Wie eine Wärmepumpe funktioniert: das Prinzip verständlich erklärt

Wärme wird nicht erzeugt, sondern verschoben

Eine Wärmepumpe verbrennt nichts. Sie nimmt Wärme aus der Umgebung auf, bei der verbreiteten Luft-Wasser-Bauart aus der Außenluft, hebt sie auf ein höheres Temperaturniveau und gibt sie an das Heizungswasser ab. Der Strom treibt diesen Vorgang an, er ist nicht selbst die Wärmequelle.

Das Prinzip kennen Sie aus dem Kühlschrank, nur in umgekehrter Richtung. Dort wird dem Innenraum Wärme entzogen und an der Rückseite abgegeben, die Wärmepumpe holt die Wärme aus der Außenluft und gibt sie im Haus ab.

Auch kalte Luft enthält nutzbare Wärmeenergie. Physikalisch endet die Temperaturskala erst beim absoluten Nullpunkt von etwa minus 273 Grad, Luft mit 0 Grad ist also alles andere als „leer“.

Der Kältekreislauf in vier Schritten

Im Inneren der Wärmepumpe zirkuliert ein Kältemittel, das schon bei sehr niedrigen Temperaturen verdampft. Der Kreislauf ist geschlossen und wiederholt sich fortlaufend, solange Wärme angefordert wird.

Nennenswert Strom benötigt nur das Verdichten. Die übrigen Schritte nutzen die physikalischen Eigenschaften des Kältemittels.

• Verdampfen: Ein Ventilator führt Außenluft über den Verdampfer. Das kalte Kältemittel nimmt die Wärme auf und wird gasförmig.
• Verdichten: Ein Verdichter presst das Gas zusammen. Durch den höheren Druck steigt die Temperatur deutlich an.
• Verflüssigen: Das heiße Gas gibt seine Wärme an das Heizungswasser ab und wird dabei wieder flüssig.
• Entspannen: Ein Expansionsventil senkt den Druck, das Kältemittel kühlt stark ab und nimmt erneut Wärme aus der Luft auf.

Warum die Wärmepumpe auch bei Frost heizt

Die häufigste Sorge lautet, dass eine Wärmepumpe im Winter nicht ausreicht. Als Richtwert gilt: Moderne Luft-Wasser-Wärmepumpen arbeiten bis etwa minus 20 Grad Außentemperatur, das deckt einen norddeutschen Winter üblicherweise ab. Bei sinkender Außentemperatur muss der Verdichter allerdings mehr leisten, weil der Abstand zwischen Luft und Heizungswasser wächst.

Für die wenigen sehr kalten Stunden im Jahr ist in vielen Geräten ein elektrischer Heizstab eingebaut. Er springt nur ein, wenn die Wärmepumpe allein nicht ausreicht, und sollte bei richtiger Auslegung kaum laufen. Deshalb ist die Heizlastberechnung so wichtig: Sie legt fest, wie viel Wärme das Gebäude am kältesten Tag tatsächlich braucht.

Bei feuchtkalter Luft bildet sich Reif auf dem Verdampfer. Die Wärmepumpe taut ihn in kurzen Zyklen selbst ab, dabei kann sichtbarer Wasserdampf aus dem Außengerät aufsteigen. Das ist kein Fehler, sondern normaler Betrieb.

Die Jahresarbeitszahl als Maßstab

Wie effizient eine Wärmepumpe arbeitet, beschreibt die Jahresarbeitszahl. Sie setzt die im Jahr abgegebene Wärme ins Verhältnis zum eingesetzten Strom. Als Richtwert liegt sie bei gut geplanten Anlagen typischerweise zwischen 3 und 4: Aus einer Kilowattstunde Strom werden drei bis vier Kilowattstunden Wärme.

Davon zu unterscheiden ist die Leistungszahl auf dem Datenblatt, oft mit COP abgekürzt. Sie ist eine Momentaufnahme unter Prüfbedingungen und sagt wenig über den Alltag in Ihrem Haus aus. Die Jahresarbeitszahl hängt von Gebäude, Vorlauftemperatur, Warmwasseranteil und Einstellung der Anlage ab.

Die Rolle der Vorlauftemperatur

Die Vorlauftemperatur ist die Temperatur, mit der das Heizungswasser zu den Heizflächen fließt. Je niedriger sie liegt, desto kleiner ist der Temperaturhub für den Verdichter und desto weniger Strom braucht die Anlage.

Als physikalischer Richtwert gilt eine Vorlauftemperatur um 55 Grad als Grenze, an der viele Bestandsheizkörper noch ausreichend Wärme abgeben. Wer im Winter die Vorlauftemperatur an der alten Heizung absenkt und beobachtet, ob die Räume warm bleiben, hat dafür schon einen wichtigen Anhaltspunkt.

Daraus erklärt sich auch der Eindruck, eine Wärmepumpe heize „kalt“. Die Heizkörper fühlen sich lauwarm an, weil sie gleichmäßig über längere Zeit Wärme abgeben statt in kurzen heißen Schüben. Für die Raumtemperatur macht das keinen Unterschied, für die Effizienz einen großen.

Bauarten und Aufstellort

Luft-Wasser-Wärmepumpen sind im Bestand am weitesten verbreitet, weil sie ohne Erdarbeiten auskommen. Innerhalb dieser Gruppe gibt es zwei Bauformen, daneben Systeme mit anderer Wärmequelle.

Auch der Schall gehört zur Wahl des Aufstellorts. Das Außengerät erzeugt ein leises Betriebsgeräusch, vor allem durch den Ventilator. Abstand zu Schlafzimmerfenstern und Nachbargrundstücken, ein schallreduzierter Nachtbetrieb und ein entkoppeltes Fundament tragen dazu bei, dass es im Alltag kaum auffällt.

• Monoblock: Der gesamte Kältekreislauf sitzt im Außengerät. Ins Haus führen nur wassergefüllte Leitungen, die gegen Frost geschützt sein müssen.
• Split: Verdampfer und Verdichter stehen draußen, der Verflüssiger drinnen. Beide Teile sind über Kältemittelleitungen verbunden, deren Montage eine eigene Qualifikation erfordert.
• Sole-Wasser: Die Wärme stammt über Sonden oder Flächenkollektoren aus dem Erdreich. Die Quelle ist im Winter wärmer, der Erschließungsaufwand aber deutlich größer.

Pufferspeicher und Warmwasser

Ein Pufferspeicher ist ein mit Heizungswasser gefüllter Behälter zwischen Wärmepumpe und Heizflächen. Er lässt die Wärmepumpe in ruhigen, längeren Takten laufen und stellt die Wärme für das Abtauen bereit. Eine Fußbodenheizung mit großem Wasserinhalt übernimmt diese Aufgabe oft selbst, bei Heizkörpern mit Thermostatventilen ist ein Puffer meist sinnvoll.

Das Warmwasser für Bad und Küche wird in einem eigenen Speicher bereitet. Dafür braucht die Wärmepumpe ein höheres Temperaturniveau als für die Heizung, und aus Gründen der Trinkwasserhygiene wird der Speicher regelmäßig aufgeheizt. Der Warmwasseranteil beeinflusst deshalb die Jahresarbeitszahl spürbar.

Inbetriebnahme und Einstellung

Nach der Montage beginnt die eigentliche Feinarbeit. Der hydraulische Abgleich sorgt dafür, dass jeder Heizkörper die passende Wassermenge erhält, und die Heizkurve legt fest, welche Vorlauftemperatur bei welcher Außentemperatur gefahren wird. Eine zu steil eingestellte Heizkurve ist einer der häufigsten Gründe für unnötigen Stromverbrauch.

Gute Einstellungen entstehen über den ersten Winter hinweg. Es lohnt sich, Verbrauch und Raumtemperaturen zu beobachten und die Heizkurve schrittweise abzusenken, bis die Räume gerade noch zuverlässig warm werden. Ein fester Ansprechpartner, der die Anlage kennt, erleichtert diesen Abschnitt.

Ob Ihr Gebäude geeignet ist, entscheidet sich an genau diesen Punkten: Heizlast, Vorlauftemperatur, Heizflächen und Aufstellort. Der Wärmepumpen-Check fragt diese Angaben ab und ist der erste Schritt zu einer Einschätzung, die zu Ihrem Haus passt.