Aufbau und Funktion einer Wärmepumpe

Die Sonne scheint, die Solaranlage produziert Strom – doch was kann man mit dieser Energie eigentlich alles anfangen?

Eine effiziente Möglichkeit, den Wärmebedarf von Gebäuden zu decken, bieten Wärmepumpen. Sie nutzen elektrische Energie, um Wärme aus der Umgebung aufzunehmen und für die Beheizung von Gebäuden nutzbar zu machen.

Doch wie funktioniert das eigentlich? Mithilfe eines thermodynamischen Kreisprozesses transportiert die Wärmepumpe Wärme von einem niedrigeren auf ein höheres Temperaturniveau. Dabei durchläuft das Kältemittel Bereiche mit unterschiedlichen Druckniveaus: eine Niederdruck- und eine Hochdruckseite. Durch die gezielte Veränderung des Drucks ändern sich auch Temperatur und Aggregatzustand des Kältemittels. So kann der Umgebung Wärme entzogen und anschließend auf einem höheren Temperaturniveau an das Gebäude beziehungsweise das Heizungswasser abgegeben werden.

Aber wie funktioniert das im Detail? Eine Wärmepumpe besteht aus vier grundlegenden Hauptbauteilen: dem Verdampfer (siehe Abb. 1), dem Kompressor beziehungsweise Verdichter, dem Kondensator und einer adiabaten Drossel. Diese vier Bauteile sind durch Rohrleitungen miteinander verbunden und bilden einen geschlossenen Kreislauf, in dem ein Kältemittel zirkuliert. Welche Funktionen die einzelnen Bauteile übernehmen, wird im Folgenden genauer erklärt.

Je nach Bauweise der Wärmepumpe kommen unterschiedliche Kältemittel zum Einsatz. Eine klimafreundlichere Alternative zu fluorierten Kältemitteln ist beispielsweise Propan (als R290 bezeichnet), das aufgrund seiner günstigen thermodynamischen Eigenschaften, seiner Beherrschbarkeit sowie des Preises auch in Wärmepumpen eingesetzt wird (Umweltbundesamt, 2026).

Eine wichtige Voraussetzung für das Funktionieren der Wärmepumpe ist, dass das Kältemittel im Verdampfer eine niedrigere Temperatur als die Wärmequelle, also die Umgebung hat. Nur so kann es Wärme aufnehmen. Für den Betrieb der Wärmepumpe wird elektrische Energie benötigt, vor allem für den Antrieb des Verdichters. Im Idealfall stammt diese Energie beispielsweise aus einer Photovoltaikanlage, wodurch der Betrieb nachhaltiger gestaltet werden kann.

Die Abbildung 1 zeigt den dafür notwendigen thermodynamischen Kreisprozess.

Abb 1. Kreislauf einer Wärmepumpe

Der erste Bestandteil des Kreislaufs ist der Verdampfer (Abb. 4). Er besteht aus einem Rohr- beziehungsweise Wärmetauschersystem, durch das das Kältemittel strömt. Im Verdampfer nimmt das Kältemittel zunächst die Wärme Q aus der Umgebung auf und verdampft dabei (Umweltbundesamt, 2025). Durch Rohre gelangt das nun gasförmige Kältemittel anschließend zum Kompressor. Dieser Vorgang lässt sich mit dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik erklären: Wärme fließt von selbst immer vom wärmeren zum kälteren Körper. Während das Kältemittel Wärme abgibt, kondensiert es und wird wieder flüssig.

Der Kompressor (Abb. 5) beziehungsweise Verdichter besteht aus einem elektrisch angetriebenen Verdichtungsmechanismus. Seine Aufgabe ist es, das gasförmige Kältemittel zu verdichten und dadurch dessen Druck zu erhöhen (Umweltbundesamt, 2025). Gleichzeitig steigt auch die Temperatur des Kältemittels an. Beim Verdichten wird das Gas auf ein kleineres Volumen zusammengepresst. Dadurch steigt seine innere Energie und somit auch seine Temperatur.

Danach strömt das nun heiße Kältemittel zum Kondensator (Abb. 2). Diese bestehen aus vielen dünnen Platten. In den Zwischenräumen strömen das heiße Kältemittel und das kühlere Heizungswasser getrennt voneinander vorbei. Das Kältemittel gibt dabei seine Wärme an das Heizungswasser ab (Umweltbundesamt, 2025)

Als letzten Schritt durchläuft das flüssige Kältemittel die adiabate Drossel (Abb. 3). Sie besteht beispielsweise aus einer sehr engen Verengung im Rohrsystem oder einem entsprechend geregelten Ventil. Der Begriff „adiabat“ bedeutet, dass während dieses Vorgangs kein beziehungsweise nahezu kein Wärmeaustausch mit der Umgebung stattfindet. Beim Durchströmen der Drossel fällt der Druck des Kältemittels stark ab, wodurch auch seine Temperatur sinkt. Gleichzeitig verdampft ein Teil des flüssigen Kältemittels, sodass nach der Drossel ein Gemisch aus Flüssigkeit und Gas, sogenannter Nassdampf, vorliegt. Der Gasanteil nimmt dabei zu, während der Flüssigkeitsanteil abnimmt. Anschließend strömt das kalte Kältemittel wieder in den Verdampfer, wo es erneut Wärme aus der Umgebung aufnimmt und vollständig verdampft. Der Kreislauf beginnt von vorne (Umweltbundesamt, 2025)

Abb. 2 Kondensator Abb. 3 Adiabate Drossel Abb. 4 Verdampfer Abb. 5 Kompressor

Die Funktionsweise der Wärmepumpe ermöglicht eine effiziente Nutzung von Umweltwärme. In der praktischen Anwendung bringt diese Technologie jedoch sowohl Vorteile als auch Herausforderungen mit sich. Die besondere Effizienz einer Wärmepumpe liegt darin, dass sie mehr Wärmeenergie an das Gebäude abgeben kann, als ihr in Form von elektrischer Energie zugeführt wird. Der zusätzliche Anteil stammt aus der kostenlos verfügbaren Umweltwärme.

Wärmepumpen bieten vor allem durch ihre hohe Effizienz einen großen Vorteil. Sie nutzen Wärme aus der Umgebung und benötigen dafür vergleichsweise wenig elektrische Energie. Wird der benötigte Strom aus erneuerbaren Energien gewonnen, kann ihr Betrieb besonders umweltfreundlich sein. Eine Kombination mit einer Photovoltaikanlage bietet sich daher besonders an und kann gleichzeitig die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen wie Öl und Gas verringern.

Demgegenüber stehen vor allem die vergleichsweise hohen Anschaffungskosten. Außerdem hängt die Effizienz einer Wärmepumpe stark von den jeweiligen Bedingungen ab. Insbesondere bei sehr niedrigen Außentemperaturen muss sie mehr Energie aufwenden, um die benötigte Heiztemperatur zu erreichen. Je nach Art der Anlage kann zudem zusätzlicher Platz für die Installation erforderlich sein. Trotz dieser Nachteile stellen Wärmepumpen vor allem in Verbindung mit erneuerbarem Strom eine wichtige Technologie für eine nachhaltigere Wärmeversorgung dar.

Quellenverzeichnis:

Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) (2019): Was ist eigentlich Versorgungssicherheit?
https://energiewende.bundeswirtschaftsministerium.de/EWD/Redaktion/Newsletter/2019/07/Meldung/direkt-erklaert.html⁠
(abgerufen am: 27.08.2026) 

Umweltbundesamt (2026): Wärmepumpen. Zuletzt aktualisiert am 22.07.2026. Online verfügbar unter: Umweltbundesamt – Wärmepumpen(abgerufen am 27.08.2026).

Umweltbundesamt (2025): Umgebungswärme und Wärmepumpen.Online verfügbar unter: https://www.umweltbundesamt.de/themen/klima-energie/erneuerbare-energien/umgebungswaerme-waermepumpen
(abgerufen am 27.08.2026).