So funktioniert eine Wärmepumpe

Es ist wohl das Reizwort der letzten Jahre im Bezug auf Heizungstechnologie: die Wärmepumpe. Während einige Menschen in ihr das Sinnbild der gescheiterten Ampel-Politik sehen, sind andere restlos überzeugt vom Heizen mit Umweltwärme. Aber wie genau funktioniert eine Wärmepumpe technisch – und wieso wird sie im viel gescholtenen Gebäude-Energiegesetz als probates Mittel zur klimaneutralen Heizung angesehen?

Grundsätzlich gilt: Eine Wärmepumpe nutzt zum großen Teil kostenlose Umweltwärme zum Heizen, der durch einen Anteil Heizstrom ergänzt wird. Moderne Anlagen arbeiten auch bei zweistelligen Minusgraden Außentemperatur noch zuverlässig. Mit intelligenter Steuerung, Photovoltaik-Anbindung und natürlichen Kältemitteln wie R290 wird die Wärmepumpe so mehr und mehr zum digitalen Herzstück nachhaltiger Haustechnik

Neu ist die Technologie hinter einer Wärmepumpe nicht. Das Herzstück des Funktionsprinzips bildet ein geschlossener Kältemittelkreislauf. Für den Wärmetransport wird eine thermodynamische Gesetzmäßigkeit genutzt, bei der Flüssigkeiten beim Verdampfen viel Wärme aufnehmen und beim Kondensieren schnell wieder abgeben. Ein spezielles Kältemittel – früher häufig R410A, heute zunehmend das natürliche R290 (Propan) – zirkuliert dabei zwischen vier Hauptkomponenten und wechselt immer wieder seinen Aggregatzustand.  

Dabei gilt das umgekehrte Prinzip eines Kühlschrankes: Genau wie bei einer Wärmepumpe wird hier nämlich über einen geschlossenen Kältemittelkreislauf gezielt Wärme transportiert – und zwar aus dem Innenraum in die Umgebung. Dabei nimmt das verdampfende Kühlmittel die Wärme aus dem Innenraum des Kühlschranks auf und wird im Anschluss außen durch einen meist rückseitig angebrachten Wärmetauscher aus dünnen Röhrchen geleitet. Hier gibt das Kältemittel die Wärme wieder an die Raumluft ab und kondensiert – nur um im Anschluss wieder in die Wände des Innenraums gepumpt zu werden, um den Kreislauf fortzusetzen.  

Eine Wärmepumpe zum Heizen arbeitet ähnlich – nur spiegelverkehrt. Das Kältemittel nimmt Wärme aus Luft, Erdreich oder Wasser auf und verdampft. Diese Energie gelangt anschließend ins Haus und wird über einen Wärmetauscher auf das Heizungswasser übertragen. Von dort aus verteilt sich die Wärme in Heizkörper oder Flächenheizungen. 

Der physikalische Kniff: Kältemittel wie Propan verdampfen bereits bei sehr tiefen Minusgraden. Dadurch können sie selbst aus kalter Winterluft noch Energie extrahieren. Damit diese nutzbar wird, kommt – wie auch in Kühlgeräten – ein strombetriebener Kompressor ins Spiel. Er verdichtet das Gas, wodurch die Temperatur auf 65 bis 85 Grad Celsius steigt. Diese Werte sind hoch genug, um Gebäude zuverlässig zu beheizen.

Moderne Inverter-Wärmepumpen können ihre Leistung dabei stufenlos zwischen 25 und 100 Prozent regeln und passen sich optimal an den jeweiligen Heizbedarf an.Es gibt unterschiedliche Varianten der Wärmepumpe, darunter Luft/Wasser, Luft/Luft oder Erdwärme-Geräte. Diese unterscheiden sich vor allem in der Beschaffung der Außenwärme, funktionieren aber nach denselben, grundlegenden Prinzipien. Aus diesem Grund machen wir in diesem Wärmepumpen-Überblick zunächst keinen Unterschied zwischen den Gerätearten.   

Eine Wärmepumpe, die für das Beheizen von Gebäuden genutzt wird, besteht üblicherweise aus vier wesentlichen Bauteilen.  

1. Verdampfer   

• Entzieht der Umwelt (Luft, Erdreich, Grundwasser) Wärme.   

• Kältemittel verdampft bei niedriger Temperatur und nimmt Energie auf.   

2. Kompressor   

• Verdichtet das gasförmige Kältemittel.   

• Erhöht Druck und Temperatur, sodass nutzbare Heizwärme entsteht.   

3. Verflüssiger (Kondensator)   

• Überträgt die Wärme vom heißen Kältemittel auf das Heizungswasser.   

• Dabei kondensiert das Kältemittel zurück in flüssigen Zustand.   

4. Expansionsventil (Drosselventil)   

• Senkt Druck und Temperatur des Kältemittels.   

• Bereitet es für den nächsten Verdampfungsprozess vor. 

Im Folgenden sehen wir uns diese vier Bauteile genauer an und erklären, welche Rolle jedes Bauteil im Heizkreislauf spielt.  

Der Verdampfer ist der Wärmetauscher zwischen Umwelt und Kältemittelkreislauf. Je nach System nutzt er Außenluft, Erdreich oder Grundwasser. Bei Luft/Wasser-Wärmepumpen wird dafür ein Lamellen-Wärmetauscher eingesetzt, über den große Luftmengen geführt werden, damit das Kältemittel verdampfen und Wärme aufnehmen kann.  

Moderne Verdampfer sind so konstruiert, dass sie auch bei Frostbedingungen zuverlässig arbeiten. Beschichtungen schützen vor Korrosion und optimierte Lamellenstrukturen vergrößern die Austauschfläche. Bei niedrigen Temperaturen aktiviert sich in vielen Geräten automatisch ein Abtauvorgang, der die Vereisung löst und so die Effizienz des Wärmetauschers stabil hält.  

Der Kompressor ist das zentrale Bauteil für Effizienz und Lebensdauer einer Wärmepumpe. Meist kommen Scroll- oder Rotationskompressoren zum Einsatz, die das gasförmige Kältemittel verdichten und dadurch Temperatur und Druck erhöhen. Das macht die zuvor aufgenommene Umweltwärme nutzbar für die Heizung. Moderne Inverter-Kompressoren, die ihre Drehzahl stufenlos regulieren können, erreichen elektrische Aufnahmeleistungen zwischen 2,5 und 15 Kilowatt.  

Die stufenlose Regulierung des Kompressors sorgt für längere Laufzeiten mit weniger Takten und erhöht die Effizienz. Hochwertige Kompressoren sind dabei für viele zehntausend Betriebsstunden ausgelegt und arbeiten zuverlässig über Jahrzehnte. Dabei erstaunen die Zahlen: Gasförmiges Kältemittel kann von 8 bis 8 bar auf 18 bis 25 bar verdichtet werden. Dadurch entstehen Temperaturen von 70 bis 90 Grad Celsius. Genau an dieser Stelle greift ein Hebeleffekt, der die Wärmepumpe zur Schlüsseltechnologie der Energiewende macht: Aus einer Kilowattstunde Strom entstehen je nach System drei bis fünf Kilowattstunden Heizwärme. Keine mit fossilen Energieträgern befeuerte Heizung erreicht diese Effizienz!

Der Kondensator, auch Verflüssiger genannt, gibt die durch Verdichtung generierte Wärme an das Wasser der Heizung ab. Dabei kühlt das Kältemittel ab, kondensiert und wird wieder flüssig. Kompakte Plattenwärmetauscher aus Edelstahl ermöglichen dabei eine sehr effiziente Wärmeübertragung auf engem Raum. Je nach System liegen die erreichbaren Heizwassertemperaturen zwischen 35 und 65 Grad Celsius. 

Besonders wirkungsvoll arbeiten Gegenstrom-Wärmetauscher: Hier fließen Heizwasser und Kältemittel in entgegengesetzte Richtungen, sodass sich selbst bei kleinen Temperaturdifferenzen viel Energie übertragen lässt. Hochtemperatur-Wärmepumpen erreichen damit auch Vorlauftemperaturen von bis zu 75 Grad Celsius – ein Vorteil bei Bestandsgebäuden mit klassischen Heizkörpern. 

Das Expansionsventil schließt den Kältemittelkreislauf und sorgt dafür, dass Druck und Temperatur des flüssigen Kältemittels abgesenkt werden. Dadurch ist das Medium bereit, im Verdampfer erneut Wärme aus der Umwelt aufzunehmen. Moderne elektronische Ventile arbeiten sehr feinfühlig und passen ihre Öffnung ständig an die Betriebsbedingungen an. 

Ein Überhitzungssensor überwacht die Temperatur und stellt sicher, dass kein flüssiges Kältemittel in den Kompressor gelangt. Diese präzise Regelung hält die Effizienz stabil – sowohl im Volllastbetrieb an frostigen Wintertagen als auch in Übergangszeiten mit geringer Last. Hochwertige Ventile sind für einen zuverlässigen Langzeitbetrieb ausgelegt und sichern den Kreislauf über viele Jahre. 

Erst wenn alle vier Bauteile, Verdampfer, Kompressor, Verflüssiger und Ventil harmonisch zusammenspielen, lässt sich wirklich beurteilen, wie effizient die gesamte Anlage arbeitet. Genau dafür dienen die Kennzahlen COP und SCOP sowie in Deutschland die sogenannte Jahresarbeitszahl (JAZ).  

Der COP (“Coefficient of Performance“) zeigt dabei unter festgelegten Prüfbedingungen, wie viel Wärme pro eingesetzter Kilowattstunde Strom entsteht. Typische Werte liegen bei vier bis fünf. Aus einer Kilowattstunde Strom werden also vier bis fünf Kilowattstunden Heizwärme. Der SCOP (“Seasonal COP“) geht einen Schritt weiter: Er bildet das gesamte Jahr mit Teillast und Klimaeinflüssen ab. In Deutschland wird daraus die JAZ gebildet, die direkt in Effizienzklassen einordnet, Grundlage für Förderungen ist und die Wirtschaftlichkeit einer Wärmepumpe realistisch abbildet. 

Wärmepumpen arbeiten besonders effizient mit niedrigen Vorlauftemperaturen zwischen 35 und 45 Grad Celsius, wie sie bei Fußbodenheizungen oder großen Niedertemperatur-Heizkörpern üblich sind. Neubauten mit spezifischen Heizlasten unter 50 W/m² erfüllen diese Voraussetzung meist von selbst. Auch Bestandsgebäude können effizient betrieben werden, wenn die Vorlauftemperatur auf etwa 50 bis 55 °C begrenzt wird. 

Für unsanierte Altbauten stehen Hochtemperatur-Wärmepumpen zur Verfügung, die Vorlauftemperaturen bis etwa 75 °C erreichen. Ihre Effizienz ist geringer, bleibt mit typischen COP-Werten um drei jedoch immer noch höher als bei fossilen Heizkesseln. Ein hydraulischer Abgleich, bei dem die Verteilung des heißen Heizwassers optimiert wird, verbessert die Wärmeverteilung im Haus und steigert die Effizienz der Heizung . Ein passend ausgelegter Pufferspeicher stabilisiert zudem den Betrieb und reduziert die Schalthäufigkeit. 

Warmwasser wird bei einem Wärmepumpen-System meist über integrierte oder separate Speicher mit 180 bis 500 Liter Fassungsvermögen bereitgestellt. Moderne Schichtladespeicher nutzen die Dichteunterschiede von warmem und kaltem Wasser und arbeiten sehr effizient. Eine hochwertige Dämmung reduziert Wärmeverluste auf ein Minimum, sodass die gespeicherte Energie lange nutzbar bleibt. 

Für einen Vier-Personen-Haushalt liegt der tägliche Bedarf bei etwa 160 bis 200 Liter Warmwasser. Dies entspricht rund acht bis zehn Kilowattstunden Energie und lässt sich von einer passend dimensionierten Wärmepumpe zuverlässig bereitstellen. Der Schutz vor Legionellen erfordert allerdings eine regelmäßige Aufheizung auf 60 °C. Als Alternative bieten Frischwasserstationen mit Durchlauferhitzer-Prinzip hygienische Warmwasserbereitung ohne Speicher und senken das Legionellenrisiko zudem deutlich. 

Die meisten modernen Wärmepumpen verfügen über digitale Regler mit übersichtlichem Display und lassen sich über Apps auch aus der Ferne steuern. Über genormte, digitale Schnittstellen wie KNX oder Modbus können sie in Smarthome-Systeme eingebunden werden. Hochwertige, sehr moderne Anlagen besitzen zum Teils sogar vorausschauende Regelungen, die Wetterprognosen in ihren Betrieb einbeziehen und zum Beispiel die Vorlauftemperatur vor einer Kältewelle erhöhen. Das kann den Stromverbrauch messbar senken. 

Besonders lohnend ist die Kombination mit Photovoltaik: Eine Anlage mit etwa acht bis zwölf Kilowatt Peak kann ihren Eigenverbrauchsanteil über die Nutzung via Wärmepumpe deutlich erhöhen. Intelligente Energiemanagement-Systeme verschieben Heiz- und Warmwasserzyklen außerdem in Zeiten hoher Solarproduktion, falls eine Solaranlage im Haus vorhanden ist. Auch variable Stromtarife ermöglichen Einsparungen, indem die Wärmepumpe automatisch zu günstigen Zeiten läuft. So lassen sich je nach Nutzung und Tarifstruktur Kostenreduzierungen erzielen. 

Heizungsausfälle und die regelmäßige Wartung des Brenners, der Abgaswege und Co. sind bei Gas- und Ölheizungen verhältnismäßig häufig. Im Vergleich dazu gelten Wärmepumpen als relativ wartungsarm. Wichtig ist vor allem die regelmäßige Reinigung der Luftwärmetauscher, um sie frei von Laub, Staub und Pollen zu halten. Schon kleine Verschmutzungen können die Effizienz hier mindern und damit den Stromverbrauch erhöhen. Fachbetriebe empfehlen in der Regel ein bis zwei Reinigungen pro Jahr.

Eine jährliche Inspektion durch den Fachbetrieb umfasst die Kontrolle des Kältemittelkreislaufs, der elektrischen Komponenten sowie die Aktualisierung der Regelparameter. Da der Kreislauf hermetisch geschlossen ist, sind Nachfüllungen normalerweise nicht erforderlich. Hochwertige Geräte sind für eine lange Betriebsdauer ausgelegt; Hersteller sichern dies durch mehrjährige Garantien und eine langfristige Ersatzteilversorgung ab.

Generell war im Streit um die Wärmepumpe in den letzten Jahren oft von der Leistbarkeit und der hohen finanziellen Belastung durch einen Heizungsaustausch die Rede. Entsprechend lohnt sich hier der Blick auf die Kosten und die Wirtschaftlichkeit einer Wärmepumpe als Heizung. 

Die Investitionskosten für Luft/Wasser-Wärmepumpen liegen je nach Leistung und Einbausituation zwischen etwa 12.000 und 25.000 Euro inklusive Installation. Bei Erdsonden oder Flächenkollektoren kommen für Bohrungen beziehungsweise Erdarbeiten meist 8.000 bis 15.000 Euro hinzu. Über die Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) lassen sich beim Tausch einer fossilen Heizung Zuschüsse von bis zu 70 Prozent der Kosten – maximal 21.000 Euro je Wohneinheit – beantragen.

Bei Strompreisen von rund 30 bis 35 ct/kWh und einer Jahresarbeitszahl von 4,0 ergeben sich Wärmegestehungskosten um acht ct/kWh. Damit liegt die Wärmepumpe günstiger als Gas oder Heizöl, die aktuell bei zehn bis 14 ct/kWh liegen. Für ein typisches Einfamilienhaus mit 20.000 Kilowattstunden Heizwärmebedarf kann dies jährliche Einsparungen von einigen Hundert Euro bedeuten.

Die Branche entwickelt sich rasant: Natürliche Kältemittel wie R290 (Propan) ersetzen zunehmend synthetische Alternativen und senken das Treibhauspotenzial von mehreren Tausend auf wenige CO₂-Äquivalente. Moderne Hochtemperatur-Wärmepumpen erreichen zudem Vorlauftemperaturen bis 80 bis 85 °C, was ihre Nutzung auch in Bestandsgebäuden mit klassischen Heizkörpern erleichtert – wenn auch mit spürbar geringerer Effizienz. 

Zunehmend gefragt sind Hybridlösungen, bei denen Wärmepumpe und Gas-Brennwertkessel kombiniert werden und automatisch nach Temperatur oder Tarif umschalten. Perspektivisch sollen Power-to-Heat-Anlagen überschüssigen erneuerbaren Strom in Wärme umwandeln und in Langzeitspeichern bereitstellen. In Quartiersprojekten versorgen Großwärmepumpen ganze Straßenzüge über Nahwärmenetze; hier werden unter günstigen Bedingungen Effizienzwerte (SCOP) von über fünf erreicht. 

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