Funktionsweise Wärmepumpe: Einfach erklärt

Eine Wärmepumpe erzeugt Wärme nicht durch Verbrennung, sondern nutzt Umweltwärme aus Luft, Erdreich oder Grundwasser als Energiequelle. Ein geschlossener Kreislauf mit einem Kältemittel hebt diese Wärme auf Heiztemperatur – aus 1 kWh Strom entstehen so 3 bis 5 kWh Wärmeenergie für Heizung und Warmwasser.

Das Prinzip der Wärmepumpe ist dabei keineswegs neu: Es ist dieselbe Technik, die in jedem Kühlschrank steckt – nur umgekehrt. Dieser Ratgeber zeigt einfach erklärt, wie die Funktionsweise einer Wärmepumpe im Detail aussieht, aus welchen Komponenten eine Wärmepumpe besteht, welche Arten von Wärmepumpen es gibt und wie effizient das Heizen mit Umweltwärme im Winter tatsächlich ist.

Wie funktioniert eine Wärmepumpe einfach erklärt?

Eine Wärmepumpe funktioniert wie ein umgekehrter Kühlschrank: Sie entzieht der Umgebung Wärme, hebt sie mit einem elektrisch angetriebenen Verdichter auf ein höheres Temperaturniveau und gibt sie an das Heizsystem im Haus ab.

Während der Kühlschrank seinem Innenraum Wärme entzieht und sie nach hinten abgibt, entzieht die Wärmepumpe der Außenluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser Wärmeenergie und transportiert sie ins Gebäude. Möglich macht das ein Kältemittel, das schon bei sehr niedrigen Temperaturen verdampft – moderne Wärmepumpen setzen dafür häufig auf das natürliche Kältemittel R290 (Propan), das bereits bei rund minus 42 Grad siedet.

Der Clou an der Funktion der Wärmepumpe: Der Strom treibt nur den Kreislauf an, die eigentliche Wärme kommt kostenlos aus der Umgebung. Deshalb arbeitet eine Wärmepumpe drei- bis fünfmal so effizient wie eine Gas- oder Ölheizung, die aus 1 kWh Brennstoff maximal 1 kWh Wärme gewinnt. Das führt dazu, dass die Wärmepumpe im Betrieb deutlich günstiger heizt als jede Verbrennungsheizung – den vollständigen Systemvergleich finden Sie im Ratgeber Wärmepumpe vs. Gasheizung.

Aufbau und Funktion: Diese Komponenten stecken in einer Wärmepumpe

Der Aufbau der Wärmepumpe ist bei allen Bauarten gleich: Jede Wärmepumpe besteht aus vier zentralen Komponenten, die einen geschlossenen Kreislauf bilden – Verdampfer, Verdichter, Verflüssiger und Expansionsventil.

• Verdampfer: Ein Wärmetauscher, in dem das flüssige Kältemittel die Umweltwärme aus der Wärmequelle aufnimmt und dabei verdampft.
• Verdichter (Kompressor): Das Herzstück der Anlage. Er presst das gasförmige Kältemittel zusammen – durch das Verdichten steigen Druck und Temperatur stark an.
• Verflüssiger (Kondensator): Ein zweiter Wärmetauscher, der die Wärme des heißen Kältemittels an das Heizungswasser abgibt.
• Expansionsventil: Es entspannt das Kältemittel wieder auf den Ausgangsdruck, damit der Kreislauf von vorn beginnen kann.

Bei einer Luft-Wasser-Wärmepumpe kommt zusätzlich ein Ventilator hinzu, der die Außenluft aktiv durch den Verdampfer führt. Ergänzt wird die Technik durch Regelung, Umwälzpumpen und meist einen Pufferspeicher, der die erzeugte Wärmeenergie zwischenspeichert und die Laufzeiten des Kompressors optimiert.

Der Kältemittelkreislauf: Funktionsweise der Wärmepumpe in 4 Schritten

Das Funktionsprinzip der Wärmepumpe lässt sich in vier Schritten beschreiben, die sich als Kreislauf ununterbrochen wiederholen.

• 1. Verdampfen: Das flüssige Kältemittel strömt durch den Verdampfer und nimmt Wärme aus der Umgebung auf. Weil sein Siedepunkt extrem niedrig liegt, verdampft das Kältemittel schon bei niedrigen Temperaturen – sogar bei Frost.
• 2. Verdichten: Der elektrisch angetriebene Kompressor saugt das nun gasförmige Kältemittel an und verdichtet es. Dabei steigt die Temperatur auf 70 Grad und mehr – nach demselben Prinzip, nach dem sich eine Luftpumpe beim Aufpumpen erwärmt.
• 3. Verflüssigen: Im Verflüssiger gibt das heiße Kältemittel seine Wärme an den Heizkreis ab – an Heizkörper, Fußbodenheizung und Warmwasserspeicher. Dabei kühlt es ab und beginnt, sich wieder zu verflüssigen.
• 4. Entspannen: Das Expansionsventil senkt den Druck der Flüssigkeit wieder ab. Das kalte, flüssige Kältemittel fließt zurück zum Verdampfer – und der Kreislauf beginnt von vorn.

So wandelt die Wärmepumpe kontinuierlich Umweltwärme in nutzbare Heizwärme um – ohne Flamme, ohne Schornstein und ohne Emissionen im Betrieb. Genau so funktioniert eine Wärmepumpenheizung übrigens auch bei der Warmwasserbereitung: Der gleiche Kreislauf erwärmt dann den Trinkwasserspeicher.

Arten von Wärmepumpen: Luft, Erdreich oder Grundwasser als Wärmequelle

Die drei Arten von Wärmepumpen unterscheiden sich nur in der genutzten Wärmequelle – der Kältemittelkreislauf im Inneren arbeitet immer nach demselben Prinzip.

Funktion einer Luft-Wasser-Wärmepumpe

Die Luft-Wasser-Wärmepumpe ist mit großem Abstand die häufigste Bauart in Deutschland. Ein Ventilator saugt Außenluft an und führt sie über den Verdampfer, wo das Kältemittel die Wärme aus der Luft aufnimmt. Der große Vorteil: Die Installation einer Wärmepumpe dieser Art kommt ohne Bohrung und ohne Genehmigung aus und dauert oft nur wenige Tage.

Funktion einer Sole-Wasser-Wärmepumpe

Die Sole-Wasser-Wärmepumpe nutzt das Erdreich als Wärmequelle. Eine frostsichere Sole zirkuliert durch Erdsonden von bis zu 100 Metern Tiefe oder durch flächig verlegte Erdkollektoren und bringt die Erdwärme zum Verdampfer. Weil das Erdreich in der Tiefe ganzjährig konstant um die 10 Grad warm ist, arbeitet diese Bauart besonders effizient – auch an den kältesten Tagen.

Wasser-Wasser-Wärmepumpe: Grundwasser als Energiequelle

Die Wasser-Wasser-Wärmepumpe fördert Grundwasser über einen Saugbrunnen, entzieht ihm Wärme und leitet es über einen Schluckbrunnen zurück. Mit konstant 8 bis 12 Grad ist Grundwasser die ergiebigste Energiequelle – die Nutzung ist allerdings wasserrechtlich genehmigungspflichtig und lohnt sich vor allem bei größeren Gebäuden.

Wie funktioniert die Wärmepumpe im Winter?

Die Wärmepumpe funktioniert auch im Winter zuverlässig, denn selbst frostige Außenluft enthält physikalisch nutzbare Wärme – das Kältemittel verdampft dank seines Siedepunkts von rund minus 40 Grad auch bei strengem Frost.

Richtig ist: Je größer der Abstand zwischen Außentemperatur und benötigter Vorlauftemperatur, desto stärker muss der Verdichter arbeiten – und desto mehr Strom kostet der Betrieb einer Wärmepumpe. Moderne Wärmepumpen heizen dennoch bis etwa minus 20 Grad zuverlässig; für extreme Kältespitzen ist ein elektrischer Heizstab als Reserve eingebaut, der in der Praxis nur wenige Stunden im Jahr anspringt.

Sole-Wasser- und Wasser-Wasser-Wärmepumpen betrifft das Thema kaum: Erdreich und Grundwasser halten ihre Temperatur auch dann, wenn draußen zweistellige Minusgrade herrschen. Deshalb arbeitet die Wärmepumpe mit Erd- oder Wasserquelle im Winter mit nahezu unveränderter Effizienz.

Wie effizient arbeitet eine Wärmepumpe? JAZ und COP einfach erklärt

Wie effizient eine Wärmepumpe arbeitet, beschreibt die Jahresarbeitszahl (JAZ): Sie gibt an, wie viel Wärme die Anlage übers Jahr pro eingesetzter Kilowattstunde Strom liefert – gut geplante Anlagen erreichen eine JAZ von 3,5 bis 4,5.

Der COP (Coefficient of Performance) ist dagegen nur eine Momentaufnahme unter Normbedingungen im Labor. Für Ihre Heizkosten zählt die JAZ: Eine JAZ von 4 bedeutet, dass aus 1 kWh Strom im Jahresmittel 4 kWh Wärme werden. Luft-Wasser-Geräte erreichen real etwa 3,0 bis 4,5, Erdwärme- und Grundwasseranlagen 4,0 bis 5,0. Zum Vergleich: Jede Heizung auf Brennstoffbasis bleibt zwangsläufig unter dem Wert 1.

Besonders wirtschaftlich wird der Einsatz einer Wärmepumpe in Kombination mit einer Photovoltaikanlage, die einen Teil des Antriebsstroms vom eigenen Dach liefert – wie das gelingt, zeigt unser Ratgeber Eigenverbrauch optimieren. Ob sich die Rechnung für Ihr Gebäude lohnt, klärt der Ratgeber Lohnt sich eine Wärmepumpe im Detail.

Kann eine Wärmepumpe auch kühlen?

Ja – viele moderne Geräte können den Kältemittelkreislauf umkehren, sodass die Wärmepumpe auch kühlen kann: Sie entzieht dann den Räumen Wärme und gibt sie nach draußen ab.

Beim aktiven Kühlen mit einer Wärmepumpe läuft der Verdichter wie im Heizbetrieb, nur in umgekehrter Richtung – das Haus wird um einige Grad heruntergekühlt, am effektivsten über eine Fußbodenheizung. Sole- und Grundwasseranlagen beherrschen zusätzlich die passive Kühlung: Dabei zirkuliert lediglich die kühle Sole, der Kompressor bleibt aus – Kühlen fast ohne Stromverbrauch. Ein vollwertiger Ersatz für eine Klimaanlage ist die Funktion nicht, für spürbar angenehmere Sommertemperaturen im Haus reicht sie aber aus.

Vor- und Nachteile: Was ist das größte Problem bei einer Wärmepumpe?

Das größte Problem bei einer Wärmepumpe ist keine Schwäche der Technik, sondern eine falsche Auslegung: Wird die Heizlast nicht sauber berechnet oder die Vorlauftemperatur zu hoch geplant, sinkt die Effizienz und die Stromrechnung steigt.

Die wichtigsten Vor- und Nachteile im Überblick:

• + Hocheffizient: 3 bis 5 kWh Wärme pro kWh Strom – kein anderes Heizsystem erreicht diese Werte.
• + Unabhängig: keine fossilen Brennstoffe, keine CO₂-Abgabe, staatliche Förderung von bis zu 70 Prozent.
• + Vielseitig: heizen, Warmwasser bereiten und auf Wunsch kühlen – kombinierbar mit Photovoltaik.
• – Anschaffung: höhere Investition als bei einer Gasheizung, dafür niedrige laufende Kosten.
• – Planung: Heizlast, Wärmequelle und Heizkörper müssen fachgerecht aufeinander abgestimmt werden.
• – Stellplatz: Das Außengerät braucht Platz und erzeugt ein leises Betriebsgeräusch, das bei der Aufstellung berücksichtigt wird.

Fazit: Bewährtes Prinzip – entscheidend ist die fachgerechte Planung

Die Funktionsweise der Wärmepumpe ist seit über 150 Jahren bewährte Physik: Ein Kältemittel nimmt Wärme aus der Umgebung auf, ein Kompressor verdichtet es, ein Wärmetauscher gibt die Wärme an die Heizung ab. Moderne Wärmepumpen machen aus diesem Prinzip das effizienteste Heizsystem unserer Zeit – zuverlässig auch im Winter und in vielen Bestandsgebäuden einsetzbar.

Damit die Anlage die versprochene Effizienz im Alltag erreicht, kommt es auf Auslegung und Installation an. Wir bei GIEDORF planen als Meisterbetrieb für erneuerbare Energien in NRW jede Anlage auf Basis einer echten Heizlastberechnung – ehrlich, transparent und mit klarer Empfehlung, welche Wärmequelle zu Ihrem Haus passt. Vereinbaren Sie jetzt Ihr unverbindliches Erstgespräch.

Häufige Fragen zur Funktionsweise der Wärmepumpe