgegeben. HIer wird das Wasser im Speicher erhitzt. Sobald das Wasser eine ausreichende Temperatur erreicht hat, steht es für den Haushalt bereit – etwa zum Duschen, Waschen oder für andere Anwendungen.

Brauchwasserwärmepumpen erzeugen keine Wärme

Da die Brauchwasserwärmepumpe keine Raumtemperatur erzeugt, dient sie oftmals als Ergänzung für bestehende Heizsysteme, wie Öl- oder Gasheizungen. Diese schaffen nur kurzzeitig Warmwasser, was gerade in den Sommermonaten zu einer hohen Ineffizienz und einem sehr schlechten Wirkungsgrad führt.

Grundwasser Wärmepumpe (Wasser-Wasser-Wärmepumpe)

Eine Grundwasserwärmepumpe nutzt das Grundwasser als Wärmeerzeuger. Da diese Wärmequelle eine konstante Temperatur von rund 10° aufweist, gelten solche Wärmepumpen als besonders effizient. Dabei wird das Wasser über einen Brunnen an die Oberfläche gepumpt, wo die Wärme über einen Wärmetauscher geleitet wird.

Die Energie, welche der Wärmetauscher speichert, setzt das Kältemittel in Fahrt und übergibt die Wärme wiederum an das Heizsystem. Das können ein Warmwasserspeicher, eine Fußbodenheizung oder ein anderweitiges Heizsystem sein. Über einen sogenannten Schluckbrunnen wird das Wasser dann in die Erde gelassen, was zu einem konstanten Wärmekreislauf führt.

Sole Wasser Wärmepumpe

Die Sole-Wasser-Wärmepumpe nutzt die Wärme im Erdreich, um dein Zuhause zu beheizen. Deshalb müssen bei der Installation Tiefenarbeiten durchgeführt werden müssen. Die Wärme wird dann über Sonden oder Erdkollektoren bezogen.

Grafik der Funktionsweise einer Erdwärmepumpe

Dazu braucht es ausreichend Platz im Garten. Erdsonden werden in Tiefen von 40 bis 100 Metern installiert. Dank ihrer kompakten Bauweise benötigen sie nur wenig Fläche und sind ideal für kleinere Grundstücke. Die genaue Bohrtiefe richtet sich nach dem Heizbedarf deines Hauses.

Erdkollektoren hingegen werden knapp unterhalb der Frostgrenze (ca. 1,5 Meter tief) flächig im Boden verlegt. Sie benötigen mindestens die doppelte Fläche des zu beheizenden Wohnraums und sind daher mit einem größeren Aufwand verbunden – sowohl bei der Installation als auch in puncto Platzbedarf.

Konstante Erdwärme für mehr Effizienz

Ein großer Vorteil der Sole-Wasser-Wärmepumpe ist die gleichbleibende Temperatur des Erdreichs. Anders als die Außenluft bietet der Boden ganzjährig eine konstante Wärmequelle, unabhängig von den Jahreszeiten.

Auch im Winter funktionieren Wärmepumpen gut

Da Wärmepumpen Energie aus der Umgebungstemperatur ziehen, sind sie auch von der Außentemperatur abhängig. Aber du kannst unbesorgt sein, denn die Kältemittel innerhalb der Wärmepumpe verdampfen schon ab -20° Celsius. Zum Vergleich: In den Wintermonaten 2023 – 2024 betrug die durchschnittliche Temperatur in Deutschland 4,1° Celsius.

Du brauchst also keine Sorge zu haben, dass deine Wärmepumpe im Winter nicht mehr heizt. Und sollten die Winter doch kälter werden, brauchst du trotzdem keine Alternative. Deine Wärmepumpe braucht nur mehr Zeit und einen größeren Energieeinsatz, um die festgelegte Vorlauftemperatur zu erreichen. Die Vorlauftemperatur ist die Temperatur, mit der das Wasser von der Wärmepumpe zum Heizsystem fließt

Das trifft vor allem zu, wenn zwischen der festgelegten Vorlauftempreratur und der Temperatur der Energiequelle eine besonders große Differenz besteht. Beispielsweise in schlecht gedämmten Bauten, wie einem Altbau.

Ein Einfamilienhaus am Abend mit einer Wärmepumpe vor der Haustür — *Eine Wärmepumpe heizt auch im Winter effizient.*

Wärmepumpen als effiziente und nachhaltige Lösung

Wärmepumpen sind ein beeindruckendes Beispiel dafür, wie Umweltenergie clever genutzt werden kann, um Gebäude effizient und klimafreundlich zu beheizen. Egal ob Luft, Wasser oder Erde als Energiequelle genutzt wird – alle Typen der Wärmepumpe basieren auf einem einfachen, aber genialen physikalischen Prinzip: Wärme wird der Umwelt entzogen, verstärkt und ins Heizsystem übertragen.

Die Wahl der richtigen Wärmepumpe hängt von den individuellen Gegebenheiten und Bedürfnissen ab:

Luft-Luft-Wärmepumpen eignen sich für kleine Gebäude oder als Ergänzung zu einem Warmwassersystem.

Luft-Wasser-Wärmepumpen punkten durch flexible Installation und sind eine gute Wahl für Neubauten und modernisierte Bestandsgebäude.

Wasser-Wasser- und Sole-Wasser-Wärmepumpen überzeugen mit hoher Effizienz, erfordern jedoch spezielle Voraussetzungen und Investitionen.

Welche Wärmepumpe für dich am geeignetsten ist, kannst du über einen Heizlastrechner berechnen. Ein solcher Rechner ermittelt die benötigte Heizleistung eines Gebäudes. Dabei werden Faktoren wie Gebäudedämmung, Größe der Räume, Fensterflächen und die Außentemperatur berücksichtigt.

Mit den richtigen Bedingungen und einer durchdachten Planung können Wärmepumpen nicht nur Energiekosten senken, sondern auch einen wichtigen Beitrag zur Energie- und Wärmewende leisten.

Investiterst du in eine Wärmepumpe Zudem entscheidest du dich damit für eine zukunftssichere, nachhaltige und wirtschaftliche Heizlösung – und profitierst langfristig von niedrigen Betriebskosten.