Übersicht: Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Eine Wärmepumpe entzieht der Umgebung Wärmeenergie und macht sie zum Heizen oder für die Warmwasseraufbereitung nutzbar. In diesem Artikel erhalten Sie Tipps für den optimalen Einsatz von Wärmepumpen, um Ihr Haus klimafreundlich und effizient zu heizen.

Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Eine Wärmepumpe funktioniert wie ein umgekehrter Kühlschrank: Nicht direkt nutzbare Wärme wird der Umwelt oder der Abluft entzogen und zum Heizen oder für die Warmwasserbereitung nutzbar gemacht.

Für den eigenen Betrieb verwenden Wärmepumpen eine zweite Energiequelle: entweder Strom oder Gas. Wenn sie effizient laufen, sparen Wärmepumpen beim Heizen CO₂ und leisten so einen Beitrag zum Klimaschutz. Einige Wärmepumpen sind auch zum Kühlen von Gebäuden geeignet.

Die Wärmepumpen-Heizungsanlage besteht aus drei Komponenten: der Wärmequellenanlage, der Wärmepumpe, sowie dem Wärmeverteil- und Speichersystem. Um genug Wärme für Heizzwecke oder zur Warmwasserbereitung zu erzeugen, ist ein thermodynamischer Prozess erforderlich. Dieser Prozess, auch als Kältekreisprozess bekannt, besteht aus vier Schritten, die sich ständig wiederholen:

1. Wärmequelle verdampft Kältemittel: Im Verdampfer befindet sich ein flüssiges Kältemittel, welches bereits bei relativ niedrigen Temperaturen verdampft.
2. Verdichten für Temperaturanstieg: Das verdampfte Kältemittel wird im Kompressor verdichtet, der mit Strom betrieben wird. Das erhöht den Druck des Kältemittels und damit auch dessen Temperatur.
3. Abgabe der Wärme: Das erwärmte Kältemittel gelangt nun in den Kondensator (Verflüssiger). Beim Verflüssigen gibt es seine Wärme an das Heizungswasser ab.
4. Entspannen des Kältemittels: Das Kältemittel ist wieder flüssig, steht aber noch unter Druck. Durch das Expansions- oder Entspannungsventil gelangt es wieder auf das ursprüngliche niedrige Druckniveau und dann weiter zum Verdampfer, wo der Prozess von vorn beginnt.

Das Ergebnis: Das Heizungswasser hat dank der Wärmepumpe die nötige Vorlauftemperatur erreicht und die Heizkörper werden mollig warm – und das, obwohl der größte Teil der Wärmeenergie auch im Winter aus der Umwelt kommt. Die unterschiedlichen Arten von Wärmepumpen erklären wir im Artikel „Heizen mit Luft, Wasser, Erdwärme“.

Wirkungsgrad einer Wärmepumpe

Für die Qualität der Wärmepumpe ist entscheidend, wie das Verhältnis zwischen der nutzbaren Wärmeenergie und der eingesetzten Energie ist. Meist wird dafür elektrische Energie verwendet. Ein hoher Wirkungsgrad ist deshalb wichtig, weil eine Kilowattstunde (kWh) Strom höhere Kosten hat als eine Kilowattstunde Wärmeenergie. Strom wird außerdem zu großen Teilen noch aus Kohle und Erdgas erzeugt. Für den Stromverbrauch und das Klima ist es deshalb umso besser, je effizienter eine Wärmepumpe ist. Noch besser ist es, wenn der Strom für die Wärmepumpe über Photovoltaik erzeugt wird.

Das Verhältnis von erzeugter Wärme und eingesetztem Strom lässt sich mit zwei unterschiedlichen Kennzahlen ausdrücken:

1. Die Leistungszahl (COP) ist eher ein theoretischer Wert. Sie bezeichnet das Verhältnis von Wärme und eingesetzter elektrischer Energie zu einem Zeitpunkt unter normierten Bedingungen auf dem Prüfstand – zum Beispiel für eine Temperatur der Wärmequelle von 2 Grad und eine Vorlauftemperatur des Heizungswassers von 35 Grad.
2. Die Jahresarbeitszahl (JAZ) gibt dagegen das Verhältnis zwischen Wärme und elektrischer Energie während eines gesamten Jahres in einem realen Heizsystem an. Die Jahresarbeitszahl ist deshalb der entscheidende Kennwert für den Wirkungsgrad einer Wärmepumpe.

Wann ist eine Wärmepumpe effizient?

Nach Angaben der Verbraucherzentrale kann eine Wärmepumpe ab einer Jahresarbeitszahl (JAZ) von 3 als effizient gelten. Das bedeutet: Aus einer Kilowattstunde Strom erzeugt die Wärmepumpe drei Kilowattstunden Wärme. Als ideal gelten Jahresarbeitszahlen von 4 bis 5. Eine Wärmepumpe arbeitet dann besonders wirtschaftlich und amortisiert sich in guter Frist. 

Die KfW schreibt für die Förderung von Wärmepumpen eine Jahresarbeitszahl von mindesten 3 für alle Wärmepumpen vor. Entscheidend sind für die KfW vorab berechnete Werte. Im realen Betrieb können die Jahresarbeitszahlen jedoch unter ungünstigen Bedingungen niedriger liegen.

Wie kann ich bei einer Wärmepumpe die JAZ erhöhen?

Eine hohe Jahresarbeitszahl (JAZ) einer Wärmepumpe bedeutet hohe Effizienz und niedrigen Stromverbrauch. Die JAZ einer Wärmepumpe zu erhöhen, ist durch mehrere Maßnahmen möglich:

• Pufferspeicher für Wärmepumpe einbauen
• hydraulischen Abgleich durchführen (Pflicht bei Förderung durch das BAFA)
• großflächige Heizkörper für Wärmepumpen oder im Neubau eine Fußbodenheizung für eine geringe Vorlauftemperatur des Heizungswassers. Die Herstellerangaben für den Wirkungsgrad von Wärmepumpen beziehen sich auf eine Vorlauftemperatur von 35 Grad.
• Geothermie oder Grundwasser statt Luft als Wärmequelle. Die Fraunhofer-Gesellschaft hat 2020 eine Studie dazu veröffentlicht. Im realen Betrieb kamen Luft-Wärmepumpen in Bestandsgebäuden auf eine Jahresarbeitszahl von durchschnittlich 3,1 und Erd-Wärmepumpen auf 4,1
• gute Dämmung für eine niedrige Heizlast, also einen geringen Heizwärmebedarf

Wie Sie eine Wärmepumpe im Altbau sinnvoll einsetzen, erfahren Sie in unserem Artikel über Anwendungsbereiche von Wärmepumpen. Die wichtigsten Maßnahmen, um den Energieverbrauch für das Heizen zu senken, finden Sie auch mit unserem ModernisierungsCheck heraus.

Heizkörper für Wärmepumpen im Neubau

Ideal sind Fußboden- und Wandheizungen, denn für sie reicht eine Vorlauftemperatur von 35 Grad oder weniger. Für Neubauten sind Fußbodenheizungen deshalb sehr zu empfehlen, weil sie sich dort verlegen lassen, ohne bestehende Fußböden aufzureißen. Nachteil von Fußbodenheizungen ist allerdings, dass sich mit ihnen die Raumtemperatur nur langsam verändern lässt. Außerdem ist darauf zu achten, dass sich die Räume nicht stärker erwärmen als nötig.

Heizkörper für Wärmepumpen im Altbau

In Bestandsgebäuden (Altbau) sollten die Eigentümer*innen zunächst durch Dämmung den Heizwärmebedarf verringern. Für Altbauten gibt es außerdem Heizkörper, die sich einfacher nachrüsten lassen als eine Fußbodenheizung und mit denen die Vorlauftemperatur für Wärmepumpen auf höchstens 45 Grad begrenzt werden kann.

Niedertemperatur-Heizkörper oder Tieftemperatur-Heizkörper verteilen die Wärme zusätzlich mit leisen, kleinen Ventilatoren (Aktoren) im Raum. Hochwertige Aktoren haben eine Lautstärke von rund 26 Dezibel und sind damit leiser als eine tickende Armbanduhr.

Übliche Plattenheizkörper können für einen Altbau eine Alternative zu Niedertemperatur-Heizkörpern sein, wenn sie groß genug ausgelegt werden. Das lässt sich zum einen durch Länge und Höhe erreichen, aber vor allem durch die Zahl der Platten und Lamellen und damit durch die Dicke der Heizkörper. In der Typ-Bezeichnung (meist von 10 bis 33) steht die erste Ziffer für die Zahl der Konvektionsbleche und die zweite Ziffer für die Zahl der Lamellenreihen.

Wie wird eine Wärmepumpe angeschlossen?

Das Aggregat einer Wärmepumpe erhält wie jede andere Heizung im Keller einen Anschluss an den Heizkreislauf, außerdem wird ein Stromanschluss benötigt. In der Wärmepumpen-Heizung ist in der Regel auch ein Speicher für Warmwasser mit 200 bis 300 Liter eingebaut. Damit hat die Wärmepumpe einen Flächenbedarf von 0,5 bis 1,5 Quadratmeter.

Zusätzlich werden je nach Art der Wärmepumpe noch Leitungen für Sole, heißes Wasser oder Abluft benötigt, die vom Heizkeller durch die Wand nach außen führen. Diese Leitungen sind vom Heizkreislauf vollständig getrennt.

Luft-Wasser-Wärmepumpen benötigen außerdem noch einen Kondensatablauf. Bei Außenaufstellung wird dazu einfach ein kleines Rohr in die Erde geführt.

Pufferspeicher für Wärmepumpen

Pufferspeicher für Wärmepumpen sorgen dafür, dass die Pumpe sich nicht ständig an- und ausschalten muss. Das verbessert Lebensdauer und Wirkungsgrad der Wärmepumpe. Außerdem setzen Stromtarife für Wärmepumpen immer die Möglichkeit zur Abschaltung durch das EVU (Energieversorgungsunternehmen) voraus. Die externe Abschaltung sorgt dafür, dass Stromangebot und Stromverbrauch besser ausbalanciert werden und so das Stromnetz entlastet wird. Um diese Sperrzeit der Wärmepumpe zu überbrücken, lässt sich der Wärmebedarf währenddessen aus dem Pufferspeicher decken.

Durch den Pufferspeicher ist es außerdem möglich, die Wärmepumpe so einzustellen, dass sie eher tagsüber und weniger am Abend und in der Nacht läuft. Bei Luft-Wärmepumpen kann das wegen der Lärmemissionen der Ventilatoren ein wichtiger Vorteil sein.

Ein Pufferspeicher für eine Wärmepumpe fasst 100 bis 500 Liter – zusätzlich zum Warmwasser-Speicher. Der zusätzliche Platzbedarf dafür liegt etwa bei 0,4 bis 0,7 m². Als Richtwert für das Volumen gilt: 30 Liter Pufferspeicher pro Kilowatt (kW) Heizleistung der Wärmepumpe. Ist eine Fußbodenheizung vorhanden, ist kein Pufferspeicher nötig. Der Estrich, in dem die Schlauchleitungen verlegt werden, wirkt bereits wie ein großer Speicher.

Wärmepumpe & Wartung

Wärmepumpen sind relativ wartungsarm, weil keine Verbrennung stattfindet. Trotzdem sollten sie etwa alle 1 bis 3 Jahre gewartet werden. Zur Wartung einer Wärmepumpe gehören:

• Dichtigkeitsprüfung der Leitungen und Verbindungen für das Kältemittel
• Reinigen von Wärmetauschern
• Prüfen von Kondensatwanne, Kondensatablauf und Ansaugöffnung von Luftwärmepumpen auf Verstopfung
• Prüfen von Filtern und Frostschutzgehalt der Sole bei Erd-/Grundwasser-Wärmepumpen
• Prüfen der elektrischen Verbindungen

Die Kosten für die Wartung einer Wärmepumpe liegen bei etwa 150 Euro pro Jahr in einem Einfamilienhaus.

Wärmepumpe: Wie oft Kältemittel nachfüllen?

Bei einer Wärmepumpe muss nicht regelmäßig Kältemittel nachgefüllt werden. Sie sind so ausgelegt, dass sie möglichst dicht sind. Nur bei einigen Luft-Wärmepumpen (Split-Wärmepumpe) muss bei der Installation Kältemittel nachgefüllt werden, wenn die Kältemittelleitung zwischen Außeneinheit und Heizungskeller sehr lang ist. Arbeiten mit Kältemittel dürfen nur Fachbetriebe vornehmen, damit es nicht zu Verletzungen kommt und kein Gas in die Umwelt entweicht.

Für bestimmte fluorierte Kältemittel muss ein Fachbetrieb allerdings regelmäßig eine Dichtheitsprüfung der Wärmepumpe vornehmen. Falls fluorierte Gase (F-Gase) austräten, würden sie das Klima schädigen. Wie oft die Dichtigkeitsprüfung erfolgen muss, hängt laut F-Gas-Verordnung der EU von der Menge und der Treibhausgaswirkung (GWP) des Kältemittels ab. Informieren Sie sich beim Kauf der Wärmepumpe, ob und wie oft eine Dichtheitsprüfung vorgeschrieben ist.

Tipps zu natürlichen Kältemitteln wie CO₂ finden Sie in unserem Artikel Wärmepumpen: Test & Kaufempfehlung.

Ist eine Wärmepumpe mit Photovoltaik sinnvoll?

Grundsätzlich kann eine Photovoltaik-Anlage Strom für eine elektrische Wärmepumpe liefern. Im Sommer kann so das gesamte Warmwasser mit regenerativer Energie erwärmt werden. Allerdings braucht die Wärmepumpe dann am meisten Strom, wenn die PV-Anlage wenig davon erzeugt: im Winter und abends zum Heizen. Etwas Abhilfe lässt sich mit dem Pufferspeicher schaffen: Ein Energiemanagement-System sorgt dafür, dass die Wärmepumpe tagsüber das Heizwasser erwärmt, solange die Sonne scheint. In der Nacht kann es dann vom Speicher durch die Heizung fließen. Aber auch in den Übergangszeiten kann die PV-Anlage einen guten Beitrag leisten, um von fossilen Energieträgern wegzukommen. Das BAFA fördert auch den Einbau von Warmwasser-Speichern.

Die finanziellen Auswirkungen des Eigenverbrauchs hängen stark von den Anlagen, dem Energieverbrauch und Stromtarif sowie den aktuellen gesetzlichen Regeln ab. Ein Teil des Stroms für die Wärmepumpe muss aber trotz Solarmodulen aus dem Netz zugekauft werden. Manche Versorger bieten deshalb Wärmepumpenstrom auch als Ökostrom-Tarif an.

Wenn Sie eine Wärmepumpe mit einer PV-Anlage kombinieren möchten, fragen Sie am besten eine*n Energieberater*in. Ob sich Ihr Dach grundsätzlich für Photovoltaik eignet, können Sie mit unserem PhotovoltaikCheck herausfinden.

Wärmepumpe nachrüsten: Gas- oder Ölheizung umrüsten

• Um eine Ölheizung gegen eine Wärmepumpe zu tauschen, liegen die Kosten je nach Typ bei 12.000 bis 33.000 Euro für ein Einfamilienhaus. Für die Anschaffung gibt es eine Förderung von der KfW von mindestens 30 Prozent. Wer eine Ölheizung bis Ende 2028 austauschen will, kann einen Klima-Geschwindigkeitsbonus von weiteren 20 Prozent beantragen. Details finden Sie im Artikel über Förderungen für Wärmepumpen.
• Das Umrüsten auf eine Hybridheizung im Gebäudebestand (Altbau) wird von der KfW ebenfalls gefördert. Luft-Wärmepumpen werden häufig mit einem weiteren Wärmeerzeuger kombiniert, der im Winter an besonders kalten Tagen zum Einsatz kommt. Solche Wärmepumpen heißen bivalent. Von einer Hybridheizung ist die Rede, wenn der zweite Wärmeerzeuger ein Gaskessel oder Ölkessel ist. Die Förderung bezieht in dem Fall nur auf die Wärmepumpe. Reine Gas- und Ölheizungen werden nicht gefördert.

Um die Kosten niedrig zu halten, kann es bei Luft-Wärmepumpen gerechtfertigt sein, einen bestehenden Kessel weiter zu betreiben – er unterstützt die Luft-Wärmepumpe nur an einigen Tagen oder Wochen im Jahr. Dafür gibt es jedoch keine Fördermittel vom Staat. Neben dem Nachrüsten einer Wärmepumpe lohnen sich oft noch weitere Maßnahmen zum Energiesparen. Welche sich für Ihre Immobilie eignen, erfahren Sie ganz einfach mit unserem ModernisierungsCheck.

Kann eine Wärmepumpe auch kühlen?

Wärmepumpen lassen sich im Gegensatz zu anderen Heizungen im Sommer zum Kühlen einsetzen. Dafür muss die Wärmepumpe reversibel sein. Außerdem braucht es zum effizienten Kühlen eine wasserführende Flächenheizung. In Altbauten wird sie manchmal in Form einer Deckenheizung unter einer Deckenabhängung untergebracht. Es gibt zwei Möglichkeiten zum Kühlen:

• Aktives Kühlen verbraucht zusätzlichen Strom. Dabei läuft der Verdichter einer reversiblen Wärmepumpe. Für Luft-Wärmepumpen ist das sogar die einzige Möglichkeit zum Kühlen. Allerdings lässt sich so eine höhere Kühlleistung erreichen als beim passiven Betrieb.
• Passives Kühlen ist dafür effizienter: Erd- und Grundwasser-Wärmepumpen können die Wärme aus dem Gebäude mit ihrer Umwälzpumpe in den Untergrund leiten, der im Sommer kühler ist als die Luft.