Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Eine Wärmepumpe ist ein modernes, effizientes und klimafreundliches Heizsystem. Sie entzieht der Umgebung – also der Luft, dem Erdreich oder dem Grundwasser – gespeicherte Wärme und wandelt sie in nutzbare Energie für Heizung und Warmwasser um. Das macht sie zu einer spannenden Alternative zu klassischen Heizsystemen – gerade in Zeiten steigender Energiepreise und Klimaschutzanforderungen.

In diesem Beitrag erfährst du, wie eine Wärmepumpe technisch funktioniert: von den physikalischen Grundlagen über die wichtigsten Bauteile bis hin zu den Unterschieden der gängigen Systeme. Auch Effizienzkennzahlen wie COP und Jahresarbeitszahl erklären wir dir ganz praxisnah.

So funktioniert eine Wärmepumpe – einfach erklärt

Eine Wärmepumpe funktioniert im Prinzip wie ein Kühlschrank – nur umgekehrt. Ein Kühlschrank entzieht dem Innenraum Wärme, um Lebensmittel zu kühlen, und gibt diese Wärme ungenutzt an die Umgebung ab. Wohingegen eine Wärmepumpe genau diesen Effekt zum Heizen nutzt. 

Sie entzieht der Umwelt – aus Luft, Erdreich oder Grundwasser – thermische Energie und leitet sie in das Heizsystem des Hauses. Dabei wird die gewonnene Umweltwärme über einen Kältemittelkreislauf „aufgeheizt“ – also auf ein nutzbares Temperaturniveau gebracht. 

Aber kann eine Wärmepumpe auch kühlen?
Ja – das ist möglich! Wird der Kreislauf umgekehrt, arbeitet die Wärmepumpe ähnlich wie ein Kühlschrank: Sie entzieht dem Gebäude Wärme und gibt diese nach außen ab. So lässt sich mit einer Wärmepumpe nicht nur nachhaltig heizen, sondern auch energieeffizient kühlen.

Das physikalische Prinzip hinter der Wärmepumpentechnik

Physikalisch gesehen fließt Wärme immer von einem wärmeren zu einem kühleren Ort – niemals umgekehrt. Ein alltägliches Beispiel: Eine heiße Mahlzeit kühlt mit der Zeit von selbst ab. Sie kann dabei jedoch nie kälter als ihre Umgebung werden. Um sie weiter abzukühlen, ist Energie notwendig.  

Dasselbe Prinzip gilt auch umgekehrt: Wenn wir eine kalte Mahlzeit erwärmen wollen, benötigen wir ebenfalls Energie – zum Beispiel in Form von Mikrowellenstrahlung. 

Die Luft in einem Gebäude verhält sich genauso, sie kühlt ab und passt sich mit der Zeit der kühleren Außentemperatur an. Möchten wir das Gebäude beheizen, müssen wir Energie zuführen. 

Hier kommt die Wärmepumpe ins Spiel. Sie nutzt elektrische Energie, um kostenlose Umweltenergie aus der Außenluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser in nutzbare Heizenergie umzuwandeln. Dabei entzieht sie der Umwelt Wärme, verdichtet diese über einen Kältemittelkreislauf und gibt sie anschließend in das Heizsystem ab.

So nutzt die Wärmepumpe Umweltwärme zum Heizen

Im Grunde ist das ganz Prinzip einer Wärmepumpe einfach: Sie nutzt Umweltwärme um Gebäude zu heizen. In Wahrheit ist es aber doch etwas komplizierter als das.

Eine Wärmepumpe funktioniert mit Umweltwärme – etwa der Luft, dem Erdreich oder dem Grundwasser. Sie nutzt die thermische Energie der Umwelt und verstärkt diese mithilfe eines Kältemittelkreislaufs. Die erzeugte Wärme wird an das Heizsystem im Gebäude abgegeben. Selbst bei niedrigen Außentemperaturen funktioniert dieses Prinzip effizient und nachhaltig. 

Doch wie genau läuft dieser Prozess im Inneren einer Wärmepumpe ab? 

Der Wärmepumpenprozess im Überblick: Schritt für Schritt erklärt

Der gesamte Prozess einer Wärmepumpe lässt sich in vier zentrale Schritte unterteilen: 

1. Verdampfen: Das Kältemittel nimmt Umweltwärme auf und verdampft.
2. Verdichten: Der Dampf wird im Verdichter komprimiert, wodurch die Temperatur steigt.
3. Verflüssigen: Im Verflüssiger gibt das heiße Kältemittel die Wärme an das Heizsystem ab und kondensiert.
4. Entspannen: Das flüssige Kältemittel wird im Expansionsventil entspannt und der Kreislauf beginnt von vorn.

Am Beispiel einer Luft-Wasser-Wärmepumpe erläutern wir diese Schritte im Detail: 

1. Wärmeaufnahme

In der ersten Phase entzieht die Wärmepumpe der Umgebung – zum Beispiel der Außenluft – thermische Energie. Mithilfe eines Ventilators wird die Außenluft über einen Wärmetauscher geleitet. Die darin enthaltene Wärme wird auf ein zirkulierendes Kältemittel übertragen, das sich in der Wärmepumpe befindet. 

Dabei nutzt die Wärmepumpe kostenlose Umweltenergie, um das Kältemittel zu erwärmen. Durch die aufgenommene Wärme verdampft das Kältemittel und geht in einen gasförmigen Zustand über. Für diesen Prozess ist eine geringe Menge elektrischer Energie nötig, die den Ventilator antreibt.

2. Druckerhöhung (Verdichtung)

Der nun gasförmige Kältemitteldampf wird in den Verdichter (Kompressor) geleitet. Dort wird er mithilfe von elektrischer Energie stark komprimiert. Diese Verdichtung führt zu einem deutlichen Druckanstieg – und damit auch zu einer weiteren Temperaturerhöhung des Kältemittels. Es entsteht ein heißer Kältemitteldampf. 

3. Wärmeabgabe 

Im nächsten Schritt gelangt der erhitzte Dampf in den Verflüssiger (Kondensator). Dort gibt das Kältemittel die zuvor aufgenommene Wärme über einen Wärmetauscher an das Heizsystem ab. 

Während dieser Wärmeabgabe kühlt das Kältemittel ab und verflüssigt sich wieder. Die übertragene Wärme steht nun dem Gebäude zur Verfügung und kann beispielsweise über eine Fußbodenheizung, Heizkörper oder zur Warmwasserbereitung genutzt werden. 

4. Druckabbau (Entspannung)

Zum Abschluss fließt das -noch unter Druck stehende- Kältemittel durch das Expansionsventil (auch Entspanner genannt). Hier wird der Druck gesenkt, bis er sich auf dem ursprünglichen Niveau befindet. Das abgekühlte Kältemittel ist nun bereit, erneut Umweltwärme im Verdampfer aufzunehmen – der Kreislauf beginnt von vorn. 

Luft, Wasser oder Erde – woher deine Wärmepumpe ihre Energie bezieht

Es gibt unterschiedliche Arten von Wärmepumpen, die sich in erster Linie durch die genutzte Energiequelle unterscheiden. Wärmepumpen können Umweltenergie aus der Außenluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser entnehmen. 

Bei Luft-Wärmepumpen unterscheidet man zusätzlich zwischen Luft-Luft-Wärmepumpen und Luft-Wasser-Wärmepumpen. Der zweite Teil der Bezeichnung gibt Aufschluss darüber, welches Medium im Gebäude erwärmt wird. In den meisten Fällen handelt es sich dabei um Wasser, das im Heizsystem zirkuliert. Es gibt jedoch auch Systeme, die direkt die Luft im Innenraum erwärmen. Diese können allerdings nur zur Raumheizung, nicht aber zur Warmwasserbereitung eingesetzt werden. 

Im Folgenden erklären wir, wie die verschiedenen Wärmepumpentypen funktionieren und worin sie sich voneinander unterscheiden.

Luftwärmepumpen

Luftwärmepumpen entziehen der Umgebungsluft thermische Energie, verstärken diese mithilfe des Kältemittelkreislaufs und übertragen sie anschließend auf das Heizsystem des Gebäudes. 

Sie zählen zu den am häufigsten eingesetzten Wärmepumpenarten – vor allem, weil sie vergleichsweise einfach zu installieren und kostengünstig in der Anschaffung sind. Ein wesentlicher Vorteil: Für den Betrieb sind in der Regel keine behördlichen Genehmigungen erforderlich. Lediglich die Schallausbreitung des Außengeräts muss bei der Planung beachtet werden. 

Ein Nachteil dieser Technik ist die Abhängigkeit von der Außentemperatur: Da diese im Tages- und Jahresverlauf stark schwankt, variiert auch die Effizienz (COP) der Wärmepumpe entsprechend. 

Luft-Luft-Wärmepumpe 

Im Gegensatz zu anderen Wärmepumpenarten wird bei der Luft-Luft-Wärmepumpe die erzeugte Wärme nicht an Heizwasser übertragen, sondern direkt an die Luft im Gebäude abgegeben. Diese warme Luft wird anschließend über ein Lüftungssystem in den Räumen verteilt. Aus diesem Grund ist diese Art von Wärmepumpe nur zum Heizen geeignet und nicht für die Warmwasserbereitung. 

Für die Warmwassererzeugung muss eine separate Lösung, wie zum Beispiel eine Brauchwasserwärmepumpe, in Betracht gezogen werden. 

Luft-Luft-Wärmepumpen sind besonders gut für Neubauten geeignet. Sie erfordern jedoch Wanddurchbrüche für die Lüftungskanäle und ein Luftkanalsystem, das die Räume mit warmer Luft versorgt – diese Faktoren sollten bereits in der Planungsphase berücksichtigt werden. 

Darüber hinaus eignen sich Luft-Luft-Wärmepumpen nicht nur hervorragend zum Heizen, sondern auch zum Kühlen von Gebäuden. 

Luft-Wasser-Wärmepumpe

Die Luft-Wasser-Wärmepumpe besitzt zwei unterschiedlichen Bauweisen: 

Monoblock:

Bei der Monoblock-Bauweise sind die zentralen Komponenten des Kältemittelkreises in einer einzigen Einheit integriert. Diese wird im Außenbereich des Gebäudes aufgestellt. Über gut isolierte, unterirdisch verlegte Heizwasserleitungen wird das Außengerät mit dem Heizsystem im Gebäude verbunden. 

Split-Bauweise:

Bei der Split-Bauweise sind die Komponenten auf zwei Einheiten verteilt. In der Außeneinheit befinden sich der Verdampfer, der Verdichter und das Expansionsventil. Die Inneneinheit besteht nur aus dem Verflüssiger, dem Wärmetauscher, der die im Kältemittel gespeicherte Energie an das Heizsystem im Gebäude überträgt. 

Ein Vorteil gegenüber der Luft-Luft-Wärmepumpe ist, dass bei der Luft-Wasser-Wärmepumpe keine größeren Wanddurchbrüche notwendig sind. Zudem können sowohl die Raumheizung als auch die Warmwasserbereitung abgedeckt werden. 

Luft-Wasser-Wärmepumpen eignen sich besonders gut für Sanierungen. Beim Umbau von Öl- oder Gasheizungen können die bestehenden Heizkörper und/oder die vorhandene Fußbodenheizung weiter genutzt werden. Wichtig dabei ist: Je niedriger die Vorlauftemperaturen, desto effizienter arbeitet das System. Ideal sind Vorlauftemperaturen bis 50°C, wobei moderne Wärmepumpen auch mit Vorlauftemperaturen von 65°C bis 75°C arbeiten können.

Grundwasser Wärmepumpe (Wasser-Wasser-Wärmepumpe) 

Die Wasser-Wasser-Wärmepumpe nutzt Grundwasser als Wärmequelle. Aufgrund der ganzjährig relativ konstanten Temperatur von 8 °C bis 12 °C arbeitet dieses System besonders effizient. 

Das Wasser wird über einen Förderbrunnen (auch Saugbrunnen genannt) an die Oberfläche gepumpt. Dort entzieht ein Wärmetauscher dem Wasser die gespeicherte Wärme und überträgt sie an den Kältekreislauf der Wärmepumpe. Anschließend wird das abgekühlte Wasser über einen sogenannten Schluckbrunnen wieder zurück in das Erdreich geleitet. 

Trotz ihrer hohen Effizienz sind Grundwasser-Wärmepumpen mit erheblichen Investitionskosten verbunden. Der Bau von Saug- und Schluckbrunnen ist technisch anspruchsvoll und kostenintensiv. Zudem ist eine behördliche Genehmigung erforderlich, da die Nutzung des Grundwassers mit strengen Auflagen verbunden ist.

Erdwärmepumpen (Sole-Wasser-Wärmepumpe) 

Die Sole-Wasser-Wärmepumpe nutzt die im Erdreich gespeicherte Wärmeenergie, um Gebäude effizient zu beheizen. Die Entnahme der Erdwärme erfolgt entweder über Erdsonden oder Erdkollektoren. Durch beide Systeme läuft ein spezielles Frostschutzmittel – die sogenannte Sole.

Erdsonden werden vertikal bis zu einer Tiefe von 120 Metern in den Boden eingebracht. Aufgrund ihrer kompakten Bauweise eignen sie sich besonders gut für kleinere Grundstücke. Die erforderliche Bohrtiefe richtet sich dabei nach dem individuellen Wärmebedarf des Gebäudes.
Allerdings sind die Tiefenbohrungen mit einem erheblichen technischen und finanziellen Aufwand verbunden und erfordern eine behördliche Genehmigung.

Ein großer Vorteil: Ab etwa 10 bis 15 Metern Tiefe bleibt die Bodentemperatur ganzjährig konstant bei etwa 10 °C, unabhängig von den Jahreszeiten – das wirkt sich positiv auf die Effizienz der Wärmepumpe aus. 

Erdkollektoren werden dagegen horizontal, knapp unterhalb der Frostgrenze (ca. 1,5 m tief), flächig im Erdreich verlegt. 

Sie benötigen eine deutlich größere Fläche: In der Regel etwa das 2- bis 3-Fache der beheizten Wohnfläche. Ein Einfamilienhaus mit 120 m² Wohnfläche braucht also rund 240 bis 360 m² freie Grundstücksfläche. 

Diese Fläche darf nicht überbaut oder versiegelt werden, da der Wärmeentzug direkt von der Bodenbeschaffenheit abhängig ist. Feuchte Böden sind besonders gut geeignet, da sie die Wärme besser leiten. 

Erdkollektoren sind kostengünstiger in der Anschaffung als Erdsonden, jedoch anfälliger für Temperaturschwankungen, was sich auf den Wirkungsgrad auswirken kann.

Mehr Wärme als Strom: So effizient arbeiten Wärmepumpen

Wärmepumpen gelten häufig als stromintensive Geräte, doch dieser Eindruck greift zu kurz. Trotz eines relativ hohen Stromverbrauchs arbeiten Wärmepumpen äußerst effizient, da sie einen Großteil der benötigten Energie aus der Umwelt beziehen. 

Ein zentraler Maßstab für die Effizienz ist der sogenannte COP-Wert (Coefficient of Performance). Dieser Kennwert gibt an, wie viel Heizleistung eine Wärmepumpe aus 1 kW elektrischer Energie erzeugen kann.  

Dabei hängt der COP-Wert von verschiedenen Faktoren ab, vor allem von der Vorlauftemperatur des Heizsystems und der Temperatur der Wärmequelle (z. B. Außenluft, Grundwasser oder Erdreich). 

Ein Beispiel:
Ein COP von 5 bedeutet, dass mit 1 kW Strom und 4 kW kostenloser Umweltenergie insgesamt 5 kW Heizenergie erzeugt werden. 

Temperaturdifferenz entscheidet über den Wirkungsgrad

Die Effizienz einer Wärmepumpe verändert sich mit der Temperaturdifferenz zwischen der Energiequelle (z. B. Außenluft) und der Vorlauftemperatur.
Je niedriger die Außentemperatur oder je höher die Vorlauftemperatur, desto geringer ist der Wirkungsgrad. 

Am effizientesten arbeitet eine Wärmepumpe also dann, wenn der Temperaturunterschied möglichst klein ist. Ein weiterer Kennwert zur Effizienz ist die Jahresarbeitszahl (JAZ).
Sie beschreibt die durchschnittliche Effizienz der Wärmepumpe über das gesamte Jahr hinweg. Moderne Wärmepumpen erreichen JAZ-Werte zwischen 3 und 5.

Was bei Frost passiert: So arbeiten Wärmepumpen im Winter

Wärmepumpen funktionieren auch in der kalten Jahreszeit zuverlässig. Grundwasser- und Tiefensonden-Wärmepumpen sind von jahreszeitlichen Schwankungen kaum betroffen, da sie auf konstante Temperaturen in der Tiefe zugreifen – unabhängig von Frost oder Schnee. 

Auch Erdkollektoren, die flacher im Boden verlegt werden, arbeiten im frostsicheren Bereich und liefern selbst im Winter noch positive Temperaturen, sodass die Effizienz nicht stark beeinflusst wird. 

Luftwärmepumpen sind grundsätzlich ebenfalls wintertauglich: Sie lassen sich meist bis zu Außentemperaturen von -20 °C betreiben. Allerdings nimmt mit fallender Außentemperatur auch der Wirkungsgrad ab. 

Um bei extremen Minusgraden die Heizleistung sicherzustellen, schaltet sich in solchen Fällen automatisch eine elektrische Zusatzheizung (Heizstab) ein, welche die Wärmepumpe vorübergehend unterstützt.  

Alternativ kann eine Luft-Wärmepumpe mit einem konventionellen Heizsystem kombiniert werden, etwa mit einer Gastherme. In solchen sogenannten Hybridlösungen übernimmt die Zusatzheizung nur bei Spitzenlasten im Winter die Wärmeerzeugung. 

Gesteuert wird das über den Bivalenzpunkt, welcher eine bestimmte Temperatur beschreibt, bei der die Wärmepumpe die Heizlast nicht mehr eigenständig abdecken kann.  

Nachhaltigkeit zählt: Die Klimabilanz von Wärmepumpen

Die Umweltfreundlichkeit einer Wärmepumpe hängt nicht nur von ihrem effizienten Betrieb ab, sondern auch maßgeblich vom eingesetzten Kältemittel. Ein entscheidender Kennwert dabei ist der sogenannte GWP-Wert (Global Warming Potential). 

Er beschreibt das Treibhauspotenzial eines Kältemittels im Falle eines Lecks – also, wie stark 1 kg des Kältemittels zur globalen Erwärmung beiträgt, verglichen mit 1 kg CO₂. 

Beispiel: Das Kältemittel R410A hat einen GWP-Wert von 2088 – das heißt, 1 kg davon entspricht dem Klimaschaden von 2088 kg CO₂. 

R410A wurde lange Zeit wegen seiner hohen Effizienz in Wärmepumpen eingesetzt, ist jedoch aus Umweltsicht problematisch, da es zur Gruppe der HFKW (Hydrofluorkohlenwasserstoffe) gehört. 

Diese Stoffe unterliegen der F-Gas-Verordnung, deren Ziel es ist, den Einsatz klimaschädlicher Kältemittel schrittweise zu reduzieren und durch umweltfreundlichere Alternativen zu ersetzen. 

Natürlich ist besser: Diese Kältemittel schonen das Klima

Immer mehr Hersteller setzen daher auf natürliche Kältemittel, die deutlich geringere GWP-Werte aufweisen: 

• CO₂ (R744):
  CO₂ ist klimaneutral (GWP = 1) und damit sehr umweltfreundlich. Aufgrund des hohen Drucks, unter dem es betrieben werden muss, kommt es jedoch vorwiegend in Spezialsystemen zum Einsatz. 
• Propan (R290):
  Dieses natürliche Kältemittel hat einen sehr niedrigen GWP-Wert von 3, kombiniert mit einer guten Energieeffizienz. Es ist jedoch brennbar und erfordert deshalb besondere Sicherheitsmaßnahmen. Im Gegensatz dazu ist R410A nicht entflammbar, aber eben deutlich klimaschädlicher.

Wann sich eine Wärmepumpe lohnt – und für wen

Die Wahl der richtigen Wärmepumpe hängt von den baulichen Voraussetzungen und den individuellen Nutzungsanforderungen ab: 

• Luft-Luft-Wärmepumpen sind ideal für Neubauten oder als Ergänzung zu einem separaten Warmwassersystem. 
• Luft-Wasser-Wärmepumpen zeichnen sich durch ihre flexible Installation aus und eignen sich besonders für den Austausch von alten Öl- oder Gasheizungen in Bestandsgebäuden. 
• Sole-Wasser- und Wasser-Wasser-Wärmepumpen bieten eine sehr hohe Effizienz, erfordern jedoch größere Investitionen und bestimmte genehmigungspflichtige Voraussetzungen. 

Mit der richtigen Planung und passenden Rahmenbedingungen können Wärmepumpen nicht nur die Heizkosten deutlich senken, sondern leisten gleichzeitig einen aktiven Beitrag zur Energiewende.

Photovoltaik und Wärmepumpe – ein starkes Team

Ein weiterer Aspekt für die Nachhaltigkeit von Wärmepumpen ist die Herkunft des Stroms, mit dem sie betrieben werden. Je höher der Anteil erneuerbarer Energien im Strommix, desto umweltfreundlicher der Betrieb. 

Besonders effizient wird das System in Kombination mit einer Photovoltaikanlage (PV) auf dem eigenen Dach. Damit lässt sich die Wärmepumpe mit selbst erzeugtem Solarstrom betreiben. 

In Kombination mit einem Stromspeicher lässt sich überschüssig erzeugter Solarstrom zwischenlagern und steht somit auch nachts oder bei geringer Sonneneinstrahlung zur Verfügung Mit einem dynamischen Stromtarif kann die Wärmepumpe zu Zeiten geringer Nachfrage versorgt werden, was zusätzlich Kosten spart, und das Stromnetz entlastet.

Fazit 

Wer in eine Wärmepumpe investiert, entscheidet sich für eine nachhaltige, zukunftssichere und wirtschaftliche Heizlösung.
Mit niedrigen Betriebskosten, staatlicher Förderung und einem positiven Klimaeffekt bietet die Wärmepumpe viele Vorteile – für dich und für die Umwelt.