Wie funktioniert eine Wärmepumpe? Einfach erklärt

In diesem Beitrag zeige ich euch, wie eine Wärmepumpe funktioniert, wie sie Wärme aus der Umwelt nutzen kann und warum eine Wärmepumpe oft mit dem Kühlschrank verglichen wird. Nachfolgend findet ihr ein passendes Video zu diesem Beitrag:

Funktion der Wärmepumpe – die wichtigsten Grundlagen

Eine Wärmepumpe macht Umweltwärme zum Heizen nutzbar, selbst bei Temperaturen weit unter 0 °C. Dazu entzieht sie der Außenluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser Wärme und hebt diese mithilfe elektrischer Energie auf ein höheres Temperaturniveau an. Die so gewonnene Wärme wird an das Heizsystem abgegeben. Das Besondere: Die Wärmepumpe liefert dabei deutlich mehr Wärme, als sie an Strom verbraucht.

Werden etwa ein Kilowatt elektrische Leistung für den Betrieb der Wärmepumpe benötigt, ist es möglich, einen Wärmestrom (Leistung in der Heizungstechnik) von drei, vier oder fünf Kilowatt für die Heizung zu erhalten.

Hinweis: Da die Wärmepumpe mehr Wärme an das Heizsystem abgibt, als sie an elektrischer Energie für den Betrieb benötigt, lässt sich aus dem Verhältnis dieser beiden Größen eine Kennzahl ableiten: die Leistungszahl (COP – Coefficient of Performance). Je weniger elektrische Energie die Wärmepumpe für eine bestimmte Wärmeleistung benötigt, desto höher ist der COP und desto effizienter arbeitet die Anlage. Neben dem COP gibt es noch weitere Effizienzkennzahlen, dazu jedoch mehr in einem kommenden Beitrag.

Die Wärmepumpe nutzt Wärme aus Umweltwärmequellen wie Luft, Erdreich, Oberflächengewässer oder Abwärme aus Industrieprozessen. Die Temperatur der Wärmequellen ist so niedrig, dass sie selten anderweitig genutzt werden kann. Das Energieflussschema in Abbildung 1 soll dies verdeutlichen:

Wärme aus der Umwelt nutzen und das bei –14 °C? Das ist doch eigentlich kalt?

Ja, das ist möglich! Um diese Umweltquellen zu nutzen, durchläuft ein Kältemittel einen Kreisprozess in der Wärmepumpe. Die Wärmepumpe nutzt dabei einfache physikalische Prinzipien. Um diese zu verstehen, schauen wir uns die Begriffe Wärme, latente Wärme und Kältemittel an und können diese dann im Kältemittelkreis zu einem verständlichen Puzzle zusammensetzen.

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Was bedeutet „Wärme“ fürs Heizen und Kühlen?

Wärme ist eine Form der Energieübertragung und erfolgt aufgrund eines Temperaturunterschieds. Dieser Wärmetransport endet, sobald beide Stoffe die gleiche Temperatur erreicht haben. Dabei ist die Fließrichtung der Wärme entscheidend.

Hinweis: Wärme fließt immer von einem Körper oder Stoff höherer Temperatur zu einem Körper oder Stoff mit niedrigerer Temperatur. Niemals umgekehrt! Dabei gilt: Jeder Körper oder Stoff mit einer Temperatur über 0 Kelvin (-273,15 °C) besitzt Wärme. Dieser Temperaturpunkt wird in der Physik als der „absolute Nullpunkt“ bezeichnet. Erst bei dieser niedrigen Temperatur ist in einem Stoff keine Teilchenbewegung mehr festzustellen. Das bedeutet: Selbst bei –20 °C Außentemperatur enthält die Umgebungsluft noch nutzbare Wärme, was sich die Wärmepumpe zunutze macht.

Hier ein einfaches Beispiel zum Verständnis: Wenn ihr einen Metalllöffel aus eurer Küchenschublade herausholt und diesen anfasst, fühlt er sich in eurer Hand kalt an, wird aber mit der Zeit wärmer und erreicht nach kurzer Zeit die Temperatur eurer Hand. Der Wärmetransport (Energieübertragung) ist dann abgeschlossen. Umgekehrt geht dies nicht! Der Löffel mit Zimmertemperatur hat auch Wärme gespeichert, kann diese aber nicht an eure Hand abgeben. Wenn dies möglich wäre, würde eure Hand wärmer werden und der Löffel kälter, dies geht physikalisch nicht.

Für die Gebäudetechnik heißt das:

• Heizen bedeutet, einem System wird Wärme zugeführt.
• Kühlen bedeutet, einem System wird Wärme entzogen (also Wärme wird abgeführt).

Wenn wir also von „Heizung“ sprechen, ist praktisch immer die Wärmezufuhr gemeint, und wenn wir von „Kühlung“ sprechen, ist der Wärmeabtransport gemeint.

Latente und sensible Wärme

Jetzt haben wir schon eine Verbindung zwischen Wärme und Temperaturen herstellen können und in der Regel kann man folgende Aussage treffen:

• Wird einem Stoff oder Körper Wärme zugeführt, steigt die Temperatur.
• Wird einem Stoff oder Körper Wärme abgeführt, sinkt die Temperatur.

Diese Form der Wärmemenge wird sensible Wärme genannt, weil man sie direkt als Temperaturänderung „spürt“ oder messen kann.

Es gibt jedoch eine wichtige Ausnahme und das sind Aggregatzustandsänderungen wie Schmelzen, Erstarren, Verdampfen und Kondensieren.

Wichtig: Während eines Phasenwechsels bleibt die Temperatur konstant, obwohl weiterhin Wärme zugeführt oder freigesetzt wird. Diese Wärmemenge heißt latente Wärme und wird für das Lösen oder Bilden von Bindungen zwischen den Stoffteilchen bei einer Aggregatzustandsänderung benötigt.

Die beiden nachfolgenden Beispiele sollen euch anhand von einem Kilogramm Wasser zeigen, wie viel Wärme für eine Aggregatzustandsänderung benötigt wird:

Beispiel Schmelzen von Wasser:
➔ Um 1 kg gefrorenes Wasser (Eis) bei 0 °C vollständig zu flüssigem Wasser bei 0 °C zu schmelzen, benötigt man etwa 334 kJ (≈ 0,093 kWh).
➔ Das entspricht ungefähr der Wärme, die nötig ist, um 1 kg flüssiges Wasser von 0 °C auf 80 °C zu erwärmen!

Beispiel Verdampfen von Wasser:
➔ Um 1 kg flüssiges Wasser bei 100 °C vollständig zu Wasserdampf bei 100 °C zu verdampfen, benötigt man etwa 2.260 kJ (≈ 0,63 kWh).
➔ Das entspricht ungefähr der Wärme, die nötig ist, um 1 kg flüssiges Wasser 5,4-mal von 0 °C auf 100 °C zu erwärmen.

Das bedeutet, bei einer Aggregatzustandsänderung wie Schmelzen oder Verdampfen wird viel latente Wärme aufgenommen, wobei die Temperatur annähernd konstant bleibt. Gleichzeitig wird diese latente Wärme beim umgekehrten Prozess, also beim Erstarren oder Kondensieren, wieder freigegeben.

Für die Gebäudetechnik ist das sehr relevant, denn die latente Wärme spielt eine zentrale Rolle in Wärmepumpen, Kältemaschinen und auch im Brennwertkessel. In diesen Maschinen wird Wärme durch Phasenwechsel (Verdampfen/Kondensieren) besonders effizient aufgenommen und wieder abgegeben. Das schauen wir uns aber später im Kreisprozess der Wärmepumpe genauer an. Im nächsten Schritt geht es weiter mit dem Kältemittel, dem Arbeitsmittel in einer Wärmepumpe.

Kältemittel: Das Arbeitsmedium in der Wärmepumpe

Kältemittel sind spezielle Fluide (flüssig/gasförmig), die in Kältekreisprozessen (von Wärmepumpen und Kältemaschinen) als Arbeitsmedium eingesetzt werden. Das Arbeitsmedium Kältemittel hat die Aufgabe, Wärme zu transportieren. Wie das funktioniert? Viele Kältemittel haben hervorragende thermodynamische Eigenschaften und sieden beispielsweise bei sehr niedrigen Temperaturen.

Das Kältemittel Propan (R290) hat beispielsweise bei Normaldruck einen Siedepunkt von etwa –42 °C und kann bei sehr niedrigen Temperaturen latente Wärme aufnehmen (verdampfen) und seinen Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig ändern. Die Wärme ist dann im gasförmigen Kältemittel gespeichert und kann in einer Wärmepumpe an ein Heizsystem abgegeben werden, doch dazu später mehr.

Wichtig: Kältemittel sind keine Frostschutzmittel. Frostschutzmittel (z. B. in Solekreisen) senken den Gefrierpunkt. Ein Kältemittel ist hingegen das Wärmetransportmedium im Kältekreislauf.

Damit haben wir die Grundlagen zum Verständnis von Wärmepumpen (Wärme, latente Wärme und Kältemittel) kennengelernt. Im nächsten Schritt schauen wir uns an, wie diese im Kältekreislauf angewendet werden und wie Wärme aus der Umwelt für ein Heizsystem genutzt werden kann.

Der Kältemittelkreislauf: In vier Schritten

Die Funktion einer Wärmepumpe kann am besten mithilfe eines idealisierten Kreisprozesses (linkslaufender oder rückwärtslaufender Carnot-Prozesses) beschrieben werden. Der Carnot-Prozess ist ein Kreisprozess und beschreibt den sich ständig ändernden Aggregatzustand eines Arbeitsmittels, was im Fall einer Wärmepumpe das Kältemittel ist.

Das Kältemittel zirkuliert dabei in einem geschlossenen Kreislauf, wobei es Wärme aus der Umwelt auf einem niedrigen Temperaturniveau aufnimmt (es verdampft) und die Wärme auf einem hohen Temperaturniveau an ein Heizsystem abgibt (es kondensiert). Das Kältemittel hat keinen direkten Kontakt zur Wärmequelle (Luft, Erdreich, Wasser) oder dem Heizungswasser.

Für diesen Kreisprozess gibt es im Kältekreislauf vier Bauteile mit klar definierten Aufgaben: Verdampfer, Verdichter (Kompressor), Verflüssiger (Kondensator) und Expansionsventil. In Abbildung 4 ist beispielhaft der Kreisprozess einer Wärmepumpe mit vier Schritten dargestellt. Diese schauen wir uns jetzt etwas genauer an.

Hinweis: Die nachfolgenden thermodynamischen Zustandsänderungen orientieren sich am idealen Kreisprozess einer Wärmepumpe und stellen eine vereinfachte Darstellung der realen Vorgänge dar.

Hinweis: In den Skizzen steht $\dot Q$​ (Q-Punkt) für den Wärmestrom: Er beschreibt, wie viel Wärme pro Zeit übertragen bzw. genutzt wird.

Schritt 1 – Verdampfen des Kältemittels (Wärmeaufnahme aus Umwelt)

① Verdampfen → ② Verdichten → ③ Verflüssigen → ④ Entspannen

Das flüssige Kältemittel fließt in den Verdampfer und nimmt Wärme ($\dot{Q}_0$) aus der Umwelt (Luft, Wasser, Erdreich) bei einem niedrigen Temperaturniveau auf. Damit Wärme übertragen werden kann, muss die Kältemitteltemperatur unter der Quelltemperatur liegen.

Da das Kältemittel einen sehr niedrigen Siedepunkt hat, reichen niedrige Temperaturen (bis –20 °C) aus, um Umweltwärme zu übertragen und das Kältemittel verdampfen zu lassen.

Das Kältemittel ändert seinen Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig, wobei die Temperatur des Kältemittels annähernd konstant bleibt, und nimmt Wärme auf. Dieser Vorgang wird im linkslaufenden (rückwärtslaufenden) Carnot-Prozess Isotherme Expansion genannt.

Schritt 2 – Verdichten des Kältemittels (Temperaturhub erzeugen)

① Verdampfen → ② Verdichten → ③ Verflüssigen → ④ Entspannen

Im zweiten Schritt wird das gasförmige Kältemittel in den Verdichter (Kompressor) gesaugt und mithilfe elektrischer Energie ($P_{el}$) stark verdichtet. Dabei sinkt das Volumen und Druck sowie Temperatur des Kältemittels steigen stark an. Dieser Vorgang wird im linkslaufenden (rückwärtslaufenden) Carnot-Prozess isentrope (oder adiabatische) Kompression genannt.

Hinweis: Je kleiner der Temperaturunterschied (Temperaturdifferenz) zwischen Wärmequelle und Vorlauftemperatur des Heizsystems ist, desto weniger muss das Kältemittel im Verdichter verdichtet werden und desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe. Deshalb sind Flächenheizungen (wie die Fußbodenheizung) mit niedrigen Vorlauftemperaturen (ca. 30–35 °C) in Kombination mit einer Wärmequelle auf konstantem Temperaturniveau (wie Geothermie oder Grundwasser) optimal für eine hohe Effizienz der Wärmepumpe. Dies schauen wir uns im Beitrag zur Effizienz einer Wärmepumpe genauer an.

Schritt 3 – Verflüssigen des Kältemittels (Wärmeabgabe an Heizsystem)

① Verdampfen → ② Verdichten → ③ Verflüssigen → ④ Entspannen

Im dritten Schritt ist das Kältemittel gasförmig und hat ein sehr hohes Temperaturniveau erreicht. Im Verflüssiger, welcher auch Kondensator genannt wird, kann das Kältemittel seine Wärme ($\dot{Q}_C$) an das Heizsystem übertragen.

Damit dieser Wärmetransfer funktioniert, muss die Temperatur des Kältemittels beim Eintritt in den Verflüssiger deutlich höher sein als die Temperatur des Heizsystems. Auf diese Weise lässt sich das Heizungswasser auf bis zu 60 °C, in Hochtemperaturwärmepumpen auf über 100 °C erwärmen.

Das gasförmige Kältemittel gibt im Kondensator seine Wärme ab und wechselt dabei seinen Aggregatzustand von gasförmig zu flüssig. Durch die Kondensation wird die im Kältemittel gespeicherte latente Wärme an das Heizsystem übertragen, wobei die Temperatur annähernd konstant bleibt. Am Ende dieses Schritts liegt das Kältemittel wieder als Flüssigkeit vor, steht aber nach wie vor unter hohem Druck und hoher Temperatur. Dieser Vorgang wird im linkslaufenden (rückwärtslaufenden) Carnot-Prozess als isotherme Kompression bezeichnet.

Schritt 4 – Expansion des Kältemittels (Temperatur und Druck senken)

① Verdampfen → ② Verdichten → ③ Verflüssigen → ④ Entspannen

Im vierten Schritt strömt das Kältemittel durch das Expansionsventil, wobei der Druck und die Temperatur schlagartig abfallen. Das Kältemittel entspannt sich und kühlt dabei stark ab.

In diesem Zustand gelangt es in den Verdampfer und ist bereit, erneut Wärme aus der Umwelt aufzunehmen. Der Kreislauf beginnt von vorn. Dieser Vorgang wird im linkslaufenden (rückwärtslaufenden) Carnot-Prozess isentrope Expansion genannt.

Wärmepumpe und Kühlschrank – Was haben sie gemeinsam?

Auch wenn es auf den ersten Blick nicht danach aussieht, arbeiten Wärmepumpe und Kühlschrank nach dem gleichen physikalischen Prinzip und haben die gleichen Bauteile in einem Kältemittelkreis: Verdampfer, Verdichter, Kondensator und Expansionsventil. In beiden Geräten zirkuliert ein Kältemittel, das Wärme aufnimmt, diese transportiert und an anderer Stelle wieder abgibt. Den Antrieb dafür liefert ein elektrisch betriebener Kompressor, der das Kältemittel verdichtet und so auf ein höheres Temperaturniveau bringt.

Der Unterschied liegt daher nicht in der Technik, sondern im Ziel: Ein Kühlschrank ist technisch gesehen eine Kältemaschine und soll einem Stoff (Essen oder Getränken) Wärme entziehen. Wenn ihr nun Essen in euren Kühlschrank stellt, befindet sich das Essen in einem geschlossenen Raum. Den Lebensmitteln im Innenraum des Kühlschranks wird Wärme entzogen und diese wird über die Rückseite des Geräts als Abwärme an die Küche abgegeben. Wenn ihr einmal die Hand an die Rückseite eines laufenden Kühlschranks haltet, könnt ihr diesen Effekt spüren.

Der Zweck einer Kältemaschine ist es also, einem Raum oder einem Kühlgut Wärme zu entziehen. Die dabei entstehende Abwärme ist nur ein Nebenprodukt.

Bei der Wärmepumpe ist es genau umgekehrt: Sie entzieht der Umgebung, also der Außenluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser, Wärme und gibt diese gezielt an das Heizungssystem ab. Hier ist die Wärmeabgabe der Zweck und die Abkühlung der Umwelt das Nebenprodukt. In Abbildung 9 könnt ihr dies sehen.

• Wärmepumpe: Wärmequelle $\dot{Q}_0$ ist Wärme aus Umwelt (Luft, Erdreich, Grundwasser), Wärmeabgabe $\dot{Q}_C$ ist Heizsystem
• Kältemaschine: Wärmequelle $\dot{Q}_0$ ist Wärme aus zu kühlendem Bereich (Kühlschrank, Gebäude), Wärmeabgabe $\dot{Q}_C$ ist Umwelt

Und genau hier wird es für die Gebäudetechnik besonders interessant: Viele moderne Wärmepumpen können im Sommer auch kühlen. Dabei bleibt der Kältekreisprozess selbst unverändert, ein Umschaltventil vertauscht lediglich die Funktion der Wärmeübertrager, sodass die Wärmepumpe den Räumen Wärme entzieht und diese nach außen abführt. Man spricht von aktivem Kühlen (Active Cooling).

Wichtig: Der Kreisprozess wird dabei nicht umgekehrt, auch wenn dies häufig so beschrieben wird. Die vier Schritte (Verdampfen, Verdichten, Verflüssigen, Entspannen) laufen in derselben Reihenfolge ab. Was sich ändert, ist lediglich die Zuordnung der Wärmeübertrager: Ein Umschaltventil kehrt die Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Verdichter um, sodass der bisherige Verflüssiger als Verdampfer arbeitet und umgekehrt.

Bei Sole-Wasser-Wärmepumpen (Geothermie oder Grundwasser) gibt es zusätzlich die Möglichkeit des passiven Kühlens (Passive Cooling), bei dem die niedrige Temperatur des Erdreichs oder des Grundwassers ohne Kompressorbetrieb direkt zum Kühlen genutzt werden kann. Die Wärmepumpe wird damit zu einem Gerät, das heizen und kühlen kann.

In den nachfolgenden Bildern seht ihr noch einmal zwei typische Bauformen von Wärmepumpen: einmal eine Split-Wärmepumpe mit einem Innen- und einem Außengerät, welche durch eine Kältemittelleitung verbunden sind, sowie eine Monoblock-Wärmepumpe, in der sich alle Bauteile befinden.

Häufig gestellte Fragen zur Funktion der Wärmepumpe (FAQ)

Fazit

Eine Wärmepumpe nutzt ein einfaches physikalisches Prinzip: Ein Kältemittel nimmt Wärme aus der Umwelt auf, wird verdichtet und gibt die Wärme auf einem höheren Temperaturniveau an ein Heizsystem ab. Dafür durchläuft das Kältemittel vier Schritte: Verdampfen, Verdichten, Verflüssigen und Entspannen in einem geschlossenen Kreislauf.

Entscheidend ist dabei die latente Wärme: Beim Verdampfen nimmt das Kältemittel große Mengen Energie auf, ohne dass seine Temperatur steigt. Beim Verflüssigen wird genau diese Energie wieder freigesetzt und an das Heizsystem übertragen. Dadurch kann eine Wärmepumpe deutlich mehr Wärme abgeben, als sie an elektrischer Energie für den Betrieb benötigt.

Das Prinzip funktioniert auch bei niedrigen Außentemperaturen, denn verwendete Kältemittel sieden bereits weit unter 0 °C. Wie effizient eine Wärmepumpe diesen Prozess in der Praxis umsetzt, beschreiben Kennzahlen wie die Leistungszahl (COP) und die Jahresarbeitszahl (JAZ), dazu jedoch mehr in einem kommenden Beitrag. Was das konkret für den Stromverbrauch und die Betriebskosten bedeutet, erfahrt ihr ebenfalls dort.

Welche Wärmequellen sich für Wärmepumpen eignen und welche Vor- und Nachteile sie haben, erfahrt ihr in diesem Artikel: Wärmequellen für Wärmepumpen.

Ich hoffe, ich konnte euch mit diesem Beitrag weiterhelfen, die Funktion einer Wärmepumpe besser zu verstehen. Falls ihr Fragen, Anregungen oder Kritik zum Beitrag habt, nutzt gerne die Kommentarfunktion.

Liebe Grüße! Martin

Weiterführende Links und Quellen:

• Quelle 1: Martin Schlobach, aus: „Haustechnik für Dummies“, Wiley-VCH 2023. Verwendet mit Genehmigung.
• Quelle 2: Midjourney AI
• Wikipedia – Carnot Prozess
• Wikipedia – elektrisch angetriebene Kompressionswärmepumpe
• Wikipedia – Expansionsventil
• Taschenbuch für Heizung+ Klimatechnik 05/06, Recknagel, Sprenger, Schramek – 72. Auflage, Oldenbourg Industrieverlag München, 2006
• Novellierung der F-Gase-Verordnung 2023-2024
• Erdgekoppelte Wärmepumpen – Geschichte, Systeme, Auslegung, Installation, Dipl.- Geol. Burkhard Sanner, IZW- Berichte 2/92, November 1992,
• Handbuch der Gebäudetechnik – Planungsgrundlagen und Beispiele Band 2 Heizung/ Lüftung/ Energiesparen, Prof. Dipl.-Ing. Wolfram Pistohl, Architekt 7. Auflage, Werner Verlag, Köln 2009
• Titelbild erstellt mit Midjourney AI