Wie funktioniert eine Wärmepumpe? Einfach erklärt

Was ist eine Wärmepumpe?

Eine Wärmepumpe ist ein Heizsystem, das die Wärme aus der Luft, dem Erdreich oder dem Grundwasser nutzt. Sie benötigt nur eine geringe Menge Strom als Antriebsenergie, um mit der kostenlosen Umweltwärme ein Haus zu beheizen. Zu den wichtigsten Komponenten gehört der Verdampfer, in dem ein Kältemittel die Wärme aufnimmt und dadurch gasförmig wird. Der Kompressor drückt das Gas zusammen, wodurch es stark erhitzt wird. Im Kondensator gibt das heisse Gas die Wärme an das Heizungssystem des Hauses ab und wird wieder flüssig. Das Entspannungsventil baut den Druck ab, sodass das Kältemittel wieder abkühlt und im Verdampfer erneut Wärme aufnehmen kann.

Das Wärmepumpen-Prinzip – Funktionsweise Schritt für Schritt erklärt

Einfach ausgedrückt, funktioniert die Wärmepumpe wie ein umgekehrter Kühlschrank: Während der Kühlschrank Wärme entzieht und nach aussen abgibt, um seinen Innenraum kühl zu halten, entzieht die Wärmepumpe Wärme aus ihrer Umwelt, um das Hausinnere zu heizen. Dafür benötigt die Wärmepumpe nur eine geringe Menge Strom zum Antrieb.

Schritt 1: Verdampfen und Umweltwärme aufnehmen

Damit die Wärme aus der Umgebung genutzt werden kann, ist ein Kältemittel nötig. Das ist eine spezielle Flüssigkeit, die bereits bei sehr niedrigen Temperaturen verdampft und Energie aufnimmt. Im Verdampfer kommt das Kältemittel mit der natürlichen Wärme aus der Luft, der Erde oder dem Wasser in Kontakt. Da das Kältemittel kälter ist als seine Umgebung, nimmt es die Wärme auf und wechselt seinen Zustand von flüssig zu gasförmig.

Schritt 2: Verdichten und Temperatur erhöhen

Das nun gasförmige Kältemittel strömt weiter in den Kompressor. Hier wird das Gas stark zusammengepresst. Ähnlich wie bei einer Fahrradluftpumpe, die beim Aufpumpen eines Reifens warm wird, steigt durch den hohen Druck die Temperatur des Gases stark an. So wird aus der zuvor nur lauwarmen Umweltwärme eine hohe Temperatur zum Heizen erzeugt.

Schritt 3: Kondensieren und Wärme an die Heizung abgeben

Im nächsten Schritt gelangt das heisse, unter Druck stehende Gas in den Kondensator. Das Kältemittel gibt hier seine Wärme an das Heizsystem des Hauses ab, sodass beispielsweise die Heizkörper oder die Fussbodenheizung warm werden. Dadurch kühlt das Kältemittel ab und wandelt sich vom Gas zurück in eine Flüssigkeit. Daher wird der Kondensator auch Verflüssiger genannt.

Schritt 4: Entspannen und Kreislauf schliessen

Im letzten Schritt fliesst das flüssige Kältemittel durch das Entspannungsventil. Dieses Bauteil baut den hohen Druck in der Flüssigkeit schlagartig ab. Dadurch kühlt das Kältemittel stark aus. In diesem kalten Zustand kann es draussen wieder neue Umweltwärme aufnehmen, und der gesamte Kreislauf beginnt von vorn.

Welche Rolle spielt das Kältemittel bei einer Wärmepumpe?

Das Kältemittel ist für die Funktion einer Wärmepumpe entscheidend, da es als Transportmittel für die Energie dient. Es befindet sich in luftdicht geschlossenen Leitungen und zirkuliert dort in einem ständigen Kreislauf. Das Kältemittel in Wärmepumpen verdampft bereits bei extrem tiefen Temperaturen von bis zu -50 °C. Im Vergleich dazu verdampft Wasser z. B. erst bei 100 °C. Dank dieser Eigenschaft des Kältemittels kann eine Wärmepumpe selbst bei Frost noch Wärme aus der Umwelt aufnehmen und ins Haus befördern.

Natürliche vs. synthetische Kältemittel

Synthetische Kältemittel sind künstlich hergestellte Gase, die auch als fluorierte Treibhausgase oder F-Gase bezeichnet werden. Lange waren sie die Standard-Kältemittel, da sie ungiftig und nicht brennbar sind. Gleichzeitig sind sie jedoch sehr klimaschädlich. Entweichen sie durch ein Leck in die Luft, wirken sie wie eine dicke, unsichtbare Decke, die das Klima der Erde stark aufheizt. Dieser sogenannte Treibhauseffekt ist bei synthetischen Kältemitteln um ein Vielfaches stärker als bei normalem CO₂.

Natürliche Kältemittel wie Propan oder Ammoniak kommen in der Natur vor und sind nahezu klimaneutral. Sie sind sehr leistungsstark und machen Wärmepumpen noch stromsparender. Da sie hohe Vorlauftemperaturen von bis zu 75 °C ermöglichen, sind sie auch mit klassischen Heizkörpern kompatibel. Stoffe wie Propan sind allerdings brennbar. Propan-Wärmepumpen haben daher höhere Sicherheitsanforderungen. Dank moderner Technik lassen sie sich aber bedenkenlos im Alltag einsetzen.

Kältemittelverordnung und ChemRRV

Um das Klima besser zu schützen, hat die Schweiz die Kältemittelverordnung verschärft. Nach der Chemikalien-Risikoreduktions-Verordnung (ChemRRV) werden klimaschädliche synthetische Kältemittel schrittweise vom Markt genommen und für viele Geräte ganz verboten. Für Hausbesitzer:innen gilt der Bestandschutz: Solange die Wärmepumpe mit synthetischem Kältemittel funktioniert, darf sie weiterbetrieben und auch repariert werden. Erst beim Neukauf müssen Sie dann auf eine Wärmepumpe mit natürlichem Kältemittel umsteigen.

Förderbonus für natürliche Kältemittel

Wer jetzt schon klimabewusst handelt und sich für eine Wärmepumpe mit natürlichem Kältemittel wie Propan entscheidet, kann bei der Wärmepumpen-Förderung in der Schweiz einen zusätzlichen Bonus erhalten. Entscheidend sind die Regelungen in Ihrem Kanton. In Luzern wird der Förderbetrag z. B. um 10 Prozent erhöht, wenn ein natürliches Kältemittel eingesetzt wird.

Funktionsweise der verschiedenen Wärmepumpen-Arten

Alle Wärmepumpen basieren auf demselben Grundprinzip: Sie nehmen Wärme aus ihrer Umwelt auf und wandeln diese in nutzbare Heizenergie um. Die Wärmepumpen-Arten unterscheiden sich dabei nach der genutzten Wärmequelle: Luft, Erde oder Wasser.

Luft-Wasser-Wärmepumpe – Funktion

Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe, auch einfach Luftwärmepumpe genannt, saugt mithilfe eines Ventilators Umgebungsluft an, um ihr Wärme zu entziehen. Selbst bei eisigen Aussentemperaturen kann das Kältemittel Wärme aufnehmen. Nach der Verdichtung im Kompressor wird die gewonnene Wärmeenergie an einen wasserführenden Heizkreislauf, beispielsweise eine Fussbodenheizung oder klassische Heizkörper, sowie zur Trinkwassererwärmung im Haus geleitet.

Sole-Wasser-Wärmepumpe (Erdwärme) – Funktion

Die Sole-Wasser-Wärmepumpe, auch Erdwärmepumpe genannt, nutzt die ganzjährig konstante Erdwärme als Wärmequelle. Dadurch arbeitet sie besonders effizient, unabhängig von der Aussentemperatur. Die Energie wird über ca. 50 bis 150 m tiefe Erdsonden oder flachere Erdkollektoren gewonnen. Dabei nimmt ein zirkulierendes Wasser-Frostschutz-Gemisch, die Sole, die Wärme aus dem Boden auf und transportiert sie zur Wärmepumpe. Dort wird die Wärme über den Kältemittelkreislauf auf das Heizsystem des Gebäudes übertragen.

Wasser-Wasser-Wärmepumpe – Funktion

Eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe nutzt das Grundwasser als Wärmequelle. Die konstante Temperatur macht die Technologie besonders effizient. Für den Betrieb müssen zwei Brunnen mit ca. 5 bis 20 m Tiefe gebohrt werden: Ein Förderbrunnen pumpt das Grundwasser nach oben, wo ihm ein Teil der Wärme über den Kältemittelkreislauf entzogen und ans Heizsystem übertragen wird. Anschliessend leitet ein zweiter Brunnen, der Schluckbrunnen, das leicht abgekühlte Wasser zurück zum Grundwasser.

Luft-Luft-Wärmepumpe – Funktion

Die Luft-Luft-Wärmepumpe gewinnt Wärme aus der Umgebungsluft und gibt diese über einen Kältemittelkreislauf an die Raumluft oder an eine Lüftungsanlage weiter. Anders als die Luft-Wasser-Wärmepumpe nutzt sie also keine wasserführenden Heizkörper, sondern nur Luft für die Wärmeverteilung. Die Warmwasserbereitung muss separat erfolgen.

COP und Jahresarbeitszahl – Wie effizient ist eine Wärmepumpe?

Je nach Technologie und Funktionsweise können Wärmepumpen unterschiedlich effizient sein. Wärmepumpen, die das Erdreich oder Grundwasser als Wärmequelle nutzen, bieten oft eine konstant höhere Leistung als Luftwärmepumpen. Um die Effizienz von Wärmepumpen zu bewerten und zu vergleichen, können Sie zwei Kennzahlen heranziehen: den COP-Wert für standardisierte Laborbedingungen und die JAZ für den realen Alltagsbetrieb.

Was ist der COP (Coefficient of Performance)?

Der COP ist die Leistungszahl der Wärmepumpe. Es handelt sich um eine technische Momentaufnahme unter standardisierten Laborbedingungen. Ein COP von 4 bedeutet: Aus 1 kWh Strom erzeugt das Gerät in exakt diesem Betriebszustand 4 kWh Wärme. Dieser Wert eignet sich, um die theoretische Qualität verschiedener Modelle vor dem Kauf zu vergleichen. Ein guter COP-Wert liegt zwischen 3 und 5.

Was ist die Jahresarbeitszahl (JAZ)?

Die Jahresarbeitszahl (JAZ) ist der entscheidende Wert für Ihre eingebaute Wärmepumpe. Sie misst die reale Effizienz des kompletten Heizsystems über ein Jahr hinweg. In diese Kennzahl fliessen schwankende Aussentemperaturen, die Qualität der Gebäudedämmung, das individuelle Heizverhalten und die Warmwasserbereitung mit ein. Je besser das Haus gedämmt ist und je niedriger die benötigte Vorlauftemperatur ist, desto höher fällt die JAZ aus. Ab einer JAZ von 3 gilt eine Anlage als effizient. Das bedeutet, dass eine Wärmepumpe aus 1 kWh Strom 3 kWh Wärme macht.

Typische COP- und JAZ-Werte im Vergleich

Oftmals liegen die JAZ-Werte einer Wärmepumpe etwa 0,5 bis 1,5 Punkte unter den COP-Werten. Allerdings entwickelt sich die Technologie immer weiter, so dass moderne Wärmepumpen auch im Altbau effektiv heizen. Das hat unter anderem eine Feldstudie des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE gezeigt. Darin wurden 77 Wärmepumpen über einen Zeitraum von vier Jahren untersucht. Das Ergebnis: Luft-Wasser-Wärmepumpen erreichten in Bestandsgebäuden eine durchschnittlich gute JAZ von 3,4 und Erdwärmepumpen sogar eine von 4,3.

Die Tabelle zeigt typische COP-Werte im Vergleich zu den gemessenen JAZ:

^{* Durchschnittswerte von Wärmepumpen in Bestandsgebäuden laut einer Feldstudie des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE 2025.}

Aus der Studie lassen sich vier zentrale Erkenntnisse für den Alltag ableiten:

• Vorlauftemperatur: Nicht das Alter des Hauses bestimmt die Effizienz der Wärmepumpe, sondern eine möglichst niedrige Vorlauftemperatur. Selbst Altbauten können gute JAZ-Werte erreichen, wenn die Vorlauftemperatur niedrig ist.

• Heizkörper: Eine teure Fussbodenheizung ist kein Muss. Ausreichend grosse Heizkörper ermöglichen ähnlich gute Werte und erreichen selbst bei 50 °C Vorlauf noch eine JAZ von 3,7 bis 4,0.

• Heizstab: Die Angst vor dem „Stromfresser“ ist unbegründet. Der Heizstab verursacht im Schnitt nur rund 1,5 Prozent des Stromverbrauchs der Wärmepumpe. Läuft er häufiger, liegt das meist an einem Defekt oder einer falschen Einstellung, nicht am Winterwetter.

Kann eine Wärmepumpe auch kühlen?

Moderne Wärmepumpen können nicht nur heizen, sondern auch kühlen. Die Funktionsweise beruht auf der Umkehrung des normalen Heizkreislaufs. Dabei unterscheidet man zwei Prinzipien:

• Passive Kühlung: Bei Erd- oder Wasser-Wasserwärmepumpen bleibt der Kompressor aus. Es wird lediglich die natürliche Kühle aus dem Erdreich oder aus dem Grundwasser genutzt, um das Wasser in den Heizrohren abzukühlen.

• Aktiven Kühlung: Bei Luft-Wasser-Wärmepumpen wird der Kältekreis einfach umgekehrt, so dass die Wärme vom Inneren nach aussen geleitet wird. Der Kompressor arbeitet aktiv, sodass im Grunde kein Unterschied zwischen Wärmepumpe und klassischer Klimaanlage besteht.

Kann eine Wärmepumpe auch Warmwasser bereiten?

Eine Wärmepumpe kann auch das Warmwasser für den Haushalt bereiten. Anstatt das warme Wasser durch die Fussbodenheizung oder die Heizkörper fliessen zu lassen, nutzt die Wärmepumpe dann ein Umschaltventil. Die gewonnene Wärme wird bei Bedarf in einen Warmwasserspeicher geleitet. Da für warmes Trinkwasser meist höhere Temperaturen benötigt werden als für die Raumheizung, verdichtet der Kompressor das Kältemittel in diesem Modus etwas stärker.

Neben den klassischen Wärmepumpen, die Heizen und Warmwasser übernehmen, gibt es auch spezielle Brauchwasserwärmepumpen. Diese arbeiten unabhängig von der Raumheizung. Sie nutzen einfach die Abwärme (z. B. von der Heizungskellerluft), um das Wasser zu erhitzen. Sie eignen sich z. B. in Kombination mit einer Luft-Luft-Wärmepumpe.

Warum ist eine Wärmepumpe umweltfreundlich?

Eine Wärmepumpe ist umweltfreundlich, weil sie fast keine Schadstoffe verursacht. Anstatt fossile Brennstoffe zu verbrennen, wie eine Gas- oder Ölheizung, greift sie zum Grossteil auf die unerschöpfliche und kostenlose Energie der Umwelt zurück. Der CO₂-Ausstoss einer Wärmepumpe ist daher viel geringer als der von fossilen Heizungen.

CO₂-Ausstoss von Heizungen im Vergleich:

^{* Quelle: Verbraucherzentrale}

Während eine Öl- und Gasheizung bei 15.000 kWh Wärmebedarf rund 3 bis 4 Tonnen CO₂-Emissionen im Jahr verursachen, sind es bei einer Wärmepumpe lediglich etwa 1,6 Tonnen. Noch klimafreundlicher ist die Wärmepumpe in Kombination mit Ökostrom und selbst erzeugtem Solarstrom einer Photovoltaikanlage. Auf diese Weise können Sie den CO₂-Ausstoss Ihrer Wärmepumpe auf nahezu 0 senken.