Wärmepumpe-Arten erklärt: So funktionieren sie

Wärmepumpen heizen besonders umweltschonend. Dabei gibt es verschiedene Arten von Wärmepumpen, die sich in ihrer Wärmegewinnung und Funktionsweise unterscheiden. Wir zeigen, wie die wichtigsten Wärmepumpen funktionieren und welche Vor- und Nachteile sie haben.

Allgemein funktioniert eine Wärmepumpe, indem sie Energie aus der Umwelt nutzt, um zu heizen. Auch, wenn es draußen nicht wärmer als im Haus ist, kann die in der Umgebung gespeicherte Wärmeenergie genutzt werden. Dadurch erhitzt die Wärmepumpe das Wasser im Heizkreislauf. 

Im Gegensatz zu herkömmlichen Heizungen gibt es bei Wärmepumpen keine Verbrennung. Diese ermöglicht normalerweise die sehr hohen Temperaturen, die zum Heizen benötigt werden. Eine Wärmepumpe ist daher am effizientesten, wenn die Außentemperaturen hoch sind und ein großflächiges Heizsystem verwendet wird. Sind die Heizkörper groß, müssen sie nicht so stark erhitzt werden, um ein Haus zu heizen.

Um eine Wärmepumpe zu betreiben braucht es Strom. Wenn dieser aus erneuerbaren Energien erzeugt wird, sind Wärmepumpen quasi klimaneutral. Gut zu wissen: Einige Ökostromanbieter haben einen extra Wärmepumpenstromtarif, der oft sogar etwas günstiger ist.

So funktioniert eine Wärmepumpe

Wärmepumpen können die benötigte Wärmeenergie aus unterschiedlichen Quellen ziehen: Aus der Außenluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser. Ihre grundsätzliche Funktionsweise bleibt aber immer gleich.

Die Funktionsweise einer Wärmepumpe entspricht im Prinzip der eines Kühlschranks – nur umgekehrt. Während ein Kühlschrank seinem Innenraum Wärme entzieht und nach außen abgibt, zieht eine Wärmepumpe die Wärme von Draußen und gibt sie nach innen ab. 

Die Wärmepumpe bzw. die entsprechende Heizungsanlage besteht aus drei Teilen:

• Die Wärmequellenanlage entzieht der Umgebung Energie – also Luft, Erde oder Grundwasser.
• Die eigentliche Wärmepumpe bereitet die von außen aufgenommene Energie in Wärmeenergie zum Heizen auf.
• das Wärmeverteilsystem (Leitungen und Heizkörper) und Speichersystem speichert bzw. vertilt die Wärme im Haus.

Im ersten Schritt nimmt die Wärmequellenanlage Umweltwärme auf und transportiert sie zur Wärmepumpe. Das passiert entweder entweder mittels einem Ventilator, der die Außenluft ansaugt (Luft-Wärmepumpen) oder mittels einer zirkulierenden Flüssigkeit (Sole), die Wärmeenergie aus dem Grundwasser oder Erdreich aufnimmt und zur Wärmepumpe transportiert (Wasser- oder Erdwärmepumpe). Mehr zu den Wärmepumpen-Arten weiter unten.

Im zweiten Schritt wandelt die eigentliche Wärmepumpe die aufgenommene Wärme in Heizwärme um. In der Wärmepumpe befindet sich ein Kreislauf, in dem ein Kältemittel zirkuliert. Das Kältemittel nimmt die Umweltwärme auf und expandiert (verdampft) dabei. In einem Kompressor (Verdichter) wird das Kältemittel dann wieder komprimiert und erhitzt sich dabei stark. Anschließend wird das heiße Kältemittel kondensiert (verflüssigt) und gibt seine Wärme wieder ab. Diese Wärme wird an das Heizsystem des Hauses abgegeben. Das flüssige Kältemittel wird dann im Wärmepumpen-Kreislauf wieder abgekühlt (entspannt).

Im dritten Schritt nimmt das Heizsystem des Hauses, bzw. das in der Regel darin zirkulierende Wasser, die Wärme, die das Kältemittel im Verflüssiger abgegeben hat, auf. Nun wird sie im Haus verteilt, etwas über Fußbodenheizungen oder Heizkörper, oder aber zu einem Pufferspeicher geleitet.

Wichtig: Wie effizient die Wärmepumpe elektrische Energie in Wärmeenergie umwandeln kann, drückt die Jahresarbeitszahl (JAZ) aus. Je höher die JAZ, desto effizienter, d.h. weniger Strom braucht das Gerät für die nötige Menge Heizwärme. Auch in der JAZ unterscheiden sich die verschiedenen Wärmepumpen-Arten.

Wie unterscheiden sich Arten von Wärmepumpen?

Es gibt verschiedene Weisen, wie du die diversen Arten von Wärmepumpen unterscheiden kannst. Zu den ersten beiden geben wir dir in diesem Artikel Details:

1. Welche Form von Umgebungswärme nutzt die Pumpe? Wärmepumpen können Energie nutzen, die in Luft, Boden oder Grundwasser gespeichert ist. 
2. Ist die Wärmeenergie aus der Umgebung erst einmal in die Wärmepumpe eingespeist, muss diese noch nutzbar gemacht werden. Dafür muss die Wärmepumpe die Wärme konzentrieren, um eine Heizwirkung zu erzielen. Für diesen Schritt gibt es drei Möglichkeiten, um Umgebungswärme in Heizenergie umzuwandeln: die Kompressionswärmepumpe, die Adsorptionswärmepumpe und die Absorptionswärmepumpe.
3. Du könntest Arten von Wärmepumpen auch danach unterscheiden, womit sie betrieben sind. Auf dem Markt gibt es nämlich neben den üblicheren strombetriebenen auch seltenere gasbetriebene Modelle.
4. Ein weiteres Kriterium könnte sein, was die Wärmepumpen erhitzen. Es gibt beispielsweise Arten von Wärmepumpen, die nicht die Heizung, sondern den Wasserspeicher erwärmen. 

4 Arten von Wärmepumpen: Anhand der Form von Umgebungswärme

Grundsätzlich werden Wärmepumpen meist darin unterschieden, dass sie verschiedene Formen von Umgebungswärme nutzen. Diesem Kriterium nach gibt es vier Arten von Wärmepumpen.

Unter den Begriff der Luft-Wärmepumpe fallen die beiden ersten aufgelisteten Arten, weil beide Wärme aus der Luft ziehen. 

1. Luft-Wasser-Wärmepumpe

Diese nimmt die benötigte Energie direkt aus der Außenluft auf. Dafür beinhaltet sie ein spezielles Kältemittel, das bereits bei geringen Temperaturen verdampft. Im sogenannten Verdampfer erwärmt es sich und verdampft dabei. Dies ist der erste wichtige Schritt in jedem Wärmepumpenkreislauf (s. oben).

Die Wärmepumpe gibt die Wärmeenergie dann an eine mit zirkulierendem Wasser betrieben Heizungsanlage ab (z.B. Fußbodenheizung, Heizkörper) – daher Luft-Wasser-Wärmepumpe. Dies ist bei weitem die häufigste Wärmepumpen-Art.

JAZ: ca. 2,5 bis 3,5

Vorteile:

• unkomplizierte und vergleichsweise kostengünstige Anschaffung
• für sehr viele Häuser, auch für viele Altbauten geeignet
• keine nötige Genehmigung von Bohrungen und damit verbundene Kosten

Nachteile:

• Heizleistung vergleichsweise geringer, kommt bei schlecht gedämmten Häusern an ihre Grenzen; ideal für sehr gut gedämmte Niedrigenergiehäuser
• jährlicher Stromverbrauch höher als bei den anderen Wärmepumpenarten
• Pumpe (bzw. der Ventilator, der die Außenluft ansaugt) verursacht Geräusche

2. Luft-Luft-Wärmepumpen

Sie nutzt ebenfalls die Außenluft oder aber die Wärme der Abluft einer Lüftungsanlage oder verbrauchte Raumluft als Wärmequelle. Die Wärme wird dann nicht über ein Wasser-Heizsystem, sondern über die Luft in das Haus übertragen – genau wie eine Klimaanlage. Daher nennt man diese eher seltenen Heizsysteme auch „Lüftungswärmesysteme“. Weil daraus nur sehr begrenzt lokal Wärme entsteht, kann sie nur für Gebäude genutzt werden, die sehr wenig geheizt werden müssen. Diese Gebäude verfügen dann meist über keine Heizkörper.

JAZ: ca. 2,5

Vorteile:

• einige können nicht nur heizen, sondern auch kühlen
• besonders gut einsetzbar in gut gedämmten Häusern, weil die Wärmerückgewinnung effizient funktionieren kann

Nachteile:

• eignen sich vor allem für Passiv- oder Niedrigenergiehäuser
• Einsatz im Altbau erst nach umfassenden Sanierungen sinnvoll
• Luft ist ein weniger effizienter Wärmeträger als Wasser

3. Sole-Wasser-Wärmepumpe / Erdwärme-Pumpe

Erdwärme- oder Sole-Wasser-Wärmepumpen nutzen die Wärmeenergie aus dem Erdreich. Dafür wird ein Solekreislauf eingerichtet. Das ist ein Netz von Rohren, in denen unterirdisch mit Frostschutz versetztes Wasser (Sole) zirkuliert und die umgebende Wärmeenergie aufnimmt.

Diese Wärmeenergie kann auf zwei unterschiedliche Arten aufgenommen werden:

• entweder durch eine Erdsonde, die in tiefe Erdschichten reicht und dafür tiefe Bohrungen, aber eine geringe Fläche beansprucht
• oder durch Erdwärmekollektoren, die in geringer Tiefe eine große Fläche abdecken.

Aus dem Solekreislauf wird die Wärme dann wieder auf das Kältemittel in der Wärmepumpe übertragen und schließlich ans Haus weitergegeben.

JAZ: ca. 3,5 bis 4,5

Vorteile:

• Flexibilität in Bezug auf die Konstruktion, da verschiedene Arten zur Auswahl stehen
• besonders hohe Fördergelder
• weitgehend unabhängig von der Außentemperatur, kann im Sommer das Haus auch kühlen
• niedrigerer Stromverbrauch als bei der Wasser-Wasser-Wärmepumpe

Nachteil:

• nötige Genehmigung der Bohrung
• höhere Kosten als bei der Luft-Wasser oder Wasser-Wasser-Wärmepumpe

4. Wasser-Wasser-Wärmepumpe / Grundwasser-Wärmepumpe

Diese nutzt die Wärme im Grundwasser. Der sogenannte Förderbrunnen leitet es zur Wärmepumpe, wo es seine Wärmeenergie an ein Kältemittel abgibt. Anschließend pumpt der sogenannte Schluckbrunnen das Grundwasser zurück ins Erdreich. Die beiden Brunnen müssen dabei einen Mindestabstand haben, damit das kalte, bereits verwendete Wasser nicht erneut genutzt wird.

JAZ: ca. 5

Vorteile:

• Geringe Wartungs- und Stromkosten
• Benötigt wenig Platz
• Fördermöglichkeiten durch das BAFA und die KfW

Nachteile:

• nötige Genehmigung der Bohrung
• bei sehr hohem Wärmebedarf nicht gut geeignet
• hohe Investitionskosten

Arten von Wärmepumpen: Die Energie nutzbar machen

Um die Umgebungswärme in Heizenergie umzuwandeln, gibt es drei Arten von Wärmepumpen:

• Die am meisten verbreitete Variante der Wärmepumpe ist die Kompressionswärmepumpe. Das durch die entsprechende Wärmegewinnung verdampfte Kältemittel wird hier zu einem Verdichter geleitet. Dieser ist ein elektrisch betriebener Kompressor, der den Kältemitteldampf zusammenpresst. Durch den steigenden Druck steigt auch die Temperatur. Der nun sehr warme Dampf gibt dann seine Energie an das Heizwasser ab. Anschließend wird der abgekühlte Dampf durch Absenken des Drucks wieder flüssig und in dieser Form wieder zur Energiegewinnung am Anfang des Kreislaufs geschickt.
• Alternativ – und deutlich seltener – gibt es einerseits die Adsorptionswärmepumpe. Bei dieser lagert sich der Dampf an ein poröses, festes Material wie Zeolith an. Anschließend wird er durch Erhitzen ausgetrieben und gibt seine Energie an das Heizwasser ab. Dabei verflüssigt sich das Kältemittel wieder.
• Die dritte Variante, die Energie nutzbar zu machen, ist die ebenfalls seltene Absorptionswärmepumpe. Diese funktioniert wie die Adsorptionswärmepumpe. Anstelle des festen Materials nutzt sie allerdings eine Flüssigkeit.

Es kann schwierig sein, Monteur:innen für eine Wärmepumpe im Umkreis zu finden. Dann können Portale wie Aroundhome oder Heizungsfinder sinnvoll sein. Dort bekommst du unverbindliche Angebote von verschiedenen Installationsbetrieben in deiner Nähe.

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• 8 Heizfehler, die Geld kosten, Energie verschwenden und dem Klima schaden
• Alternativen zur Wärmepumpe: Diese Möglichkeiten gibt es
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Überarbeitet von Relana Waldner

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