Wie funktioniert eine Wärmepumpe — einfach erklärt
Eine Wärmepumpe wirkt auf den ersten Blick wie Magie: Sie macht aus einer Einheit Strom mehrere Einheiten Wärme. Dahinter steckt aber keine Magie, sondern ein gut verstandenes physikalisches Prinzip. Diese Q&A-Seite erklärt verständlich, wie eine Wärmepumpe funktioniert — das Grundprinzip, den Kältekreis Schritt für Schritt und warum die Rechnung aufgeht.
Das Grundprinzip — Wärme von draußen nach drinnen pumpen
Der Name sagt es bereits: Eine Wärmepumpe pumpt Wärme. Genauer gesagt holt sie Wärme von einem Ort mit niedriger Temperatur und gibt sie an einem Ort mit höherer Temperatur wieder ab. Das klingt zunächst widersinnig. Wärme fließt doch von selbst immer von warm nach kalt — nie umgekehrt. Ein heißer Kaffee wird kalt, nicht heißer. Genau hier liegt der Trick: Die Wärmepumpe transportiert Wärme gegen diese natürliche Richtung, von kalt nach warm. Und dafür braucht sie Energie — den Strom. Das vertraute Vorbild steht in jeder Küche: der Kühlschrank. Ein Kühlschrank entzieht dem Innenraum Wärme und gibt sie hinten am Gerät an die Küche ab — deshalb ist die Rückseite warm. Ein Kühlschrank ist also eine Wärmepumpe, die nach innen kühlt und nach außen heizt. Die Heizungs-Wärmepumpe macht dasselbe, nur in größerem Maßstab und mit umgekehrtem Nutzen: Sie entzieht der Umwelt — der Außenluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser — Wärme und gibt sie an das Heizsystem des Hauses ab. Der entscheidende Punkt, der viele überrascht: Auch kalte Luft enthält Wärme. Physikalisch enthält jeder Stoff Wärmeenergie, solange seine Temperatur über dem absoluten Nullpunkt von minus 273 Grad liegt. Außenluft von null Grad ist für unser Empfinden kalt — verglichen mit minus 273 Grad ist sie aber regelrecht warm und steckt voller nutzbarer Wärmeenergie. Genau diese Energie zapft die Wärmepumpe an. Die Umweltwärme ist dabei kostenlos und unerschöpflich. Die Sonne erwärmt ständig Luft und Boden nach. Was die Wärmepumpe bezahlen muss, ist nicht die Wärme selbst, sondern nur die Energie für den Pumpvorgang — den Strom für den Verdichter. Und weil der Pumpvorgang viel weniger Energie braucht, als am Ende an Wärme herauskommt, ist die Wärmepumpe so effizient. Wie dieser Pumpvorgang technisch abläuft, zeigt der nächste Abschnitt: der Kältekreis.
Der Kältekreis Schritt für Schritt
Das Herzstück jeder Wärmepumpe ist der Kältekreis — ein geschlossener Kreislauf, in dem eine besondere Flüssigkeit zirkuliert: das Kältemittel. Das Kältemittel hat eine Eigenschaft, die alles möglich macht: Es verdampft und verflüssigt sich schon bei niedrigen Temperaturen, und durch Änderung des Drucks lässt sich dieser Punkt verschieben. Der Kältekreis durchläuft vier Stationen, immer im Kreis: Station 1 — der Verdampfer. Hier trifft das flüssige, sehr kalte Kältemittel auf die Umweltwärme — die Außenluft, das Erdreich oder das Wasser. Obwohl die Umweltquelle für uns kalt wirkt, ist sie wärmer als das Kältemittel. Deshalb fließt Wärme von der Umwelt ins Kältemittel. Diese Wärme bringt das Kältemittel zum Verdampfen — es wird gasförmig. Es hat dabei Wärme aufgenommen. Station 2 — der Verdichter. Das gasförmige Kältemittel wird nun von einem Verdichter — angetrieben vom Strom — stark zusammengepresst. Wenn man ein Gas zusammenpresst, steigt seine Temperatur. Das kennt jeder von der Luftpumpe, die sich beim Pumpen erwärmt. Durch das Verdichten wird das Kältemittel also heiß — heiß genug, um damit zu heizen. Der Verdichter ist das eigentliche Pumpenherz und der einzige große Stromverbraucher. Station 3 — der Verflüssiger. Das nun heiße, unter hohem Druck stehende Kältemittelgas gibt seine Wärme an das Heizsystem des Hauses ab — an das Wasser, das zu den Heizkörpern oder der Fußbodenheizung fließt. Indem es Wärme abgibt, kühlt das Kältemittel ab und wird wieder flüssig. Dieser Schritt liefert die nutzbare Heizwärme. Station 4 — das Expansionsventil. Das flüssige Kältemittel steht noch unter hohem Druck. Im Expansionsventil wird der Druck schlagartig abgesenkt. Mit dem Druck fällt auch die Temperatur — das Kältemittel wird wieder sehr kalt. Damit ist es bereit, am Verdampfer erneut Umweltwärme aufzunehmen, und der Kreislauf beginnt von vorn. Die Kurzfassung: aufnehmen, verdichten, abgeben, entspannen — immer im Kreis. Das Kältemittel pendelt dabei ständig zwischen flüssig und gasförmig, zwischen kalt und heiß. Die Umweltwärme tritt am Verdampfer ein, die Heizwärme am Verflüssiger aus, und der Strom treibt nur den Verdichter dazwischen an.
Warum aus 1 kWh Strom mehrere kWh Wärme werden
Der erstaunlichste Punkt an der Wärmepumpe ist die Rechnung, die scheinbar nicht aufgeht: Aus einer Kilowattstunde Strom werden drei, vier oder mehr Kilowattstunden Wärme. Verstößt das nicht gegen den Energieerhaltungssatz? Nein — und der Grund liegt in einem Missverständnis. Die Wärmepumpe erzeugt keine Energie aus dem Nichts. Sie transportiert Energie, die bereits vorhanden ist. Die vollständige Rechnung sieht so aus: Eine Kilowattstunde Strom geht in den Verdichter. Dazu kommen aber — und das ist der Punkt — mehrere Kilowattstunden kostenlose Umweltwärme, die am Verdampfer in den Kreislauf eintreten. Strom plus Umweltwärme ergeben zusammen die Heizwärme, die am Verflüssiger herauskommt. Die Energiebilanz stimmt also perfekt: Was hineingeht, kommt auch wieder heraus. Es ist nur so, dass der größte Teil der Heizwärme nicht aus dem Strom stammt, sondern aus der gratis genutzten Umwelt. Ein Vergleich macht es greifbar: Eine herkömmliche Elektroheizung wandelt eine Kilowattstunde Strom in genau eine Kilowattstunde Wärme — sie erzeugt Wärme direkt. Eine Wärmepumpe nutzt die Kilowattstunde Strom dagegen nicht zum Erzeugen, sondern zum Transportieren. Und das Transportieren ist viel effizienter als das Erzeugen. Ein Bild dafür: Es kostet wenig Kraft, einen vollen Eimer aus dem Brunnen zu heben — verglichen damit, die Wassermenge selbst herzustellen. Wie viele Kilowattstunden Wärme aus einer Kilowattstunde Strom werden, beschreibt eine Kennzahl: die Leistungszahl, im Jahresmittel die Jahresarbeitszahl. Eine Jahresarbeitszahl von 4 bedeutet, dass aus einer Kilowattstunde Strom vier Kilowattstunden Wärme werden — drei davon stammen aus der kostenlosen Umwelt, eine aus dem Strom. Wie hoch diese Zahl ausfällt, hängt davon ab, wie schwer die Wärmepumpe arbeiten muss. Je kleiner der Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle und Heizsystem ist, desto leichter der Transport und desto höher die Leistungszahl. Deshalb arbeitet eine Wärmepumpe mit einer Fußbodenheizung, die nur niedrige Temperaturen braucht, besonders effizient — und an einem sehr kalten Tag, wenn die Außenluft eisig und das Heizsystem heiß sein muss, weniger effizient. Die Kennzahl Jahresarbeitszahl ist so wichtig, dass ihr eine eigene Q&A-Seite in diesem Cluster gewidmet ist.
Die drei Quellen — Luft, Erde, Wasser
Eine Wärmepumpe braucht eine Wärmequelle, der sie die Umweltwärme entzieht. Es gibt drei davon — und nach ihnen werden die Wärmepumpen-Arten benannt. Die Außenluft. Die Luft-Wasser-Wärmepumpe entzieht der Außenluft Wärme. Sie ist die mit Abstand am häufigsten verbaute Bauform, weil sie am einfachsten zu installieren ist: Das Außengerät mit Ventilator wird im Garten oder an der Hauswand aufgestellt, es braucht keine Erdarbeiten. Der Nachteil: Die Außenluft ist ausgerechnet im kalten Winter, wenn am meisten geheizt wird, am kältesten. Die Luft-Wärmepumpe muss dann härter arbeiten, ihre Leistungszahl sinkt an sehr kalten Tagen. Moderne Geräte sind hier aber deutlich besser geworden und liefern auch bei strengem Frost noch zuverlässig Wärme. Das Erdreich. Die Sole-Wasser-Wärmepumpe — umgangssprachlich Erdwärmepumpe — entzieht dem Erdreich Wärme. Dazu zirkuliert eine frostsichere Flüssigkeit, die Sole, durch Rohre im Boden — entweder durch eine tiefe Erdwärmesonde oder durch einen flach verlegten Flächenkollektor. Der große Vorteil: Das Erdreich hat in einigen Metern Tiefe das ganze Jahr über eine nahezu konstante Temperatur. Die Erdwärmepumpe muss im Winter nicht die eisige Luft, sondern das gleichbleibend temperierte Erdreich anzapfen — sie arbeitet daher effizienter. Der Nachteil: Die Erschließung des Erdreichs durch Bohrung oder Kollektor kostet deutlich mehr. Das Grundwasser. Die Wasser-Wasser-Wärmepumpe nutzt das Grundwasser als Quelle. Grundwasser hat eine noch konstantere und vergleichsweise hohe Temperatur, weshalb diese Bauform die höchsten Leistungszahlen erreichen kann. Sie braucht aber zwei Brunnen — einen Förder- und einen Schluckbrunnen —, eine ausreichende Grundwassermenge in passender Qualität und eine wasserrechtliche Genehmigung. Diese Voraussetzungen sind nicht überall gegeben, weshalb die Wasser-Wasser-Wärmepumpe die seltenste der drei Bauformen ist. Die Einordnung: Für die große Mehrheit der Häuser ist die Luft-Wasser-Wärmepumpe die richtige Wahl — sie ist am günstigsten, am einfachsten zu installieren und heute effizient genug. Die Erd- und Grundwasser-Varianten sind effizienter, aber teurer und an Voraussetzungen gebunden. Welche Bauform sich im Detail unterscheidet, behandelt eine eigene Q&A-Seite zu den Wärmepumpen-Arten in diesem Cluster.
⚠ Praxis-Hinweis
Die Wärmepumpe erzeugt keine Energie aus dem Nichts — sie transportiert vorhandene Umweltwärme. Wer das Prinzip verstanden hat, erkennt auch, warum die Effizienz von der Vorlauftemperatur abhängt: Je kleiner der zu überbrückende Temperaturunterschied, desto höher die Leistungszahl.
Häufige Fragen — Wie funktioniert eine Wärmepumpe — einfach erklärt
Wie funktioniert eine Wärmepumpe in einem Satz erklärt?▾
Wie kann eine Wärmepumpe der kalten Luft Wärme entziehen?▾
Was ist der Kältekreis einer Wärmepumpe?▾
Warum wird aus 1 kWh Strom mehr als 1 kWh Wärme?▾
Verstößt die Wärmepumpe gegen den Energieerhaltungssatz?▾
Welche Wärmequellen kann eine Wärmepumpe nutzen?▾
Warum arbeitet eine Wärmepumpe mit Fußbodenheizung effizienter?▾
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