Wärmepumpe – Funktion, Aufbau und Besonderheiten einfach erklärt

Wärmepumpen sind spätestens seit diesem Jahr in aller Munde. Die genaue Funktionsweise der modernen Heizung ist vielen Hausbesitzer*innen jedoch nach wie vor ein Rätsel. Um etwas Licht ins Dunkel zu bringen, schauen wir uns die Funktion der Wärmepumpe in diesem Ratgeber einmal genauer an.

Aufbau und Prinzip einer Wärmepumpe

Bevor man die Funktionsweise einer Wärmepumpe nachvollziehen kann, muss man erst einmal den Aufbau der modernen Heizung kennen. Denn nur durch das Zusammenspiel aller Komponenten entfaltet die Wärmepumpe ihr volles Potenzial. Die drei wichtigsten Teile des Wärmepumpensystems sind:

• Die Wärmequellenanlage, die der Umgebung (Luft, Erdreich, Grundwasser) Energie entzieht
• Die Wärmepumpe, die die aufgenommene Umweltwärme nutzt, um Warmwasser zu erzeugen
• Das Wärmeverteilsystem, welches das Warmwasser im Haus verteilt oder für die spätere Nutzung zwischenspeichert

Im Prinzip funktioniert eine Wärmepumpe also wie ein umgekehrter Kühlschrank. Dieser entzieht den Lebensmitteln im Inneren nämlich auch Energie, die in diesem Fall jedoch nicht nach innen, sondern nach außen geleitet wird. Somit nutzen eigentlich fast alle Hausbesitzer*innen täglich ein Gerät, welches sich dasselbe Prinzip wie die Wärmepumpe zunutze macht; meist jedoch ganz ohne es zu wissen.

Die Funktionsweise der Wärmepumpe in vier Schritten

Wärmepumpen gewinnen Energie aus der Umgebung und nutzen diese, um im Haus zu heizen oder Warmwasser aufzubereiten. Allerdings hat die Umgebungsenergie kein ausreichend hohes Temperaturniveau, um sie direkt zu Heizzwecken zu nutzen. Daher läuft im Inneren der Wärmepumpe ein thermodynamischer Prozess ab, der die aufgenommene Energie auf ein höheres Temperaturniveau hebt. Dieser Prozess besteht aus vier Schritten und kann als Kreislauf verstanden werden:

Schritt 1 – Verdampfen

Die aus der Umgebung aufgenommene Energie wird im ersten Schritt des Prozesses in den Verdampfer geleitet. Dort trifft die Energie auf ein flüssiges Kältemittel (oftmals Propan), welches schon bei sehr niedrigen Temperaturen verdampft. 

Schritt 2 – Verdichten

Nachdem das Kältemittel verdampft ist, wird es in den Verdichter geleitet. Dort wird der Kältemitteldampf verdichtet, wodurch die Temperatur des Dampfes noch einmal weiter ansteigt.

Gut zu wissen: Eine Kilowattstunde Wärme aus einer Wärmepumpe setzt sich zu ca. 75 % aus Umgebungsenergie und zu ca. 25 % aus elektrischer Energie zusammen. Diese 25 % elektrische Energie werden größtenteils für den Betrieb des Verdichters benötigt. Je weniger Arbeit der Verdichter also leisten muss, desto weniger Strom wird benötigt und desto geringer fallen auch die Strom- bzw. Heizkosten aus.

Schritt 3 – Energie übertragen

Im nächsten Schritt fließt der heiße und verdichtete Kältemitteldampf zum sogenannten Verflüssiger. Hier wird die Energie des Kältemittels über einen Wärmetauscher an das Heizsystem übertragen, wodurch sich das gasförmige Kältemittel wieder verflüssigt. Die abgegebene Wärme kann nun direkt zu Heizzwecken genutzt oder im Warmwasser- oder Pufferspeicher der Wärmepumpe zwischengespeichert werden.

Schritt 4 – Entspannen

Nachdem das Kältemittel seine Energie abgegeben und sich wieder verflüssigt hat, fließt es zurück in den Verdampfer. Auf dem Weg dorthin wird es noch durch ein Expansionsventil geleitet, in welchem sich das Kältemittel noch weiter ausdehnt bzw. entspannt. Durch diesen Schritt sinkt die Temperatur des flüssigen Kältemittels noch einmal weiter ab, wodurch es zu Beginn des Kreislaufs wieder mehr Energie aus der Umgebung aufnehmen kann.

Umweltfreundlich heizen mit Strom – wie funktioniert das?

Wie oben erwähnt, wird zum Verdichten des gasförmigen Kältemittels Strom benötigt. Dieser macht damit ca. 25 % der Energie aus, die eine Wärmepumpe benötigt, um eine Kilowattstunde Wärme zu erzeugen. Damit sind Wärmepumpe im Vergleich zu fossilen Öl- oder Gasheizungen immer noch um einiges umweltfreundlicher, selbst wenn die elektrische Energie nicht aus einer eigenen Solaranlage kommt oder über einen Ökostrom-Tarif bezogen wird. Nutzen Hausbesitzer*innen hingegen eine dieser beiden umweltfreundlichen Varianten, kann mit einer Wärmepumpe sogar theoretisch emissionsfrei geheizt werden.

Die verschiedenen Wärmepumpen und ihre Funktionen

Die Umwelt bietet diverse, unerschöpfliche Energiequellen. Im Falle der Wärmepumpe lauten diese Energiequellen Luft, Erde und Wasser. Die Funktionsweise der verschiedenen Wärmepumpenarten ist dabei identisch, nur die Energiegewinnung sowie die Effizienz unterscheiden sich je nach Art der Wärmepumpe.

Wie funktioniert eine Luft-Wasser-Wärmepumpe?

Luft-Wasser-Wärmepumpen sind seit Jahren die beliebtesten Wärmepumpen in Deutschland – und das zurecht. Da diese Art der Wärmepumpe ihre Energie nämlich aus der Umgebungsluft zieht, sind keine aufwändigen Erdarbeiten zur Erschließung der Energiequelle nötig. Stattdessen saugt ein Ventilator in der Außeneinheit die Umgebungsluft an, entzieht dieser ihre Energie und gibt die kühlere Luft dann wieder an die Außenwelt ab.

Wie funktioniert eine Erdwärmepumpe?

Bei Erdwärmepumpen ist die Erschließung der Wärmequelle vergleichsweise aufwändiger als bei Luft-Wasser-Wärmepumpen. Hier kommen nämlich, je nach Modell, entweder großflächige Kollektoren oder tief ins Erdreich reichende Sonden zum Einsatz. Da beide Ausführungen mit umfangreichen Erdarbeiten verbunden sind, fallen die Kosten für Erdwärmepumpen auch deutlich höher aus. In der Funktionalität sind sie – einmal installiert – jedoch etwas konstanter, da das Erdreich so gut wie keinen Temperaturschwankungen unterliegt.

Wie funktioniert eine Grundwasser-Wärmepumpe?

Unabhängig von regionalen Förderungen können Besitzer*innen von Solaranlagen im Sauerland zusätzlich von der Einspeisevergütung und zinsgünstigen Krediten der KfW profitieren. Die Einspeisevergütung beträgt aktuell 8,2 Cent (Stand: März 2023) und wird je eingespeister Kilowattstunde Solarstrom ins Netz gewährt. Die KfW wiederum bietet mit ihrem Programm 270 einen Kredit ab 4,15 % effektivem Jahreszins.

Wie gut funktioniert eine Luft-Wasser-Wärmepumpe an kalten Tagen?

Da die Luft-Wasser-Wärmepumpe auf Energie aus der Umwelt angewiesen ist, fragen sich viele Hausbesitzer*innen: Wie gut funktioniert diese Wärmepumpenart eigentlich an kalten Wintertagen? Um diese Frage zu beantworten, lohnt sich ein Blick die Verdampfungstemperatur einiger gängiger Kältemittel anschauen. Diese liegt in der Regel zwischen minus 20 und minus 40 Grad Celsius; also weit unter den Temperaturen, die in Deutschland im Winter gemessen werden.

Sollte die Außentemperatur doch einmal unter –20 °C fallen, schaltet sich bei den meisten Wärmepumpenmodellen vorübergehend ein elektrischer Heizstab ein. Dieser befindet sich direkt im Warmwasserspeicher und wird daher von niedrigen Außentemperaturen nicht beeinflusst. 

Kühlen mit der Wärmepumpe – so funktioniert’s

Eine weitere, eher unbekannte Funktion der Wärmepumpe ist die Kühlung des Hauses. Die Kühlung mit einer Wärmepumpe funktioniert vom Prinzip her wie die Wärmeerzeugung, nur dass der Kältemittelkreislauf umgekehrt abläuft. Mit anderen Worten wird also die Wärme der Heizkörper nach außen abgeführt, wodurch sich das gesamte Heizsystem und damit auch das Haus abkühlen. Das funktioniert übrigens besonders gut mit großflächigen Heizkörpern, wie beispielsweise einer Fußbodenheizung. Allerdings: Mit der Kühlleistung einer Klimaanlage kann die Wärmepumpe selbst in diesem Fall nicht mithalten.

Das könnte Sie auch interessieren