Wie funktioniert eine Wärmepumpe – Einfach erklärt!

Viele Menschen fragen sich: Wie funktioniert eine Wärmepumpe eigentlich für die Heizung im Haus? Eine Wärmepumpe gewinnt umweltfreundliche Energie aus Luft, Erde oder Wasser und spart damit Strom ein.

In diesem Blog erkläre ich dir Schritt für Schritt, wie das Prinzip der Wärmepumpenheizung mit Kältemittel, Verdampfer und Kompression funktioniert. Lies weiter, wenn du wissen willst, wie du mit erneuerbaren Energien einfach und effizient heizen kannst.

Was ist eine Wärmepumpe und wie ist sie aufgebaut?

Eine Wärmepumpe nutzt Umweltwärme, um dein Zuhause zu heizen. Sie besteht aus einem Kältemittelkreislauf, einem Verdampfer, einem Kompressor, einem Verflüssiger und einem Expansionsventil.

Wie funktioniert ein Wärmepumpen-Heizsystem?

Das Wärmepumpen-Heizsystem entzieht der Umwelt wie Luft, Erde oder Wasser Wärmeenergie. Ein geschlossener Kreislauf mit Kältemittel transportiert diese Energie. Im Verdampfer nimmt das Kältemittel die Umweltwärme auf und verdampft.

Ein elektrischer Verdichter erhöht danach den Druck und damit die Temperatur des gasförmigen Kältemittels. Im Kondensator gibt das heiße Kältemittel die gewonnene Heizwärme an das Heizsystem im Haus ab.

Ein Expansionsventil senkt anschließend den Druck des Kältemittels, sodass es wieder abkühlen kann. Das System arbeitet sehr effizient; oft liefert eine Wärmepumpe mit 1 kWh Strom bis zu 4 kWh Nutzwärme für die Gebäudeheizung oder Warmwasser.

In meinem Haus läuft eine Luft-Wasser-Wärmepumpe. Sie funktioniert auch bei Minustemperaturen und versorgt unsere Fußbodenheizung zuverlässig mit Wärme. Die Steuerung lässt sich einfach mit bestehenden Heizanlagen kombinieren.

Wie sieht die Struktur eines Wärmepumpen-Heizsystems aus?

Ein Wärmepumpen-Heizsystem besteht aus drei Hauptbestandteilen. Zunächst gibt es die Wärmequelle, die Luft, Erde oder Grundwasser sein kann. Diese Quelle liefert die Energie für das System.

Dann kommt die Wärmepumpe ins Spiel. Sie hebt das Temperaturniveau an, indem sie das Kältemittel nutzt. Das Kältemittel nimmt die Umweltwärme im Verdampfer auf.

Der Kompressor verdichtet das gasförmige Kältemittel und erhöht dessen Temperatur. Anschließend gibt der Kondensator die Wärme an das Heizsystem ab und kühlt das Kältemittel ab, wodurch es wieder flüssig wird.

Danach entspannt das Expansionsventil das Kältemittel, bevor es erneut in den Verdampfer gelangt. Die Wärmeverteilung erfolgt über Flächenheizungen oder Heizkörper. Pufferspeicher und Warmwasserspeicher sorgen für eine effiziente Wärmebevorratung und -verteilung.

Im nächsten Abschnitt schauen wir uns an, nach welchem Prinzip eine Wärmepumpe arbeitet.

Nach welchem Prinzip arbeitet eine Wärmepumpe?

Um zu verstehen, wie eine Wärmepumpe arbeitet, betrachten wir ihren geschlossenen Kreislauf. Der Prozess läuft in vier Phasen ab: Verdampfung, Verdichtung, Kondensation und Entspannung.

Im Verdampfer nimmt das Kältemittel Umweltwärme auf und verwandelt sich in Gas. Dieses Gas wird dann im Kompressor verdichtet und erhitzt sich dabei.

Anschließend gibt das heiße Kältemittel im Kondensator die Energie an das Heizsystem ab. Nach dieser Phase kühlt das Kältemittel durch das Expansionsventil ab und der Kreislauf beginnt von neuem.

Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe hängt stark vom Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle und Heizsystem ab. Eine geringere Temperaturdifferenz führt zu einer effizienteren Nutzung der Energie.

Welche Arten von Wärmepumpen gibt es und wie funktionieren sie?

Wärmepumpen-Typ	Wärmequelle	Funktionsweise	Vorteile	Nachteile	Geeignet für
Luft-Wasser-Wärmepumpe	Außenluft	Entzieht der Außenluft Wärme und überträgt sie auf das Heizsystem.	Geringe Installationskosten, keine Erdarbeiten nötig	Geringere Effizienz bei sehr niedrigen Außentemperaturen	Neubauten und Sanierungen mit begrenztem Platz
Sole-Wasser-Wärmepumpe	Erdreich (über Sonden oder Kollektoren)	Entzieht dem Boden über eine Trägerflüssigkeit (Sole) Wärme.	Hohe Effizienz, konstante Bodentemperatur	Höhere Investitionskosten, Erdarbeiten notwendig	Grundstücke mit Gartenfläche oder Bohrmöglichkeit
Wasser-Wasser-Wärmepumpe	Grundwasser	Nutzt Grundwasser über zwei Brunnen (Saug- und Schluckbrunnen) als Wärmequelle.	Sehr effizient, da Grundwassertemperatur stabil ist	Genehmigungspflichtig, hoher Planungsaufwand, Wasserqualität muss passen	Grundstücke mit ausreichender Wassermenge und Genehmigung

Es gibt drei Haupttypen von Wärmepumpen: Luft-Wasser-, Sole-Wasser- und Wasser-Wasser-Wärmepumpen. Luft-Wasser-Wärmepumpen nutzen die Außenluft als Wärmequelle. Sie erfordern nur eine minimale Installation und sind einfach in der Anwendung.

Sole-Wasser-Wärmepumpen hingegen entziehen dem Erdreich die gespeicherte Wärme. Sie verwenden Sonden oder Kollektoren, um die Wärme zu gewinnen. Wasser-Wasser-Wärmepumpen nutzen Grundwasser.

Dafür benötigen sie zwei Brunnen: ein Saugbrunnen und ein Schluckbrunnen.

Jede Art wirkt effizient unter bestimmten Bedingungen. Erdreich- und Grundwasser-Wärmepumpen arbeiten besonders gut, weil die Temperaturen konstant bleiben. Die Wahl der Wärmepumpe hängt vom Energiebedarf und den örtlichen Gegebenheiten ab.

Einige Modelle können sogar reversibel arbeiten und somit auch kühlen.

Wie funktioniert eine Luft-Wasser-Wärmepumpe?

Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe nutzt die thermische Energie der Außenluft. Sie besteht aus einer Außeneinheit mit Ventilator, die Umgebungsluft ansaugt. Der Ventilator führt die kalte Luft zum Verdampfer.

Dort verdampft das Kältemittel durch die Wärmeaufnahme und wird gasförmig. Dieses gasförmige Kältemittel wandert in den Kompressor, wo der Druck steigt. Dadurch erhöht sich die Temperatur des Kältemittels erheblich.

Nach dem Kompressor gelangt das heiße Kältemittel in den Verflüssiger. Hier gibt es Wärme an das Heizsystem ab und kondensiert wieder zu einer Flüssigkeit. Die gesamte Installation ist einfach; oft genügt das Aufstellen der Außeneinheit.

Bei Split-Wärmepumpen sind Außen- und Inneneinheit getrennt, während Monoblock-Wärmepumpen in einem einzigen Gehäuse untergebracht sind. Temperaturunterschiede erfordern eine flexible Systemregelung, besonders im Winter.

Wie funktioniert eine Erdwärme-Wärmepumpe?

Im Vergleich zur Luft-Wasser-Wärmepumpe bietet die Erdwärme-Wärmepumpe eine nachhaltige Lösung für die Heizungsversorgung. Diese Systeme nutzen die gespeicherte Energie im Erdreich.

Sie nehmen Wärme über Erdkollektoren oder Erdsonden auf. Die Bodentemperatur bleibt in Mitteleuropa meist konstant zwischen 8 und 12 °C. Geringe Temperaturschwankungen machen die Erdwärme-Wärmepumpe besonders effizient.

Das System arbeitet mit einer Sole, einem Wasser-Frostschutz-Gemisch, als Wärmeträger. Erdwärmepumpen erreichen eine höhere Jahresarbeitszahl als Luftsysteme. Hohe Investitionskosten stehen den geringeren Betriebskosten gegenüber.

Diese Technologie eignet sich gut für Neubauten und energetische Sanierungen mit Flächenheizung.

Wie funktioniert eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe?

Nach der Erdwärme-Wärmepumpe geht es nun um die Wasser-Wasser-Wärmepumpe. Diese Wärmepumpe nutzt Grundwasser als Wärmequelle. Dafür benötigt sie zwei Brunnen: einen Saugbrunnen und einen Schluckbrunnen.

Das Grundwasser hat ganzjährig Temperaturen zwischen 8 und 12 °C.

Die Wasser-Wasser-Wärmepumpe entnimmt Wärme aus dem Grundwasser und führt dieses nach dem Wärmeentzug wieder zurück. Diese Methode gilt als die effizienteste unter den gängigen Systemen.

Sie erreicht sehr hohe Jahresarbeitszahlen von über 4,0. Für den Betrieb sind stabile und ausreichende Grundwasservorkommen erforderlich. Die Installation dieser Wärmepumpenart ist genehmigungspflichtig und hängt von den Grundwasserverhältnissen ab.

Wie ähnelt eine Wärmepumpe einem Kühlschrank?

Eine Wärmepumpe funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie ein Kühlschrank, jedoch in umgekehrter Richtung. Während der Kühlschrank Wärme aus dem Innenraum nach außen befördert, entzieht die Wärmepumpe der Umgebung Wärme und gibt sie an den Innenraum ab.

Beide Systeme nutzen einen Kältemittelkreislauf zur Wärmetransport. Die Verdampfung und Kondensation des Kältemittels stehen im Mittelpunkt dieser Geräte.

Ein Kompressor ist in beiden Anlagen notwendig. Er verdichtet das Kältemittel und ermöglicht den Wärmetransfer. Die eingesetzte Kompressortechnik ist ähnlich, jedoch unterschiedlich in Leistung und Auslegung.

Diese technische Verwandtschaft erklärt, warum Wärmepumpen auch zur Kühlung eingesetzt werden können.

Wie arbeitet eine Wärmepumpe im Detail?

Eine Wärmepumpe wandelt Umweltwärme in Heizwärme um. Sie nutzt ein Kältemittel, das in einem geschlossenen System zirkuliert und die Wärme aufnimmt und abgibt.

Wie funktioniert eine Luft-Wasser-Wärmepumpe konkret?

Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe nutzt Umgebungsluft, um Wärme zu erzeugen. Die Außeneinheit saugt die Luft durch einen Ventilator an. Diese Luft enthält Wärme, die über einen Verdampfer an das Kältemittel übertragen wird.

Das Kältemittel verdampft aufgrund der aufgenommenen Wärme. Es wird dann im Kompressor komprimiert und dadurch stark erhitzt.

Im Kondensator gibt das heiße Kältemittel seine Wärme ab. Anschließend wird es entspannt und kühlt ab. Auch bei Temperaturen unter 0 °C bleibt die Wärmepumpe funktionsfähig, allerdings sinkt ihre Effizienz.

Moderne Systeme arbeiten auch bei bis zu –20 °C zuverlässig, oft mit einer Zusatzheizung. Die Leistungszahl (COP) liegt im Jahresmittel meistens zwischen 3,0 und 4,0. Inverter-Technik ermöglicht eine flexible Anpassung der Leistung an den aktuellen Wärmebedarf.

Damit können Nutzer ihr Heizsystem optimal steuern und nutzen. Im nächsten Abschnitt wird erörtert, wie sich eine Wärmepumpe einem Kühlschrank ähnelt.

Wie funktioniert eine Erdwärme-Wärmepumpe konkret?

Eine Erdwärme-Wärmepumpe nutzt die konstante Temperatur im Erdreich. Sie entzieht Wärme aus der Erde, wo die Temperatur selbst im Winter zwischen 8 und 12 °C bleibt. Spezielle Sonden oder Kollektoren nehmen diese Wärme auf.

Diese sind bis zu 100 Meter tief eingegraben oder in einer Tiefe von 1 bis 1,5 Metern verlegt.

Eine Sole, ein Wasser-Frostschutz-Gemisch, transportiert die Wärme zu einem Kältemittel. Das Kältemittel verdampft und nimmt die Wärme auf. Danach komprimiert der Verdichter das gasförmige Kältemittel; es wird sehr heiß.

Schließlich gibt ein Wärmetauscher die Wärme an das Heizsystem ab. Die Jahresarbeitszahl (JAZ) liegt normalerweise zwischen 4,0 und 5,0, was eine hohe Effizienz zeigt. Die Installation erfordert oft Genehmigungen und umfangreiche Erdarbeiten.

Mit der Erdwärme-Wärmepumpe entsteht ein zuverlässiges Heizsystem, besonders für Neubauten oder größere Grundstücke. Ähnliche Funktionsweisen finden wir bei anderen Wärmepumpen, wie der Luft-Wasser-Wärmepumpe.

Wie funktioniert eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe konkret?

Der Übergang von der Erdwärme-Wärmepumpe zur Wasser-Wasser-Wärmepumpe zeigt einen weiteren effektiven Ansatz zur Nutzung von Umweltwärme. Eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe nutzt Grundwasser für die Beheizung eines Gebäudes.

Sie fördert das Wasser über einen Saugbrunnen und leitet es durch einen Wärmetauscher. Dabei bleibt die Temperatur des Grundwassers konstant, meist zwischen 8 und 12 °C.

Nach dem Wärmeentzug gibt die Pumpe das Wasser über einen Schluckbrunnen zurück. Diese Art der Wärmepumpe hat eine Jahresarbeitszahl, die oft über 5,0 liegt. Dies bedeutet hohe Effizienz und Wirtschaftlichkeit im Betrieb.

Die Wasser-Wasser-Wärmepumpe eignet sich besonders für Regionen mit sauberem Grundwasserstand. Dabei sind jedoch zwei Brunnen und eine behördliche Genehmigung erforderlich. Trotz kalten Außentemperaturen bleibt die Effizienz ebenfalls hoch.

Wie funktionieren Wärmepumpen im Winter?

Wärmepumpen bleiben auch bei Außentemperaturen unter 0 °C zuverlässig aktiv. Ihre Effizienz nimmt zwar mit sinkenden Temperaturen ab, doch sie liefern weiterhin genügend Heizwärme.

Bei extremen Kältebedingungen, etwa um –20 °C, springt ein elektrischer Heizstab ein. Dieser sorgt für zusätzliche Wärme, sodass die Gebäudeheizung stabil bleibt.

Erd- und Grundwasser-Wärmepumpen zeigen im Winter besonders gute Leistungen. Diese Systeme nutzen konstante Quellentemperaturen. Hybridlösungen mit Gasheizungen decken Spitzenlasten im Winter ab und gewährleisten eine reibungslose Versorgung.

Auch bei Frost und Schneelage funktionieren Wärmepumpen ohne Einschränkungen. Moderne Steuerungen passen den Betrieb automatisch an die Wetterlage an und sorgen so für einen effizienten Einsatz.

Können Wärmepumpen auch zur Kühlung genutzt werden?

Wärmepumpen bieten eine praktische Kühlfunktion. Sie arbeiten mit einem umgekehrten Kältemittelkreislauf. Dabei führen sie die Wärme aus dem Haus nach außen ab. Diese Kühlwirkung ist zwar schwächer als bei klassischen Klimageräten, reicht aber für Wohnräume aus.

Fußbodenheizungen eignen sich gut, um die kühle Luft gleichmäßig zu verteilen. Auch große Heizkörper können zur Kühlung genutzt werden, wenn sie niedrige Vorlauftemperaturen ermöglichen.

Bei vielen Modellen lässt sich die Kühlfunktion nachrüsten. Die Kombination mit Solarenergie steigert die Effizienz zusätzlich.

Eine effektive Nutzung von Wärmepumpen hängt auch von der saisonalen Anpassung ab.

Wie gestaltet man ein optimales Heiz- und Kühlsystem mit Wärmepumpen?

Ein optimales Heiz- und Kühlsystem nutzt die Zusammenarbeit von Wärmepumpen und geeigneten Wärmeverteilungssystemen. Flächenheizungen, wie Fußbodenheizungen, arbeiten besonders effizient mit Wärmepumpen.

Die Planung sollte auf niedrige Vorlauftemperaturen im Heizsystem abzielen.

Photovoltaiksysteme steigern den Eigenverbrauch und erhöhen die Effizienz der Wärmepumpe. Intelligente Steuerungen ermöglichen eine bedarfs- und wetterabhängige Regelung. Pufferspeicher helfen, Wärme und Kälte effizient zu nutzen und zu speichern.

Diese Faktoren fördern eine optimale Leistung des gesamten Systems.

Fazit

Wärmepumpen sind clevere Geräte. Sie nutzen Energie aus der Umwelt, zum Heizen und zur Warmwasserbereitung. Der Prozess ist effizient und nachhaltig. Verschiedene Modelle, wie Luft-Wasser- und Erdwärmepumpen, passen sich gut an verschiedene Bedürfnisse an.

Häufig gestellte Fragen