Wärmepumpentechnik im Detail: Kältekreislauf, Inverter und Kältemittel

In unserem Einsteiger-Ratgeber haben wir das Grundprinzip der Wärmepumpe skizziert: Sie transportiert Umweltwärme auf ein höheres Temperaturniveau. Dieser Beitrag geht einen Schritt weiter und betrachtet die Technik im Detail. Wir analysieren die vier Stationen des Kältekreislaufs, erklären den Unterschied zwischen COP und JAZ, vergleichen aktuelle Kältemittel und zeigen, warum die Inverter-Technologie die Effizienz so grundlegend verbessert hat.

Der Kältekreislauf in vier Stationen

Im Herzen jeder Wärmepumpe zirkuliert ein Kältemittel in einem geschlossenen Kreislauf. Dieses Kältemittel besitzt eine physikalische Eigenschaft, die den gesamten Prozess ermöglicht: einen extrem niedrigen Siedepunkt. R290 (Propan) beispielsweise wird bereits bei –42 °C gasförmig – und nimmt dabei Wärme aus der Umgebung auf. Die vier aufeinanderfolgenden Stationen des Kreislaufs bilden den thermodynamischen Motor der Wärmepumpe.

Verdampfer: Wärme aus der Umgebung gewinnen

Das flüssige Kältemittel tritt mit einer Temperatur von –10 bis –15 °C in den Verdampfer ein. Bei einer Luft-Wasser-Wärmepumpe ist der Verdampfer die Außeneinheit mit dem charakteristischen Ventilator: Große Lamellenflächen maximieren den Kontakt zwischen Kältemittel und Luft.

Da das Kältemittel deutlich kälter ist als die Außenluft – selbst bei 0 °C besteht ein Temperaturgefälle von 10–15 K –, fließt Wärme von der Luft ins Kältemittel. Dabei verdampft das Kältemittel und speichert die aufgenommene Energie als Verdampfungswärme (latente Wärme). Dieser Phasenwechsel von flüssig zu gasförmig ist physikalisch besonders effektiv, weil er enorme Energiemengen ohne Temperaturänderung transportiert.

Kompressor: Druck und Temperatur steigern

Der gasförmige Kältemitteldampf strömt in den Kompressor – das energetische Kernstück und den Hauptstromverbraucher der Anlage. Hier wird das Gas auf den drei- bis vierfachen Druck verdichtet. Die physikalische Konsequenz: Die Temperatur steigt sprunghaft von rund 0 °C auf 60–80 °C.

Dieser Effekt basiert auf dem adiabatischen Prozess: Wird ein Gas schnell komprimiert, ohne dass Wärme entweichen kann, wandelt sich die Kompressionsarbeit vollständig in Temperaturerhöhung um. Das Prinzip ist vergleichbar mit einer Fahrradpumpe, deren Gehäuse beim Aufpumpen spürbar warm wird – nur auf industriellem Niveau.

Kondensator: Wärme an das Heizsystem übergeben

Das heiße, unter Hochdruck stehende Kältemittelgas durchströmt den Kondensator – einen Plattenwärmetauscher, in dem auf der Gegenseite das Heizungswasser fließt. Die Wärme wandert vom heißeren Kältemittel zum kühleren Heizwasser. Beim Abkühlen vollzieht das Kältemittel den umgekehrten Phasenwechsel: Es kondensiert und wird wieder flüssig.

Bei dieser Kondensation wird zusätzlich die latente Wärme freigesetzt, die zuvor im Verdampfer aufgenommen wurde. Das Heizungswasser nimmt die gesamte Wärmemenge auf und erreicht je nach Einstellung Temperaturen von 35 °C (Fußbodenheizung) bis 55 °C (konventionelle Heizkörper). Hochtemperatur-Wärmepumpen mit R290 schaffen bis 75 °C.

Expansionsventil: Druck abbauen und Kreislauf schließen

Das flüssige Kältemittel passiert das Expansionsventil (auch Drosselventil), wo der Druck schlagartig auf das Ausgangsniveau gesenkt wird. Durch den Joule-Thomson-Effekt kühlt das Kältemittel dabei auf –10 bis –15 °C ab. Es ist nun erneut kälter als die Außenluft und bereit, im Verdampfer wieder Energie aufzunehmen.

Moderne Anlagen verwenden elektronische Expansionsventile (EEV), die den Kältemitteldurchfluss in Echtzeit an die Betriebsbedingungen anpassen. Im Vergleich zu mechanischen Ventilen verbessern sie die Effizienz um 5–10 %, weil die Verdampferausnutzung unter wechselnden Bedingungen optimiert wird.

COP und JAZ: Effizienz richtig bewerten

Zwei Kennzahlen beschreiben die Effizienz einer Wärmepumpe: der COP (Coefficient of Performance) als Labormesswert und die JAZ (Jahresarbeitszahl) als Praxiswert über eine gesamte Heizperiode. Beide drücken das Verhältnis von abgegebener Wärme zu aufgenommenem Strom aus – doch ihre Aussagekraft unterscheidet sich erheblich.

COP: Momentaufnahme unter Laborbedingungen

Der COP wird bei standardisierten Temperaturpaarungen gemessen. Die Notation A7/W35 steht für 7 °C Lufttemperatur (Air) und 35 °C Heizwasservorlauf (Water). Er eignet sich zum Vergleich verschiedener Geräte unter gleichen Bedingungen, sagt aber wenig über die reale Jahresleistung aus.

Die Tabelle zeigt die zentrale Gesetzmäßigkeit: Je größer der Temperaturhub (Differenz zwischen Quell- und Heiztemperatur), desto mehr Kompressionsarbeit ist erforderlich und desto niedriger fällt der COP aus. Niedrige Vorlauftemperaturen und milde Außentemperaturen begünstigen hohe Effizienz.

JAZ: Die tatsächliche Praxiseffizienz

Die Jahresarbeitszahl bildet die reale Effizienz über ein volles Betriebsjahr ab. Sie integriert sämtliche Betriebszustände: milde Herbsttage mit hohem COP, Frostperioden mit niedrigem COP, Abtauvorgänge, Warmwasserbereitung und Stillstandsverluste. Die JAZ ist damit die maßgebliche Kennzahl für Wirtschaftlichkeitsberechnungen.

Nach den Feldmessungen des Fraunhofer ISE erreichen Luft-Wasser-Wärmepumpen im Bestand eine durchschnittliche JAZ von 3,4 (Spanne 2,6–5,4). Erdgekoppelte Sole-Wasser-Systeme liegen im Mittel bei 4,3. Die KfW-Förderung setzt eine rechnerische Mindest-JAZ von 3,0 voraus.

Inverter-Technologie: Warum sie die Effizienz revolutioniert

Ältere Wärmepumpen kannten nur zwei Zustände: an oder aus. Der Kompressor lief mit voller Drehzahl, bis die Solltemperatur erreicht war, schaltete ab und sprang wieder an, sobald die Temperatur fiel. Dieses Takten ist ineffizient, verschleißintensiv und verursacht Schallspitzen.

Inverter-Kompressoren ändern dieses Paradigma grundlegend: Ein Frequenzumrichter (Inverter) steuert die Motordrehzahl stufenlos zwischen etwa 20 und 100 % der Nennleistung. An milden Tagen läuft der Kompressor mit niedriger Drehzahl im hocheffizienten Teillastbereich. Bei Frost erhöht er die Leistung, ohne abzuschalten.

Die Vorteile summieren sich: 10–25 % höhere Jahreseffizienz gegenüber On/Off-Geräten, deutlich geringerer Verschleiß durch weniger Anlaufzyklen, niedrigerer Schallpegel im Teillastbetrieb und gleichmäßigere Raumtemperaturen ohne Temperaturschaukeln. Bei allen aktuellen Mittel- und Premiumgeräten ist die Inverter-Technologie Standard.

Kältemittel im Vergleich: R290, R32 und R410A

Das Kältemittel bestimmt maßgeblich die Umweltverträglichkeit, Effizienz und maximale Vorlauftemperatur einer Wärmepumpe. Der europäische Markt befindet sich im Übergang von synthetischen F-Gasen zu natürlichen Kältemitteln.

R290 (Propan) hat sich als Kältemittel der kommenden Dekade etabliert: minimales Treibhauspotenzial, hohe Effizienz und Vorlauftemperaturen bis 75 °C für Bestandsgebäude. Die leichte Brennbarkeit erfordert besondere Konstruktionsmaßnahmen – daher werden R290-Geräte fast ausschließlich als geschlossene Monoblocks gebaut, bei denen das Kältemittel das Gehäuse nicht verlässt.

R32 ist eine akzeptable Übergangslösung mit mittlerem Treibhauspotenzial. R410A hingegen wird durch die europäische F-Gase-Verordnung schrittweise vom Markt verdrängt – Neugeräte mit R410A sind nicht zukunftssicher und verlieren den Anspruch auf den KfW-Effizienzbonus.

Abtauautomatik: Vereisungsschutz bei Frost

Im Temperaturbereich zwischen –3 und +5 °C bei hoher Luftfeuchtigkeit tritt ein physikalisch unvermeidbares Phänomen auf: Die feuchte Luft gibt am kalten Verdampfer Wasser ab, das gefriert. Ohne Gegenmaßnahme würde die wachsende Eisschicht den Luftdurchsatz blockieren und die Wärmeleistung einbrechen lassen.

Alle Luft-Wärmepumpen verfügen daher über eine automatische Abtaufunktion. Die verbreitetste Methode ist die Kreislaufumkehr: Der Kältekreislauf wird für zwei bis fünf Minuten umgekehrt, sodass heißes Kältemittel den Verdampfer durchströmt und das Eis schmilzt. Sensoren überwachen die Vereisungssituation und lösen die Abtauung nur bei tatsächlichem Bedarf aus.

Der Energieaufwand für die Abtauung beträgt 5–10 % des Winterstromverbrauchs und ist in den angegebenen JAZ-Werten bereits enthalten. Neueste Geräte minimieren diesen Anteil durch bedarfsgesteuerte Algorithmen, die die Abtaufrequenz an die aktuelle Witterung anpassen.

SG-Ready: Intelligente Netzintegration

Die Schnittstelle SG-Ready (Smart Grid Ready) ermöglicht die Kommunikation zwischen Wärmepumpe und Stromnetz oder Energiemanagement-System. Über zwei digitale Eingänge kann die Wärmepumpe vier Betriebszustände annehmen: Normalbetrieb, verstärkter Betrieb (z. B. Pufferspeicher laden bei günstigem Strom), reduzierter Betrieb und Sperre.

In Kombination mit einer Photovoltaikanlage nutzt die Wärmepumpe Überschussstrom zum Beladen des Pufferspeichers – das Gebäude wird zum thermischen Energiespeicher. Mit dynamischen Stromtarifen kann die Anlage gezielt dann heizen, wenn der Börsenpreis niedrig ist. Die SG-Ready-Schnittstelle ist bei allen aktuellen Modellen der Mittel- und Premiumklasse vorhanden.

Fazit: Ausgereifte Technik mit Zukunftspotenzial

Die Wärmepumpe vereint einen seit über einem Jahrhundert bekannten thermodynamischen Prozess mit modernster Steuerungstechnik. Inverter-Kompressoren, elektronische Expansionsventile, intelligente Regelungen und umweltfreundliche Kältemittel wie R290 heben die Effizienz auf ein Niveau, das vor zehn Jahren unerreichbar schien.

Das Resultat: Aus einer Kilowattstunde Strom entstehen drei bis fünf Kilowattstunden Heizwärme. Keine Verbrennungstechnologie kann diese Bilanz erreichen. Mit der Integration in intelligente Stromnetze und PV-Anlagen wird die Wärmepumpe zum zentralen Baustein eines dezentralen, erneuerbaren Energiesystems.

Geschrieben von

Stefan Riedelmann

Energieberater & Wärmepumpen-Experte • über 15 Jahre Erfahrung

Zertifizierter Energieberater mit über 15 Jahren Erfahrung in der Wärmepumpen-Branche. Spezialist für Bestandsgebäude und Fördermitteloptimierung.