So funktioniert eine Wärmepumpe
Eine Wärmepumpe entzieht der Umwelt Energie und macht sie zum Heizen nutzbar. Koppelt man eine Wärmepumpe mit einer PV-Anlage, werden Verbraucher*innen langfristig unabhängiger von der öffentlichen Energieversorgung. Doch wie genau funktioniert eine Wärmepumpe im Detail? Alles zum Thema erfahrt ihr im Ratgeber.
- Heizen mit einer Wärmepumpe
- Welche Vorteile hat eine Wärmepumpe?
- Die eigene Wärmepumpe im Haus: Funktion und Aufbau
- Die Funktion einer Wärmepumpe Schritt für Schritt erklärt
- Die verschiedenen Arten von Wärmepumpen auf einen Blick
- Monoblock und Split-Bauweise
- Zentrales Element: das Kältemittel
- Die richtige Beratung beim Kauf einer Wärmepumpe
- Die Leistungszahl einer Wärmepumpe: Coefficient of Performance (COP)
- Wärmepumpe vs. Gasheizung: Wie viel könnt ihr sparen?
- Gibt es Förderungen für Wärmepumpen?
- Wärmepumpen-Hybridsysteme
- Ihr habt noch Fragen zu Wärmepumpen? Hier gibt’s Antworten!
Heizen mit einer Wärmepumpe
Immer mehr Eigenheimbesitzer*innen wollen Energie aus nachhaltigen Quellen beziehen – dem Klima und dem Geldbeutel zuliebe. Bei der Wahl einer neuen Heizung kommt Wärmepumpen eine immer größere Bedeutung zu, denn mit der richtigen Stromquelle heizen sie klimafreundlich und sind ‒ je nach Art der Wärmequelle ‒ leicht zu installieren. Mit einer Wärmepumpe macht ihr euch zudem unabhängig von fossilen Brennstoffen und leistet damit einen wichtigen Beitrag zum Umweltschutz.
Insbesondere mit dem neuen Gebäudeenergiegesetz werden Wärmepumpen zum Heizen immer wichtiger: Denn seit dem 1. Januar 2024 dürfen in Neubauten nur noch Heizungen installiert werden, die zu 65 Prozent mit erneuerbaren Energien betrieben werden. Wärmepumpen eignen sich zum umweltfreundlichen Heizen deshalb ausgezeichnet.
Das Funktionsprinzip einer Wärmepumpe ist vergleichbar mit dem eines Kühlschranks – nur umgekehrt. Die Wärmepumpe entzieht der Umgebung Wärme, die zum Heizen oder zur Warmwassererzeugung genutzt wird. Die so erzeugte Energie ist besonders umweltfreundlich, wenn die Pumpe mit Ökostrom betrieben wird.
Auf dem Weg zur eigenen Wärmepumpe müsst ihr ein paar Entscheidungen treffen und unter anderem abwägen, welche Wärmepumpe für euch geeignet ist. Je nach Wärmequelle, aus der die Pumpe ihre Energie zieht, kommen unterschiedliche Arten von Wärmepumpen für euch infrage. LichtBlick unterstützt euch dabei, die passende Option zu finden.
Welche Vorteile hat eine Wärmepumpe?
Mit einer Wärmepumpe nutzt ihr erneuerbare Energien besonders effizient, reduziert dadurch euren CO₂-Ausstoß und macht euch unabhängig von endlichen Brennstoffen wie Gas, Öl oder Kohle. Ziel ist die Klimasystemintegration ‒ also ein Energiesystem ganz ohne fossile Brennstoffe. Neben den vielen positiven Umweltaspekten profitiert ihr mit dem Kauf einer Wärmepumpe auch von vielen Fördermöglichkeiten, die euch bei der Investition unterstützen. Auch wenn die Anschaffung einer Wärmepumpe zunächst teuer erscheint, spart ihr langfristig Energie- und Betriebskosten ‒ insbesondere dann, wenn ihr die Wärmepumpe mit einer PV-Anlage kombiniert. Davon profitiert ihr übrigens doppelt: Denn mit der Kombi aus beiden Systemen macht ihr euch unabhängiger von der öffentlichen Stromversorgung.
Die eigene Wärmepumpe im Haus: Funktion und Aufbau
Überall in der Umgebung ist Wärme vorhanden: in der Luft, im Erdreich und auch im Grundwasser. Eine Wärmepumpe kann der Umwelt diese Energie entziehen, sie auf ein höheres Temperaturniveau bringen und zum Heizen nutzbar machen. Die Wärmepumpe arbeitet nach dem Prinzip eines physikalischen (bzw. thermodynamischen) Kreisprozesses und nutzt dabei verschiedene physikalische Vorgänge wie etwa die Verdampfung und Kondensation von Kältemitteln.
Die Wärmepumpe besteht aus folgenden drei Komponenten:
Wärmequellenanlage: entzieht der Umgebung Energie
Wärmepumpe: macht die gewonnene Energie nutzbar
Wärmeverteil- und Speichersystem: verteilt und speichert die Wärme im Gebäude
Es gibt verschiedene Arten von Wärmequellen, die genutzt werden können: die Umgebungsluft, das Grundwasser oder die Erde. Die Wahl der Wärmequelle hängt von den örtlichen Gegebenheiten und den spezifischen Anforderungen ab. Die einzelnen Bestandteile der Wärmepumpe arbeiten so zusammen, dass ein Kreislauf entsteht, bei dem Wärme aus der Umgebung aufgenommen und in einem kälteren Bereich abgegeben wird.
Neben Wärmepumpen, die sowohl Räume als auch Wasser erwärmen können, gibt es auch Varianten, die ausschließlich für die Aufbereitung von Warmwasser verwendet werden: Warmwasser-Wärmepumpen, auch Brauchwasser-Wärmepumpen genannt.
Die Funktion einer Wärmepumpe Schritt für Schritt erklärt
Die Funktion einer Wärmepumpe basiert auf dem Prinzip des Wärmekreislaufs und der Nutzung physikalischer Gesetze. Dabei laufen folgende Schritte kontinuierlich nacheinander ab:
Schritt 1: Die Wärmequelle – beispielsweise die Umgebungsluft, das Grundwasser oder die Erde – liefert die Wärmeenergie an den Verdampfer der Wärmepumpe. Auf diese Weise gelangt die Energie ins System.
Schritt 2: Im Verdampfer befindet sich ein Kältemittel, das diese Wärmeenergie aufnimmt. Der Temperaturunterschied bringt die Flüssigkeit zum Verdampfen.
Schritt 3: Der entstandene Dampf wird in einem strombetriebenen Kompressor, dem zentralen Bauteil der Wärmepumpe, verdichtet. Er erhöht den Druck des verdampften Kältemittels, wodurch die Temperatur ansteigt. Für diesen Vorgang braucht es zusätzlich elektrische Energie von außen.
Schritt 4: Das erhitzte und komprimierte Kältemittel gelangt nun in den Wärmetauscher, der dem Dampf die Wärme entzieht und sie auf ein Wärmeverteil- und Speichersystem überträgt.
Schritt 5: Das Wärmeleitsystem mit Speicher der Wärmepumpe versorgt die Heizkörper und Warmwasseranlagen – und ihr habt es schön warm in eurem Zuhause.
Schritt 6: Das abgekühlte gasförmige Kältemittel wird anschließend wieder flüssig und der Druck durch ein Entspannungsventil auf das Anfangsniveau (Schritt 1) reduziert. Der Prozess beginnt von vorn.
Die verschiedenen Arten von Wärmepumpen auf einen Blick
Es gibt unterschiedliche Arten von Wärmepumpen, die sich anhand ihrer genutzten Umweltenergie oder des Anwendungsfalls voneinander unterscheiden:
Luft-Wasser-Wärmepumpe
Die Luft-Wasser-Wärmepumpe – auch Luftwärmepumpe genannt – nutzt die Energie aus der Umgebungsluft. Die Wärme wird über einen Ventilator angesaugt und auf das Kältemittel übertragen. Auf diese Weise gelangt die Energie in den Wärmekreislauf. Das Ganze funktioniert sogar bei sehr niedrigen Außentemperaturen. Die Anlage lässt sich über eine Inneneinheit steuern. Durch ihre flexiblen Installationsmöglichkeiten als Splitgerät oder Monoblock gehört diese Wärmepumpe zu den meistgenutzten Systemen in Deutschland. Die Monoblock-Variante ist besonders leicht zu installieren und daher kostengünstig.Eis-Energiespeicher
Beim Heizen mit Eis, das vorrangig in Gebäuden mit hohem Energiebedarf eingesetzt wird, kombiniert man einen unterirdischen Eisspeicher und eine Erdwärmepumpe miteinander. Die Wärmepumpe leitet ein Wasser-Glykol-Gemisch durch den Speicher unter der Erde. Da die Flüssigkeit kälter ist als das Wasser in der Zisterne, nimmt sie die thermische Energie auf und gibt sie an ein Kältemittel in der Wärmepumpe ab, wodurch diese ihren typischen Prozess durchläuft. Durch die Wiederholungen des Vorgangs erkaltet die Flüssigkeit in der Zisterne immer mehr. Durch den Wechsel des Aggregatzustands wird Energie freigesetzt, die sogenannte latente Wärme, die wiederum für wenig Speichervolumen sorgt. Ist das Wasser komplett gefroren, muss es zunächst auftauen, etwa mit Energie aus der Umgebung (Erde) oder durch Solar-Luft-Absorber. In den warmen Monaten können Gebäude mit einer solchen Wärmepumpe auch gekühlt werden.
Sole-Wasser-Wärmepumpe
Das Erdreich hat das ganze Jahr über eine gleichbleibende Temperatur, die sich die Sole-Wasser-Wärmepumpe zunutze macht. Es gibt zwei Möglichkeiten, an diese Wärme zu gelangen: durch flächig verlegte Erdkollektoren, die sich nah unter der Erdoberfläche befinden oder durch eine Erdsonde, die mit einer Erdbohrung auf dem Grundstück einhergeht. Für letztere sind Genehmigungen notwendig, um Erdsonden tief genug in den Boden einzubringen. Eine Erdwärmepumpe mit Erdkollektoren ist gängiger als die Variante mit einer Erdsonde. Die Funktion der Wärmepumpe ist vergleichbar mit den anderen Systemen und ihrem Wärmekreislauf, über den die Wärme von außen ins Innere geleitet wird.Großwärmepumpen
Großwärmepumpen (GWP) werden nicht in kleinen Privathaushalten, sondern in großen Wohngebäuden, in Industrie, Gewerbe und in der kommunalen Infrastruktur eingesetzt. Hier sorgen sie zuverlässig dafür, effizient zu wärmen oder zu kühlen. Als Wärmequellen dienen neben der Erde, dem (Ab-)Wasser und der Abwärme/Abluft auch die Solarthermie sowie Bioenergie- und Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen (KWK-Anlagen). Anders als im privaten Umfeld sind Großwärmepumpen noch nicht allzu weit verbreitet und weisen derzeit noch Leistungen zwischen 100 und 1.000 Kilowattstunden auf. Ab einer Leistung von zwei Megawatt werden Großwärmepumpen speziell für das zu beheizende Gebäude angefertigt. Die breite Markteinführung steht allerdings noch aus (Stand: Anfang 2024).¹
Wasser-Wasser-Wärmepumpe
Die Wasser-Wasser-Wärmepumpe nutzt das Grundwasser als Energiequelle. Auch hier herrschen das ganze Jahr über konstante Temperaturen. Wenn das Grundwasser auf dem Grundstück hoch genug steht, kann ein Brunnen gebaut werden, der mit der Wärmepumpe im Haus verbunden wird. So wird die Wärme aus dem Grundwasser über das Wärmepumpenprinzip auf die Heizungssysteme übertragen. Es gilt: Je höher Temperatur, Qualität und Menge des Grundwassers am Aufstellort, desto produktiver arbeitet die Wärmepumpe.Monoblock und Split-Bauweise
Split-Bauweise
Eine Split-Wärmepumpe besteht aus einer Außeneinheit und einer Inneneinheit, die über Leitungen miteinander verbunden sind. Vorteile sind die hohe Flexibilität in der Platzierung der Inneneinheiten und die individuelle Skalierbarkeit des Systems. Bei Splitgeräten wird das warme Wasser erst in der Inneneinheit erzeugt, das Kältemittel wird also ins Haus geleitet. Für den Einbau sind Eingriffe in die Gebäudehülle nötig, die eine Fachperson vornehmen sollte und die den Einbau aufwendiger machen.Monoblock
Eine Monoblock-Wärmepumpe vereint alle Komponenten in einem Gehäuse. Sie wird in der Regel außerhalb des Gebäudes installiert, ähnlich wie eine Klimaanlage ‒ kann aber auch im Innenraum aufgestellt werden. In diesem Fall muss die Wärme nicht über lange Wege transportiert werden. Bei Außenaufstellung wird die Wärme über unterirdische Leitungen an den innen liegenden Wärmeverteilsystem- und Speicher abgegeben. Die Installation ist vergleichsweise einfach und günstig. Beim Monoblock-System besteht allerdings eine gewisse Einfriergefahr der Leitungen.Zentrales Element: das Kältemittel
Das Kältemittel spielt eine entscheidende Rolle bei der Funktion einer Wärmepumpe. Es ist das Medium, das die Wärmeenergie der Energiequelle aufnimmt, sie transportiert und schließlich an das Heizsystem abgibt. Es handelt sich dabei um eine chemische Substanz mit einer sehr tiefen Siedetemperatur. Die wichtigsten Eigenschaften von Kältemitteln auf einen Blick:
Fähigkeit zur Wärmeübertragung: Kältemittel können Wärme aufnehmen und sie wieder an die Umgebung abgeben.
Optimaler Phasenwechsel: Ein Kältemittel kann seinen Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig ändern.
Niedriger Gefrierpunkt: Die meisten Kältemittel frieren selbst bei niedrigen Temperaturen nicht ein.
Druck-Temperatur-Verhalten: Kältemittel weisen ein bestimmtes Druck-Temperatur-Verhalten auf. Das bedeutet, dass bei einem gegebenen Druck eine bestimmte Temperatur vorliegt und umgekehrt.
Chemische Stabilität: Kältemittel gehen keine unerwünschten Reaktionen mit anderen Komponenten in der Wärmepumpe ein.
Gute Kältemittel sind in der Lage, selbst bei Temperaturen bis −20 °C Wärme in das Heizungssystem einzuspeisen. Auch bei niedrigen Temperaturen gibt es immer noch eine gewisse Menge an thermischer Energie in der Umgebung, die vom Kältemittel aufgenommen werden kann. Dieses Phänomen basiert auf den thermodynamischen Eigenschaften des Kältemittels. Während des Verdampfungsprozesses im Verdampfer der Kälteanlage wird das Kältemittel in Kontakt mit einem Medium gebracht, das eine niedrigere Temperatur hat als das Kältemittel selbst. Das Kältemittel nimmt die Wärmeenergie aus diesem Medium auf, was dazu führt, dass es verdampft und gasförmig wird. Als natürliches Kältemittel kann etwa R290 Propan verwendet werden.
Die richtige Beratung beim Kauf einer Wärmepumpe
Damit eure Wärmepumpe wirtschaftlich arbeitet, muss sie genau an eure Immobilie und eure Bedürfnisse angepasst werden. Nehmt deshalb im Vorfeld eurer Investition eine umfangreiche Beratung bei Expert*innen in Anspruch, bei der ihr alle für den Kauf relevanten Fragen klärt. Dabei solltet ihr insbesondere die folgenden Punkte im Blick haben: • Wohnt ihr in einem Neu- oder Altbau? • Wie hoch ist euer Energiebedarf? • Welche Energiequelle wollt ihr für eure Wärmepumpe verwenden bzw. welche kommt für euch und den Standort eures Hauses überhaupt infrage? • Wer kümmert sich um die Planung der Wärmepumpe und ggf. die Erschließung der Wärmequelle und wie sieht der Prozess im Detail aus? • Welche Kosten kommen beim Kauf einer Wärmepumpe auf euch zu und welche Förderungen könnt ihr erhalten?
Die Leistungszahl einer Wärmepumpe: Coefficient of Performance (COP)
Der COP einer Wärmepumpe gibt ihre Leistungsfähigkeit an. Er ist ein theoretischer Wert, der unter Laborbedingungen ermittelt wird ‒ das unterscheidet ihn von der Jahresarbeitszahl (JAZ) einer Wärmepumpe, die in der Praxis unter Realbedingungen und über einen längeren Zeitraum ermittelt wird. Der COP ist insbesondere bei eurer Kaufentscheidung wichtig, denn mit ihm könnt ihr die Leistung ‒ also das Verhältnis von Stromverbrauch eurer Wärmepumpe zu erzeugter Wärme ‒ unterschiedlicher Wärmepumpen miteinander vergleichen.
Neben dem COP gibt es auch den SCOP (kurz für: Seasonal Coefficient of Performance). Er misst den COP in Abhängigkeit der Außentemperatur. Das macht ihn in der Praxis aussagekräftiger als der COP. Der SCOP wird unter vorgegebenen Temperaturen gemessen: bei 12 °C, 7 °C, 2 °C und −7 °C.
Wärmepumpe vs. Gasheizung: Wie viel könnt ihr sparen?
Fast die Hälfte aller Wohnungen in Deutschland wird derzeit noch mit Gas geheizt. Dabei ist eine Wärmepumpe nicht nur klimafreundlicher, sondern auf Dauer auch viel günstiger ‒ insbesondere im Hinblick auf die vielen Förderungen, die es für Wärmepumpen gibt. Tauscht ihr eure alte Gasheizung gegen eine neue Wärmepumpe aus, profitiert ihr von verschiedenen Vorteilen:
Kosten: Eine neue Gasheizung kostet euch etwa 3.700 Euro im Jahr. In diesem Preis inbegriffen sind Kapital-, Wartungs-, Energiebezugs- und CO2-Kosten. Für eine Luftwärmepumpe zahlt ihr im Vergleich inklusive Grundförderung und Klima-Geschwindigkeits-Bonus nur etwa 3300 und damit rund 400 Euro weniger im Jahr. Wenn ihr zusätzlich den Einkommensbonus erhaltet, erhöht sich eure Förderung und damit auch eure Einsparung auf etwa 745 Euro im Jahr. Einen Überblick über die Förderungen im Zuge des Heizungsgesetzes erhaltet ihr auch im separaten Ratgeber.
Umwelt: Während ihr beim Heizen mit Erdgas oder Heizöl eine CO2-Steuer für klimaschädliche Brennstoffe zahlen müsst, ist dies bei einer Wärmepumpe nicht der Fall. Zudem werden die CO2-Kosten voraussichtlich weiter steigen. Betreibt ihr eure Wärmepumpe mit klimafreundlichem Ökostrom ‒ am besten aus eurer eigenen PV-Anlage ‒, heizt ihr zudem sehr klimafreundlich und tragt einen wichtigen Beitrag zum Umweltschutz bei.
Wirtschaftlichkeit: In der Anschaffung sind Wärmepumpen zwar teurer als Gasheizungen, dafür liegen die Stromkosten im laufenden Betrieb weit unter den Gaskosten für eine Gasheizung. Zudem können Wärmepumpen in der Anschaffung durch Förderungen subventioniert werden. Selbst dann, wenn die Strompreise neue Höchstwerte erreichen sollten, amortisiert sich eine Wärmepumpe innerhalb ihrer Laufzeit schnell.²
Gibt es Förderungen für Wärmepumpen?
Um die Investition in eine Wärmepumpe zu erleichtern, könnt ihr Förderungen in Anspruch nehmen. Die Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG), die im Zuge des Gebäudeenergiegesetzes überarbeitet wurde, unterstützt euch beispielsweise bei der Sanierung eures Wohngebäudes, wenn ihr damit die Energiebilanz verbessert – also zum Beispiel beim Einbau einer Wärmepumpe. Denn mit dem GEG einher geht auch die Vorgabe, dass spätestens ab 2028 alle neuen Heizungen mit mindestens 65 Prozent erneuerbaren Energien betrieben werden sollen. Ein wichtiger Schritt zur Energiewende. Alles zum Thema Förderungen von Wärmepumpen erfahrt ihr auch im Ratgeber.
Wärmepumpen-Hybridsysteme
Besonders stark sind Wärmepumpen im Verbund mit weiteren Anlagen, etwa mit Solarthermie, einer Gasheizung oder Photovoltaik. Je nach Baujahr eures Hauses können Kombi- oder Hybridsysteme sinnvoll sein, damit ihr zuverlässig mit Energie versorgt seid.
Wärmepumpe und Photovoltaik
Hier handelt es sich nicht um ein Hybrid-, sondern ein Kombisystem, denn die Wärmepumpe wird durch die Solarmodule unterstützt. Sie erzeugen den für den Betrieb der Wärmepumpe benötigten Strom – komplett klimafreundlich. Mit dem Kombipaket steigert ihr zudem die Wirtschaftlichkeit eurer PV-Anlage, indem ihr möglichst viel eures produzierten Solarstroms selbst nutzt. Mit einem Schalldruckpegel von 46 dB(A) im Nachtmodus und einer benötigten Stellfläche von 0,5 m2 bekommt ihr eine Wärmepumpe, die nicht nur leise und platzsparend ist, sondern auch mit Qualitätsdesign aus Deutschland überzeugt. Auf Wunsch steuert ihr die Wärmepumpe auch ganz einfach per App – und habt somit alles von überall aus im Griff. Mit optimal aufeinander abgestimmten Komponenten macht ihr euch unabhängiger von externer Strom- und Wärmeversorgung und schützt gleichzeitig das Klima. Win-win-Situation!Photovoltaik und Wärmepumpe: das perfekte Match
Mit dem Komplettpaket von LichtBlick verbindet ihr Solarenergie und die Technologie einer WärmePumpe, um klimafreundlich Energie zu erzeugen.
Zum Komplettpaket aus WärmePumpe und SolarAnlageIhr habt noch Fragen zu Wärmepumpen? Hier gibt’s Antworten!
Quelle: Wärmequellen
Quellen: ZfK, heizung.de