Wie funktioniert eine Wärmepumpe? Aufbau, Kältekreis und Verbrauch

Das Prinzip: Wärme aus der Umwelt

Wie funktioniert eine Wärmepumpe? Am einfachsten erklärt man es mit dem Kühlschrank, nur andersherum. Der Kühlschrank entzieht dem Innenraum Wärme und gibt sie hinten an die Küche ab. Eine Wärmepumpe entzieht der Umgebung Wärme, also der Außenluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser, und gibt sie an Ihr Heizsystem ab. Sie erzeugt Wärme nicht durch Verbrennung, sondern sammelt vorhandene Umweltwärme ein und hebt sie auf ein nutzbares Temperaturniveau.

Das entscheidende Detail: In der Umwelt steckt selbst bei niedrigen Temperaturen jede Menge Wärme. Die Wärmepumpe braucht Strom nur, um diese Wärme einzusammeln und hochzupumpen, nicht um sie selbst herzustellen. Deshalb liefert sie ein Vielfaches der eingesetzten Energie. Als grobe Orientierung stammen etwa drei Viertel der Heizwärme aus der Umwelt und nur rund ein Viertel aus Strom. Der genaue Anteil hängt von der Anlage und den Betriebsbedingungen ab.

Vom Aufbau her besteht jede Wärmepumpenheizung aus drei Teilen: der Wärmequellenanlage, die die Umweltwärme aufnimmt, der Wärmepumpe selbst mit dem Kältekreis, in dem die Temperatur angehoben wird, und dem Wärmeverteil- und Speichersystem, also Fußbodenheizung oder Heizkörper und dem Warmwasserspeicher. Das Herzstück ist der mittlere Teil, der Kältekreis.

Wie gut die drei Teile zusammenspielen, entscheidet später über den Stromverbrauch. Deshalb legen wir jede Wärmepumpen-Installation auf das konkrete Gebäude aus statt nach Faustformel.

Der Kältekreis in vier Schritten

Im Inneren der Wärmepumpe zirkuliert ein Kältemittel. Das ist eine Flüssigkeit mit einem sehr niedrigen Siedepunkt, die schon bei frostigen Temperaturen verdampft. Moderne Geräte nutzen dafür bevorzugt das natürliche Kältemittel Propan (R290). Dieses Kältemittel durchläuft einen geschlossenen Kreislauf aus vier Schritten, immer wieder.

1. VerdampfenIm Verdampfer trifft das flüssige, kalte Kältemittel auf die Umweltwärme aus Luft, Erde oder Wasser. Schon diese geringe Wärme reicht, damit es verdampft und gasförmig wird. Es nimmt dabei die Umweltwärme in sich auf.
2. VerdichtenDer Verdichter (Kompressor) presst das Gas zusammen. Wie bei einer Fahrradpumpe, die sich beim Aufpumpen erwärmt, steigen dabei Druck und Temperatur stark an. Genau dieser Verdichter ist das Bauteil, das den Strom verbraucht.
3. VerflüssigenDas nun heiße Gas strömt in den Verflüssiger (Kondensator) und gibt seine Wärme an das Heizwasser ab. Dabei kühlt es wieder ab und wird flüssig. Diese Wärme geht in Ihre Heizung und in den Warmwasserspeicher.
4. EntspannenÜber das Expansionsventil wird der Druck schlagartig abgesenkt. Das Kältemittel kühlt dabei weit ab und ist wieder bereit, im Verdampfer neue Umweltwärme aufzunehmen. Der Kreis beginnt von vorn.

Der Trick des ganzen Vorgangs steckt im Verdichter: Er hebt das Temperaturniveau der eingesammelten Umweltwärme so weit an, dass sie zum Heizen taugt. Der Strom fließt also nicht in die Wärme selbst, sondern nur in das Anheben der Temperatur. Deshalb ist das Verhältnis von eingesetztem Strom zu gewonnener Wärme so günstig.

Welche Wärmequelle: Luft, Erde, Wasser

Woher die Wärmepumpe ihre Umweltwärme bezieht, unterscheidet die drei gängigen Bauarten. Das Grundprinzip mit dem Kältekreis bleibt bei allen gleich, nur die Wärmequellenanlage ist verschieden.

• Luft-Wasser-Wärmepumpe: holt die Wärme aus der Außenluft. Sie ist am weitesten verbreitet, günstig in der Anschaffung und ohne Erdarbeiten aufzustellen. Im tiefen Winter arbeitet sie etwas weniger effizient, weil die Außenluft dann am kältesten ist.
• Sole-Wasser-Wärmepumpe (Erdwärme): nutzt die Wärme aus dem Erdreich über Erdsonden oder Flächenkollektoren. Das Erdreich hat ganzjährig eine recht konstante Temperatur, deshalb sind hier die höchsten Jahresarbeitszahlen möglich. Dafür ist der Aufwand für Bohrung oder Kollektor größer.
• Wasser-Wasser-Wärmepumpe: zapft die stabile Temperatur des Grundwassers an. Sehr effizient, aber an geeignete hydrogeologische Bedingungen und eine wasserrechtliche Erlaubnis gebunden.

Welche Quelle für Ihr Grundstück sinnvoll ist, hängt von Platz, Untergrund und Budget ab. Die Erdwärme mit ihren Bohrtiefen, Genehmigungen und Kosten betrachten wir ausführlich im eigenen Ratgeber zur Erdwärmepumpe. Hier bleibt es bei der Einordnung.

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Mehr zur Wärmepumpe

Im Winter und zum Kühlen

Die häufigste Sorge betrifft den Winter, und sie ist unbegründet. Auch bei zweistelligen Minusgraden steckt in der Luft und erst recht im Erdreich noch nutzbare Wärme, und das Kältemittel verdampft bereits weit unter dem Gefrierpunkt. Eine richtig ausgelegte Wärmepumpe heizt daher auch an kalten Tagen zuverlässig. Erst bei extremer Dauerkälte kann ein eingebauter elektrischer Heizstab kurz zuschalten, um Spitzen abzufedern. Im Normalbetrieb bleibt er aus.

Bei Luft-Wärmepumpen bildet sich an frostigen Tagen Reif am Verdampfer. Dann kehrt die Anlage kurz den Kreislauf um und taut sich selbst ab. Das ist normaler Betrieb und kostet nur wenig Energie.

Umgekehrt kann eine Wärmepumpe im Sommer auch kühlen. Viele Modelle sind reversibel: Sie drehen den Kältekreis um und führen Wärme aus den Räumen nach draußen ab. In Verbindung mit einer Flächenheizung sorgt das für eine sanfte, angenehme Kühlung an Hitzetagen. Wie kritische Grenzfälle und mögliche Nachteile aussehen, ordnen wir ehrlich im Ratgeber zu den Nachteilen der Wärmepumpe ein.

Was verbraucht eine Wärmepumpe wirklich?

Jetzt zum Punkt, den viele Herstellerseiten offenlassen: der Wärmepumpe-Verbrauch. Der Stromverbrauch lässt sich überschlägig einfach berechnen. Sie brauchen zwei Zahlen, den Jahres-Wärmebedarf Ihres Hauses in Kilowattstunden und die Jahresarbeitszahl der Anlage. Die Formel lautet:

Jahres-Wärmebedarf ÷ JAZ = Strombedarf pro Jahr

Ein Rechenbeispiel macht die Logik greifbar. Nehmen wir ein Haus mit beispielhaft 12.000 Kilowattstunden Jahres-Wärmebedarf. Je nach erreichter Jahresarbeitszahl ergibt sich ein deutlich unterschiedlicher Strombedarf. Die Zahlen sind illustrativ und ersetzen keine Berechnung für Ihr Gebäude:

Dasselbe Haus, dieselbe Wärmemenge, aber je nach Effizienz ein Unterschied von über 1.400 Kilowattstunden im Jahr. Das zeigt, warum die JAZ die wichtigste Zahl überhaupt ist. Sie steigt mit niedriger Vorlauftemperatur, etwa 30 bis 35 Grad bei einer Flächenheizung, mit guter Dämmung und mit einem sauberen hydraulischen Abgleich. Sie sinkt bei hohen Vorlauftemperaturen, schlecht gedämmten Häusern und häufigem Takten. Diese Effizienzfaktoren beleuchten wir sachlich im Ratgeber zu den Grenzen und Nachteilen.

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Wir sagen Ihnen vor dem Kauf, welchen Stromverbrauch Sie realistisch erwarten dürfen, gemessen an der echten Heizlast Ihres Hauses.

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Was das an Stromkosten bedeutet

Aus dem Strombedarf werden Stromkosten, sobald man den Strompreis kennt. Genau hier verbietet sich jede Pauschale, denn der Preis unterscheidet sich stark. Für Wärmepumpen gibt es meist einen eigenen, vergünstigten Wärmepumpentarif, der günstiger ist als der normale Haushaltsstrom. Die Marktspanne für Haushaltsstrom bewegt sich derzeit ungefähr zwischen 25 und 40 Cent pro Kilowattstunde, Wärmepumpenstrom liegt in der Regel darunter. Die genaue Zahl hängt von Ihrem Anbieter und Tarif ab.

Rechnet man das Beispiel von oben weiter, ergibt sich aus rund 3.430 Kilowattstunden und einem angenommenen Preis von 30 Cent ein Betrag von grob 1.030 Euro im Jahr. Das ist bewusst nur eine Größenordnung zum Nachvollziehen der Logik, keine Zusage von uns. Ihre belastbare Zahl entsteht aus der Heizlastberechnung, der prognostizierten JAZ und Ihrem tatsächlichen Stromtarif.

Ob sich der Umstieg gegenüber Ihrer bisherigen Öl- oder Gasheizung rechnet, ist eine eigene Rechnung aus Anschaffung, Förderung, Verbrauch und den erwarteten Energiepreisen. Wir stellen sie im Angebot transparent auf, und wo gewünscht, zeigen wir dazu ein passendes Ratenmodell.

Was das für Ihr Haus bedeutet, klären wir im Beratungsgespräch zu Wärmepumpen für Altbau und Neubau.