Einfach erklärt: Wie funktioniert eine Wärmepumpe?
Wie funktioniert eine Wärmepumpe und wie heizt sie?
Die Funktionsweise einer Wärmepumpe lässt sich ganz einfach erklären: Sie macht die Energie aus der Umwelt für den Innenbereich nutzbar. Sie verbraucht also keine fossile Energie und ist damit im Vergleich zu Öl- oder Gasheizungen absolut klimafreundlich. Zudem liegen die Betriebskosten für eine Wärmepumpenheizung zwischen 30 und 50 Prozent unter denen einer Öl- oder Gasheizung.
Die Technologie dahinter basiert im Wesentlichen auf dem umgekehrten Prinzip von Kühlschränken. Diese ziehen die warme Luft aus ihrem Inneren und leiten sie nach außen, damit es innen schön kühl ist. Wärmepumpen leiten die Energie außerhalb des Gebäudes nach innen. Dafür machen sie sich je nach Modell die kostenlose Energie aus der Außenluft, dem Grundwasser oder dem Erdreich zunutze.
Unabhängig von der Wärmequelle läuft im Inneren eines jeden Wärmepumpensystems kontinuierlich ein technisches Prinzip aus vier Schritten ab. Hierbei wird ein flüssiges Kältemittel wiederholend verdampft, verdichtet, verflüssigt und entspannt. Zuvor nimmt es die Wärmeenergie aus der Umwelt auf und macht sie für das Heizsystem nutzbar. Und so läuft der Prozess im Detail ab:
Verdampfen: Nachdem die Wärme aus der Außenluft, der Erde oder dem Grundwasser in den Wärmepumpenkreislauf aufgenommen wurde, wird diese auf ein Kältemittel übertragen. Das Mittel ist für den Transport der Wärmeenergie zuständig und nimmt diese in seinem flüssigen Zustand auf, wodurch es verdampft und gasförmig wird.
Verdichten: Das gasförmige Kältemittel wird im Verdichter auf ein höheres Druckniveau komprimiert. Dadurch steigt die Temperatur des Gases auf 60 bis 100 Grad an.
Verflüssigen: Das komprimierte, heiße Kältemittel gibt seine Energie an das Heizsystem oder an den hauseigenen Wärmespeicher ab. Dadurch kondensiert es und wird wieder flüssig.
Entspannen: Der zuvor aufgebaute Druck wird über ein Ventil wieder herabgesetzt. Dadurch kühlt das Kältemittel weiter ab, bis es seine Ausgangstemperatur erreicht hat. In diesem Zustand fließt es zurück in den Verdampfer, und der Prozess beginnt von Neuem.
Noch nicht anschaulich genug? In dem folgenden Video haben wir noch mal ganz einfach erklärt, wie eine Wärmepumpe funktioniert.
Welche Wärmepumpen gibt es, und wie unterscheiden sie sich?
Sole-Wasser-Wärmepumpe
Die sogenannte Erdwärmepumpe oder Sole-Wasser-Wärmepumpe nutzt die Umweltenergie der Erde zum Heizen. Dafür muss die Wärmepumpe an Erdkollektoren oder Erdsonden angeschlossen sein, die ein bis zwei Meter (Erdkollektor) beziehungsweise bis zu 100 Meter tief (Erdsonde) in der Erde vergraben und mit Zuleitungen zur Wärmepumpe versehen werden. Ein Erdkollektor nutzt somit die oberflächennahe Wärme, während mit einer Erdsonde die Tiefenwärme erschlossen wird. Welche Erschließungsart für Sie die richtige ist, entscheidet unter anderem der vorhandene Platz. So kann ein Erdkollektor beispielsweise nicht überbaut werden. Da unter der Erdoberfläche ganzjährig eine konstante Temperatur herrscht, arbeiten Sole-Wasser-Wärmepumpen besonders effizient.
Luft-Wasser-Wärmepumpe
Dieses Modell kann im Haus mit Anschluss nach außen oder im Freien direkt an der Hauswand installiert werden. Die Aufwände für bauliche Maßnahmen lassen sich dementsprechend minimieren. Bei einer Luftwärmepumpe wird die Außenluft durch einen Ventilator angesaugt und an einen Wärmeüberträger weitergeleitet. Allerdings ist die Lufttemperatur starken Schwankungen unterworfen. Die dadurch entstehenden Temperaturunterschiede müssen durch das Wärmepumpensystem ausgeglichen werden. Heißt: Je kälter die angesaugte Luft, desto mehr muss das Kältemittel durch Strom erhitzt werden. Luftwärmepumpen arbeiten also weniger effizient als Erdwärmepumpen.
Wasser-Wasser-Wärmepumpe
Bei diesem Modell wird die im Grundwasser enthaltene Wärme verwendet, um damit zu heizen. Der Vorteil ist, dass im Grundwasser ganzjährig konstant hohe Temperaturen herrschen. Deshalb arbeitet eine Wasserwärmepumpe ähnlich effizient wie eine Erdwärmepumpe. Dafür ist die Installation des Systems etwas aufwendiger. Hierfür müssen zwei Brunnen mit einer Bohrtiefe von mindestens fünf Metern und einem Abstand von mindestens 15 Metern angelegt werden – ein Saugbrunnen, der das Grundwasser entnimmt, und ein Schluckbrunnen, der das verwendete Wasser wieder abgibt.
Hätten Sie’s gewusst? Unter bestimmten Voraussetzungen können Wärmepumpen sogar als klimaschonende und günstige Alternativen zu Klimaanlagen eingesetzt werden. Wie genau das funktioniert, lesen Sie in unserem Artikel „Kalt statt heiß: Kühlen mit Wärmepumpen.“
Wie funktioniert eine Wärmepumpe im Winter?
Wärmepumpen sind auf einen individuellen Heizbedarf angepasst und heizen selbst bei extremen Minusgraden bis zu -35 Grad zuverlässig. Das liegt daran, dass Luft, Wasser oder Erdboden stets wärmer als die eingesetzten Kältemittel sind. Kann die Wärmepumpe den Heizbedarf doch einmal nicht decken, springt automatisch ein Heizstab ein. Dieser ist in allen modernen Wärmepumpen verbaut und dient als zusätzlicher Wärmeerzeuger im Notfall, falls die Wärmepumpe die notwendige Heizleistung nicht erbringen kann. Im Hinblick auf immer mildere Winter kommt das aber nur selten vor.
Allerdings kann es passieren, dass dadurch der Stromverbrauch insbesondere von Luftwärmepumpen im Winter leicht ansteigt. Das liegt daran, dass Wärmepumpen mehr Energie benötigen, je größer der Temperaturunterschied zwischen der Energiequelle und der Heiztemperatur ist. Die Bodentemperatur liegt auch bei -20 Grad Lufttemperatur in zwei bis drei Metern Tiefe bei etwa zehn bis 13 Grad. Die Erdwärmepumpe muss im Winter also viel weniger Energie als eine Luftwärmepumpe aufwenden, um die aufgenommene Wärme auf Raumtemperatur zu bringen. Gleiches gilt für Wasserwärmepumpen, weil die Temperatur des Grundwassers das gesamte Jahr über zwischen acht und zwölf Grad liegt.
So berechnen Sie den Stromverbrauch einer Wärmepumpe
Trotz ihres leicht erhöhten Stromverbrauchs im Winter heizen Wärmepumpen dennoch sehr effizient und sparsam, weil sie im Vergleich zu anderen Heizsystemen wie Öl- oder Gasheizungen einen hohen Wirkungsgrad haben.
Um ihren tatsächlichen Stromverbrauch abzuschätzen, wird die individuelle Jahresarbeitszahl (JAZ) der Wärmepumpe benötigt. Diese variiert je nach Modell und Ausführung der Pumpe. Zusätzlich spielt der individuelle Heizwärmebedarf des Hauses eine Rolle. Diesen finden Sie beispielsweise auf Ihrer Heizkostenabrechnung.
Mit dieser Formel können Sie den Stromverbrauch einer Wärmepumpe ermitteln:
Beispiel:
Moderne Wärmepumpen haben eine Jahresarbeitszahl zwischen 3 und 5, wobei 5 effizienter ist als 3. Angenommen, eine Wärmepumpe hat eine JAZ von 4, die Heizleistung liegt bei 10 kW, und es wird 2000 Stunden pro Jahr geheizt.
Pro Tag ergibt das einen Energieverbrauch von 13,7 kWh. Bei einem Strompreis von 0,40 Euro/kWh sind das etwa 5,50 Euro pro Tag. Zum Vergleich: Eine Ölheizung verbraucht täglich durchschnittlich 25 Liter Heizöl. Das kostet – bei einem Heizölpreis von 0,80 Euro/Liter – circa 20 Euro pro Tag.
Gibt es staatliche Förderungen für den Einbau von Wärmepumpen?
Die Bundesregierung bezuschusst den Einbau von Wärmepumpen. Das neue Heizungsgesetz, offiziell: Gebäudeenergiegesetzt (GEG) regelt, dass Antragsteller:innen ab Januar 2024 einen Zuschuss in Höhe von bis zu 70 Prozent der Kosten erhalten können. Unser Ratgeber zeigt alle Förderprogramme zur energetischen Sanierung im Überblick. Mehr Details zum Gebäudeenergiegesetz können Sie im Artikel „Alles zum Heizungsgesetz“ nachlesen.
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Artikel vom 1. September 2021. Zuletzt aktualisiert am 23. November 2023.
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