Die Wärmepumpe ist, neben der Solaranlage, eine gute Möglichkeit Ihr Haus umweltfreundlich zu heizen und dabei fast auf CO2 zu verzichten. Sie nutzen Wärmequellen aus der Natur, die das ganze Jahr verfügbar sind. Doch wie genau sie funktioniert und welches altbekannte Prinzip dabei genutzt wird, erklären wir Ihnen hier.

Die Entwicklung geht bis ins Jahr 1824 zurück. Der französische Physiker und Ingenieur Nicolas Carnot veröffentlichte damals erste Grundsätze zur Funktion der Wärmepumpe. 100 Jahre später kamen in Zürich die ersten großen Wärmepumpen zum Einsatz und beheizten Gebäude. Klemens Oskar Waterkotte, oft als „Vater der Wärmepumpe“ bezeichnet, schloss 1969 die erste Wärmepumpe in Deutschland an. Seitdem gilt sie als zuverlässige und besonders umweltfreundliche Variante für die Beheizung von Räumen.

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Mit hoher Wahrscheinlichkeit haben Sie bereits ein Elektrogerät zu Hause, das dem Prinzip der Wärmepumpe gleicht: den Kühlschrank. Während der Kühlschrank seinem Inneren die Wärme entzieht und nach außen abgibt, nimmt die Wärmepumpe dem Außenbereich die Wärme und gibt diese an das Haus in Form von Heizenergie ab. Dafür wird die Energie aus der Luft, dem Grundwasser und der Erde gewonnen.

Der Kältekreisprozess gehört dabei immer zur Funktionsweise, unabhängig davon, ob Wasser, Erde oder Luft als Wärmequelle dient. Dieser Prozess findet in einem geschlossenen Kreislauf statt und wiederholt sich immer wieder. Er erfolgt in 4 Schritten:

Schritt 1: Verdampfen der Flüssigkeit

Damit eine Flüssigkeit verdampfen kann, muss Energie zugeführt werden. Im Alltag ist dieser Prozess bei Wasser sehr gut zu beobachten. Wenn Sie einen Topf mit Wasser auf 100 Grad erwärmen, steigt Dampf aus dem Topf auf. Wenn Sie dann weiter Energie in Form von Wärme zuführen, erhöht sich die Temperatur des Wassers nicht weiter, sondern es verdampft vollständig.

Schritt 2: Gasverdichtung

Wird das Volumen eines Gases durch Zusammendrücken verringert, spricht man von Komprimierung oder Verdichtung eines Gases. Wenn Sie beispielsweise bei einer Fahrradpumpe die Öffnung zuhalten und die Luft zusammendrücken, wird der Zylinder der Pumpe warm.

Ein weiteres interessantes Beispiel zur Gasverdichtung ist bei folgendem Experiment zu beobachten: In einen Zylinder wird ein Wattebausch gelegt, dieser wird dann mit einem beweglichen Kolben geschlossen. Wenn der Kolben dann plötzlich nach unten gedrückt wird, findet durch den Verdichtungsvorgang ein so hoher Temperaturanstieg statt, dass sich der Wattebausch entzündet.

Schritt 3: Verflüssigung des Gases

Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden, sie ändert lediglich die Form und wird in eine andere umgewandelt. Daher wird die vorher zum Verdampfen eingesetzte Wärmeenergie wieder freigesetzt, sobald der Wasserdampf kondensiert.

Schritt 4: Entspannung

Senkt man den Druck bei einer unter Druck stehenden Flüssigkeit plötzlich, sinkt die Temperatur extrem. Gut zu beobachten ist dieser Vorgang an einer Flüssiggasflasche eines Gaskochers. Wenn das Ventil geöffnet wird und dadurch der Druck innerhalb der Flasche sinkt, kann sich selbst an warmen Tagen Eis am Ventil der Flasche bilden.

Der Wärmepumpen Kreislauf

Jede Wärmepumpe funktioniert nach dem gleichen Prinzip – sie zieht sich ihre jeweilige Wärmequelle aus der Natur, egal ob Sommer oder Winter. Hier erklären wir Ihnen das Ganze noch einmal praxisnah am Beispiel der Luft-Wasser-Wärmepumpe und erläutern die beiden weiteren Arten der Wärmepumpe.

Luft-Wasser-Wärmepumpen

Die Luft-Wasser-Wärmepumpe besteht aus einer oder zwei Einheiten. Ein eingebauter Ventilator saugt die Außenluft auf und überträgt sie an einen Wärmetauscher. Durch diesen fließt das Kältemittel, das bereits ab sehr geringen Temperaturen seinen Aggregatzustand ändert. Kommt das Kältemittel mit dem Sauerstoff aus der Umgebung in Kontakt, erwärmt es sich und wandelt sich nach und nach in Dampf um (Schritt 1, Verdampfen der Flüssigkeit).

Im nächsten Schritt kommt ein Verdichter zum Einsatz, damit die dabei entstehende Wärme auf die gewünschte Temperatur gebracht werden kann. Dieser verdichtet den Dampf und erhöht somit Druck und Temperatur des Dampfes vom Kältemittel (Schritt 2, Gasverdichtung). Ein zweiter Wärmetauscher, der zur Verflüssigung des Gases dient, überträgt die Energie aus dem erwärmten Dampf an den Heizkreislauf – beispielsweise der Heizung. Das dabei noch unter Druck stehende Kältemittel kühlt nun ab und wird wieder verflüssigt (Schritt 3, Verflüssigung des Gases). Im letztens Schritt wird das Kältemittel in einem Expansionsventil entspannt, bis der ursprüngliche Zustand erreicht ist (Schritt 4, Entspannung). Jetzt kann der Kreislauf wieder von vorn beginnen.

Neben der Luft-Wasser-Wärmepumpe gibt es noch weitere Arten

Sole-Wasser-Wärmepumpen

Bei dieser Wärmepumpe wird die thermische Energie aus dem Erdreich gewonnen. Die Temperaturen in der Erde liegen zwischen sieben und 13 Grad, je nach Bodenqualität und Erdtiefe. Selbst wenn die obere Erdschicht gefroren ist, halten sich diese Temperaturen konstant. Die gewonnene Wärme wird ebenfalls durch einen Kreislauf mit Kältemittel geleitet, an dessen Ende die Wärme genutzt wird. Die Erdwärme lässt sich entweder über Erdkollektoren, die nah der Erdoberfläche verlegt werden, gewinnen oder via Erdsonden, die bis zu 100 Meter tief in der Erde liegen.

Wasser-Wasser-Wärmepumpen

Die Wasser-Wasser-Wärmepumpe, auch Grundwasserwärmepumpe genannt, benutzt die im Grundwasser enthaltene Wärme als Energiequelle. Mittels eines Brunnens wird das Grundwasser durch Rohre gepumpt und gelangt so zur Wärmepumpe und zum Kältemittel. Wie tief die Bohrung für den Förderbrunnen erfolgt, richtet sich nach der Höhe des Grundwasserspiegels.

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Der Vorteil ist: Auch an kalten Wintertagen geben Grundwasser, Umgebungsluft und Erdreich ausreichend Wärme ab, um Ihr Haus zu heizen. Selbst bei Außentemperaturen von bis zu minus 20 Grad ist die Wärmepumpe technisch in der Lage ausreichend Wärme für Ihr Haus produzieren. Dabei werden 75 Prozent der Energie aus der Umwelt gewonnen – was sie so klimafreundlich macht. Lediglich 25 Prozent kommen aus der Steckdose.

Wärmepumpen eignen sich nicht nur für Neubauten, sondern auch ausgezeichnet zum Nachrüsten. Vorteil daran ist, dass sie problemlos im Altbau und bei Umbaumaßnahmen verwendet werden können. Dabei geben sie vor allem bei energetischen Sanierungsmaßnahmen die Möglichkeit, künftig umweltschonend und günstig zu heizen. Oftmals können sie dabei in andere Heizsysteme integriert werden, oder als Unterstützung zur Gas- oder Ölheizung, eine sogenannte Hybridheizung, dienen.

Je nach Standort, Einsatzmöglichkeit und Genehmigungsvorschriften eignen sich Luft, Wasser und Erde unterschiedlich gut als Energielieferant. Für kleinere Grundstücke eignen sich Luft-Wasser-Wärmepumpen sehr gut, große Grundstücke bieten genügend Platz für Erd- oder Wasser-Wasserwärmepumpen. Bei letzteren beiden sollte jedoch auch die aufwändige Installation in Betracht gezogen werden. Diese kann bis zu 8 Monaten in Anspruch nehmen und setzt oftmals Genehmigungen für u. a. Erdbohrungen voraus.

Das ist jedoch nur ein Faktor von vielen, denn kein anderes Heizsystem ist so vielfältig wie die Wärmepumpe mit ihren verschiedenen Arten. Der einzige Nachteil daran ist, dass man bei Recherchen nach dem richtigen Modell schnell den Überblick verlieren kann. Ein Energieberater sollte bei der Wahl also auf jeden Fall hinzugezogen werden, damit sie die vielen Vorteile optimal nutzen können.

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Franziska Reiche Franziska ist Autorin dieses Artikels und unsere Expertin auf den Gebieten Heizsysteme, Heizungsförderung und Wärmewende. Wenn Sie Fragen zum Artikel oder Ihrem Heizungswechsel haben, schreiben Sie ihr: fragen@thermondo.de.