Wärmepumpe: Funktion und Wissenswertes

Staatlich gefördert und immer häufiger an oder in Wohngebäuden zu sehen: Wärmepumpen gelten als zukunftsweisende Technologie für nachhaltiges Heizen und für die Warmwasseraufbereitung. Die modernen Geräte können ein Vielfaches ihres eigenen Energiebedarfs für den Haushalt nutzbar machen. Aber wie funktioniert eine Wärmepumpe eigentlich?

Diese und weitere wichtige Fragen beantworten wir in diesem Ratgeber. Denn mit einem grundlegenden Verständnis der Technologie lässt sich besser nachvollziehen, inwiefern sich eine Wärmepumpe für das eigene Zuhause lohnt. Deshalb erläutern wir im Folgenden, wie eine Wärmepumpe funktioniert und welche Komponenten an dem Vorgang beteiligt sind. Außerdem beantworten wir weitere häufig gestellte Fragen – zum Beispiel, welche Faktoren die Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpen bestimmen.

Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Die Funktion von Wärmepumpen folgt einer gemeinsamen Grundidee: Jede Wärmepumpe nutzt eine natürliche Wärmequelle in ihrer Umgebung, deren Energie sie zum Heizen oder für die Warmwasser-Aufbereitung nutzbar macht. Der Name ist hierbei Programm – denn je nach Wärmequelle ist auch die Wärmepumpe benannt. Es gibt Luft-, Grundwasser- und Erdwärmepumpen, wobei Erdwärme-Geräte ihre Energie entweder aus der Fläche (via Kollektoren) oder aus der Tiefe (per Sonde) beziehen.

Aber wie genau gestaltet sich die Funktion einer Wärmepumpe? Im Grunde arbeitet die Anlage ähnlich wie ein Kühlschrank ‒ mit dem Unterschied, dass die Wärmepumpe Wärme aus der Umwelt und nicht aus dem Kühlraum nutzt. Im Wesentlichen sind vier Komponenten an dem Prozess beteiligt: Verdampfer, Verdichter (auch Kompressor), Verflüssiger (auch Kondensator) und Expansionsventil bilden einen geschlossenen Kreislauf für das Kältemittel, das während der Zirkulation immer wieder verdampft und verflüssigt wird.

Üblicherweise wird der Verdichter mit Strom angetrieben. Es kommen allerdings noch weitere Antriebsenergien wie zum Beispiel Erdgas infrage. Die häufigste und heute am einfachsten nachhaltig umsetzbare Antriebsenergie ist jedoch der elektrische Strom – am besten erzeugt über die PV-Anlage vom eigenen Dach. Der Kompressor bringt die Wärme auf ein für die Heizung und/oder die Warmwasserversorgung nutzbares höheres Temperaturniveau. Am Heizungssystem ist ein Wärmetauscher angebracht, der die Wärme aus der Wärmepumpe für die Heizung übernimmt. Zusätzlich können größere Heizungswasserspeicher dafür sorgen, dass die über den Tag gewonnene Wärme abends zur Verfügung steht und die Wärmepumpe gleichmäßig läuft.

Im Folgenden verraten wir, welche Rolle den einzelnen Bestandteilen eines Wärmepumpensystems zukommt und wie sie die natürlich vorhandene Wärme für den Haushalt nutzbar machen.

Verdampfer

Der Verdampfer ist ein Wärmetauscher, der die Umgebungswärme aus dem Erdreich, Grundwasser oder der Luft auf das Kältemittel überträgt. Das Kältemittel dient als Transportmittel für die Wärmeenergie. Eine Besonderheit des Kältemittels ist sein niedriger Siedepunkt: Es verdampft schon bei relativ niedrigen Temperaturen. Deshalb muss der Verdampfer dem Kältemittel nur relativ wenig Energie zuführen, damit es in den gasförmigen Zustand übergeht. Zum Verdampfen wird also (ähnlich wie beim Kochen auf dem Herd) eine gewisse Temperatur und zugeführte Wärmeenergie benötigt. Diese kommt hier aber aus der Umwelt.

Kompressor

Der Kompressor (oder Verdichter) setzt das nun gasförmige Kältemittel unter Druck. Dabei steigen Temperatur und Druck auf ein für das Heizen nutzbares Niveau. In einem Heizsystem mit Wärmepumpe stellt der Verdichter selbst einen Verbraucher dar: Denn der Kompressor benötigt selbst immer eine Antriebsenergie (in der Regel Strom), um die nötigen Druck- und Temperaturverhältnisse einzustellen. Je mehr Wärme beim Verflüssiger ankommen soll (s. u.), desto mehr Druck muss der Verdichter aufbauen und desto mehr Energie benötigt das Gerät.

Am Stromverbrauch des Verdichters macht sich auch die Wirtschaftlichkeit des Wärmepumpenbetriebs zu einem großen Teil fest. Denn ein hoher Verbrauch bedeutet hohe Betriebskosten. Zudem stellt die Stromerzeugung eine zusätzliche Belastung für die Umwelt dar – selbst eine mögliche PV-Anlage kommt nicht vollständig ohne CO2-Emissionen aufs Dach.

Damit sich das Heizsystem für Mensch und Umwelt lohnt, sollten die angestrebte Temperatur des Heizwassers und die der Wärmequelle möglichst nah beieinander liegen. Je kleiner der Temperaturunterschied, desto effizienter funktioniert die Wärmepumpe als Teil des Heizsystems. Je höher die Temperatur der genutzten Wärmequelle und je niedriger die Vorlauftemperatur der Heizung eingestellt werden kann, mit der die Wärmepumpe das Haus beheizt, desto weniger muss der Kompressor laufen. Um eine niedrige Vorlauftemperatur zu ermöglichen, bietet sich vor allem eine effektive Wärmedämmung des Gebäudes an.

Verflüssiger

Beim Verflüssiger beziehungsweise Kondensator handelt es sich um einen weiteren Wärmetauscher. Diese Komponente bildet gewissermaßen das Gegenstück zum Verdampfer – allerdings findet die Wärmeübertragung hier in die andere Richtung statt: Das erwärmte Kältemittel wird im Wärmetauscher am kühlen Heizungswasser entlanggeführt, wo es seine Wärmeenergie durch den Verflüssigungsvorgang an das Heizwasser abgibt. Von nun an steht das erwärmte Wasser für die Heizung oder für die Warmwasser-Aufbereitung im Haushalt zur Verfügung. Das Kältemittel kühlt im Zuge des Wärmeaustauschs wieder ab und verflüssigt sich dabei (daher die Bezeichnung Verflüssiger), bleibt aber noch auf einem relativ hohen Druck- und Temperaturniveau.

Entspannungsventil

Um den Kreislauf zu schließen, muss das Kältemittel wieder auf Anfangsdruck und -temperatur zurückgebracht werden. Nur so lässt sich das Medium im Verdampfer wieder zum Sieden bringen. Ein zu hoher Druck würde hier das Sieden verhindern – und damit auch die Temperaturaufnahme aus der Umwelt. Das Kältemittel wird daher entspannt und abgekühlt. Dafür sorgt das Entspannungsventil (auch Expansionsventil oder Drosselventil). Damit ist der Kreislauf vollständig und der Wärmetransport beginnt von Neuem.

Wann lohnt sich eine Wärmepumpe?

Eine Wärmepumpe arbeitet am effizientesten, wenn die Temperatur der Wärmequelle möglichst nah an der gewünschten Temperatur des Heizwassers liegt. Denn in diesem Fall braucht die Wärmepumpe weniger Kompressorarbeit, um das gasförmige Kältemittel auf ein nutzbares Temperatur- und Druckniveau zu bringen. Die Temperatur der Wärmequelle sollte also möglichst hoch und die notwendige Vorlauftemperatur der Heizung möglichst niedrig sein. Damit sinkt auch der Strombedarf der Wärmepumpe. Eine entscheidende Kennziffer in diesem Zusammenhang ist die Jahresarbeitszahl (JAZ): Sie gibt das Verhältnis von zugeführtem Strom für den Kompressor und generierter Wärmeenergie durch das Heizsystem an. Den größten finanziellen und ökologischen² Nutzen aus der Umwelt erzielen Eigentümer bei einer möglichst hohen Jahresarbeitszahl.

Datenblätter von Wärmepumpen nennen für die Vergleichbarkeit häufig einen sogenannten COP-Wert (Coefficient of Performance). Genau wie die Jahresarbeitszahl setzt auch der COP einer Wärmepumpe die erzeugte Wärmeenergie ins Verhältnis zum dafür benötigten Strom. Der COP bezieht sich als Leistungszahl allerdings immer auf einen spezifischen Betriebszustand mit einer bestimmten Vorlauftemperatur der Heizung und einer bestimmten Temperatur der bezogenen Umweltwärme. Bei einer Luftwärmepumpe bezieht sich der COP beispielsweise auf eine bestimmte Außentemperatur. Die Jahresarbeitszahl bezieht sich hingegen auf das tatsächliche Verhältnis nach einem Jahr und lässt sich daher nicht vorab auf einen konkreten Wert festlegen.

Anhand der Funktion einer Wärmepumpe lässt sich auch nachvollziehen, welche gebäudetechnischen Maßnahmen infrage kommen, um die Effizienz des Pumpenbetriebs zu optimieren. Schließlich lässt sich die Temperatur der verfügbaren Wärmequelle selbst kaum beeinflussen. Lediglich die Wahl der Wärmequelle (Luft, Erdwärme oder Grundwasser), die Bohrtiefe (bei Erdwärmepumpen mit Sonde) sowie die Größe der Fläche (bei Erdwärmepumpen mit Flächenkollektoren) stellen begrenzte Einflussmöglichkeiten dar. Insofern bietet das Gebäude den größten Handlungsspielraum für effizientes und günstiges Heizen und Warmwasser.

Es gilt: Je weniger Wärme dem Haushalt zugeführt werden muss, desto eher lohnt sich eine Wärmepumpe. Infolgedessen sind Neubauten besonders für den Einsatz einer Wärmepumpe geeignet. Schließlich sind moderne Effizienzhäuser prinzipiell darauf ausgelegt, die zugeführte Wärmeenergie optimal zu nutzen. Eigentümer von Bestandsgebäuden können auch nachträglich für bestmögliche Voraussetzungen sorgen.

Wärmedämmung

Wer den Wärmeverlust am eigenen Haus minimiert, benötigt eine niedrigere Vorlauftemperatur zum Heizen. Auch eine Dämmung der Warmwasserleitungen ist zu empfehlen – besonders (aber nicht nur), wenn eine Wärmepumpe für die Warmwasser-Aufbereitung sorgt. Ein Bestandteil von wirksamem Wärmeschutz ist die Isolierung beziehungsweise Dämmung: Vor allem über Dach und Außenwände geht viel erzeugte Wärmeenergie an die Umgebung verloren. Eine effektive Wärmedämmung hält die generierte Wärme in den eigenen vier Wänden und erlaubt es den Bewohnern, die Heizung insgesamt auch niedriger einzustellen. Schließlich liegt die Wohlfühltemperatur mit Fußbodenheizung und gedämmten Außenwänden deutlich niedriger als bei kalten Wänden und Fußboden.

Fenster und Türen

Als Öffnungen im Mauerwerk stellen Fenster und Türen eine notwendige Schwachstelle für jedes Dämmsystem dar. Allerdings können mehrfach verglaste Fenster und spezielle Türen zum Erhalt der Wärme beitragen. So gibt es zum Beispiel Türen mit eingeschlossenen Luftkammern, die nur wenig Wärme an die Außenluft abgeben.

Heizkörper

Um bei niedriger Vorlauftemperatur möglichst viel Wärme an den Raum abzugeben, eignen sich Heizkörper mit großer Oberfläche – zum Beispiel spezielle Niedertemperaturheizkörper oder großflächige Wandheizungen. Besonders angenehm und effizient sind zudem Fußbodenheizungen – sie heizen den Raum gleichmäßig auf der gesamten Fläche auf. Da diese Modelle vor allem auf angenehme Strahlungswärme setzen, erhöhen Fußbodenheizungen zudem den Wohnkomfort enorm. Wenn Sie mehr über verschiedene Heizkörpertypen erfahren möchten, werfen Sie gerne einen Blick in unseren Ratgeber.

Wärmepumpe oder Gas: Was ist besser?

Als Faustregel gilt: Je besser die Energieeffizienz eines Wohngebäudes, desto größer der finanzielle und ökologische² Nutzen. Vor allem Neubauten, aber auch energetisch modernisierte Bestandsgebäude verfügen häufig über eine wirksame Wärmedämmung, moderne Fenster und Türen sowie großflächige Heizkörper oder Bodenheizungen. Unter diesen Bedingungen lohnt sich die Anschaffung einer Wärmepumpe besonders. Ihr Betrieb gestaltet sich deutlich kostengünstiger und umweltfreundlicher als etwa eine Öl- oder Gasheizung. Weitere Informationen zur Heizungswahl in Neubauten finden Sie in unserem Ratgeber.

Anders sieht es unter Umständen bei Altbauten mit einer niedrigeren Energieeffizienz aus: Hier braucht es eine höhere Vorlauftemperatur, damit sich im Inneren das gewünschte Wärmeniveau einstellt. Unter diesen Umständen würde der Stromverbrauch von Wärmepumpen deutlich zunehmen. Deshalb können Gasheizungen hier die hohen Wärmeanforderungen häufig besser bedienen.

Allerdings wird auch Erdgas immer knapper – und damit teurer. Die Wirtschaftlichkeit von strombasierten Wärmepumpen nimmt dem gegenüber immer schneller zu. Mit Solarstrom vom eigenen Dach schlägt die Wärmepumpe andere Heizungstypen auf jeden Fall in puncto Umweltschutz und CO2-Reduzierung. Besonders wichtig: Die benötigte Vorlauftemperatur muss die Wärmepumpe auch leisten können! Es gilt, die Vor- und Nachteile verschiedener Heizungsarten miteinander zu vergleichen.

Reicht eine Wärmepumpe aus, um das gesamte Haus zu beheizen?

Wenn ein Wohngebäude die nötigen Voraussetzungen erfüllt (s. o.), kann eine Wärmepumpe grundsätzlich genug Energie für das gesamte Haus liefern. Grundwasser- und Erdwärmepumpen haben den Vorteil, dass ihre unterirdische Wärmequelle auch an kalten Tagen über dem Gefrierpunkt bleibt. An kalten Tagen sind jedoch vor allem Luft-Wärmepumpen manchmal auf Unterstützung angewiesen, zum Beispiel durch einen elektrischen Heizstab.

Generell sollte der Heizstab nicht mehr als vier Prozent des jährlichen Wärmebedarfs¹ decken. Gerade in kälteren Regionen, wenn der Heizstab besonders häufig zugeschaltet werden muss, kann der Stromverbrauch sprunghaft ansteigen. In diesem Fall ist der Betrieb der Luft-Wärmepumpe schnell nicht mehr wirtschaftlich – eine Grundwasser- oder Erdwärmepumpe stellt hier die effizientere Lösung dar. Aber auch eine Gasbrennwertheizung kann zur Unterstützung dienen, sie wird allerdings immer weniger von Förderungen berücksichtigt.

Funktionieren Luft-Wärmepumpen auch im Winter?

Luft-Wärmepumpen nutzen die Umgebungsluft als Wärmequelle. Eine berechtigte Frage von Wärmepumpen-Interessierten lautet daher: Wie steht es um den Wärmeaustausch von Luft und Heizsystem, wenn die Außentemperaturen in der kalten Jahreszeit sinken? Denn egal ob Grundwasser, Erdwärme oder Luft: Eine Wärmepumpe funktioniert am besten, wenn die Temperatur der Wärmequelle möglichst nah an der Zieltemperatur in der Wohnung liegt.

Generell gilt: Luft-Wärmepumpen können selbst bei Minusgraden immer noch einen nützlichen Beitrag für den Haushalt leisten. Allerdings sollten Besitzer die Leistung der Pumpe auf den Wärmebedarf im Gebäude anpassen: Je kälter es draußen wird und je schlechter das Gebäude gedämmt ist, desto kleiner sollte der Anteil der Wärmepumpe am Energie-Mix des Gebäudes ausfallen. Andernfalls kann der erhöhte Strombedarf des Verdichters die Effizienz der Wärmepumpe negativ beeinflussen. Allerdings schreitet die technische Entwicklung von Wärmepumpen immer weiter voran. In Zukunft werden die Geräte auch für Bestandsgebäude immer wirtschaftlicher. Dabei wird der Gebäudebestand trotz des technischen Fortschritts jedoch nicht an einer guten Dämmung vorbeikommen.

Wärmepumpentarife: vergünstigter Strom für den Betrieb

Um die nachhaltige Wärmegewinnung noch attraktiver zu machen, haben einige Stromanbieter mittlerweile spezielle Tarife für den Wärmepumpenstrom in ihr Angebot aufgenommen. Die Besonderheit von solchen Wärmepumpentarifen ist der niedrigere Strompreis pro Kilowattstunde. Hinzu kommt, dass sich der Wärmepumpenstrom häufig selbst aus erneuerbaren Energien zusammensetzt. Mit Ökostrom oder auch Solarstrom aus eigener Erzeugung kann die Wärmepumpe ihre Funktion somit nahezu klimaneutral² erfüllen.

Allerdings ist der besondere Stromtarif von Anbieter zu Anbieter an bestimmte Bedingungen geknüpft. So braucht die Wärmepumpe auf jeden Fall einen eigenen Zähler, damit sich der Verbrauch präzise abrechnen lässt. Der zusätzliche Stromzähler ist mit weiteren laufenden Kosten verbunden. Außerdem behalten sich die Netzbetreiber häufig das Recht vor, die Wärmepumpe zu bestimmten Zeiten nicht mit Strom zu versorgen. Das betrifft vor allem Luft-Wärmepumpen, wenn deren Effizienz aufgrund der Witterungsverhältnisse zeitweise abnimmt. Ist eine solche Option im Tarif verankert, sollte das Heizsystem mit einem Pufferspeicher ausgestattet sein. Der Speicher stellt sicher, dass auch bei abgeschalteter Wärmepumpe genug Heizwasser im System vorhanden ist.

Lohnt sich ein Wärmepumpentarif?

Inwiefern ein Wärmepumpentarif sinnvoll ist, hängt insbesondere von der Effizienz der Anlage ab. Bedenken Sie, dass Pumpen mit hoher Jahresarbeitszahl grundsätzlich weniger Strom verbrauchen. Vor allem Grundwasser- und Erdwärmepumpen arbeiten so effizient, dass der Grundpreis für einen zweiten Stromzähler unter Umständen bereits höher ausfällt als die eigentlichen Einsparungen durch den günstigen Stromtarif. In diesem Fall kann es ratsam sein, den niedrigen Strombedarf der Pumpe über den normalen Hausstrom abzudecken. Eine besonders ökologische² Verknüpfung stellt die Photovoltaik-Anlage auf dem eigenen Dach dar: Die Wärmepumpenheizung kann den regenerativen Solarstrom direkt nutzen.

Zuverlässig günstig: Wärmepumpenstrom von EWE

Wenn Sie sich für eine neue Wärmepumpe zur Miete entscheiden, brauchen Sie sich keine Gedanken um Anschaffungskosten oder die regelmäßige Wartung zu machen. Zusätzlich bietet Ihnen EWE eine kostengünstige Energielieferung speziell für Ihre Wärmepumpe. Nutzen Sie unseren 100-prozentigen Ökostrom – inklusive Festpreisgarantie für 12 oder 24 Monate. Nehmen Sie gerne Kontakt zu uns auf, um mehr zu erfahren.

Wie viel kostet eine Wärmepumpe?

Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die einmaligen Kosten, die mit der Anschaffung von Luft-, Grundwasser- und Erdwärmepumpen und der Erschließung ihrer Wärmequelle verbunden sind. Wenn Sie mehr über Kosten und ihre Zusammensetzung erfahren möchten, empfehlen wir Ihnen unseren Ratgeber zu den Kosten einer Wärmepumpe. Darin gehen wir auch auf die laufenden Kosten ein, die der Stromverbrauch des Kompressors mit sich bringt, und erklären wichtige Faktoren wie die Jahresarbeitszahl.

Dank staatlicher Förderung können Wärmepumpen-Interessierte bis zu 40 Prozent der Kosten zurückbekommen. In unserem Ratgeber zur Förderung von Wärmepumpen erfahren Sie mehr.

Fazit: Wärmepumpen-Funktion verstehen und Kosten sparen

Wer mit einer Wärmepumpe günstig und nachhaltig heizen möchte, sollte sich zunächst mit der Funktion verschiedener Wärmepumpen-Arten vertraut machen. Luft-, Wasser- und Erdwärmepumpen teilen sich das grundlegende Prinzip der Verdampfung und Verflüssigung eines Kältemittels. Ein wesentlicher Unterschied besteht hingegen in der Wärmequelle und den eventuellen Temperaturschwankungen im Lauf des Jahres – das gilt besonders für Luft-Wärmepumpen.

Besonders zu empfehlen sind Wärmepumpen für Neubauten und energetisch sanierte Bestandsgebäude. Bei Altbauten ohne Wärmedämmung ist der Betrieb hingegen weniger effizient. Damit eine Wärmepumpe trotzdem ihre finanziellen und ökologischen² Vorteile ausspielen kann, sollten ältere Gebäude zunächst energieeffizient modernisiert werden. Ist dies zum Beispiel aus finanziellen Gründen nicht möglich, können Eigentümer stattdessen auf eine moderne Brennwert-Heizung zurückgreifen, um ihren Energieverbrauch zu senken.