Das Funktionsprinzip der Wärmepumpe verständlich erläutert

Heizen mit Außenluft bei Minusgraden – das klingt paradox, ist aber seit Jahrzehnten bewährte Technik. Wärmepumpen nutzen einen thermodynamischen Prozess, der im Prinzip in jedem Kühlschrank und jeder Klimaanlage steckt. Der entscheidende Unterschied: Statt einen Raum zu kühlen, wird Umweltenergie auf Heiztemperatur gebracht. In diesem Artikel erfahren Sie Schritt für Schritt, welche physikalischen Vorgänge dabei ablaufen und warum die Wärmepumpe so bemerkenswert effizient arbeitet.

Das Grundprinzip: Wärme transportieren statt erzeugen

Ein Kühlschrank entzieht seinem Inneren Wärme und leitet sie über die Rückwand an die Raumluft ab – daher fühlt sich die Geräterückseite warm an. Die Wärmepumpe kehrt dieses Prinzip um und überträgt es auf ein ganzes Gebäude: Sie entzieht der Außenumgebung thermische Energie und gibt diese an das Heizsystem ab.

Entscheidend ist eine physikalische Tatsache: Auch kalte Luft enthält nutzbare Wärmeenergie. Der absolute Nullpunkt liegt bei –273 °C. Alles darüber verfügt über thermische Energie, die sich mit geeigneter Technik erschließen lässt. Bei –10 °C Außentemperatur steckt also noch erhebliches Energiepotenzial in der Umgebungsluft.

Vier Stationen im Kältekreislauf

Im Inneren der Wärmepumpe durchläuft ein spezielles Kältemittel einen geschlossenen Kreislauf. R290 (Propan) beispielsweise siedet bereits bei rund –40 °C – es wird also schon bei extrem niedrigen Temperaturen gasförmig und kann so Umgebungswärme aufnehmen. Der Kreislauf gliedert sich in vier aufeinander aufbauende Phasen.

Station 1: Der Verdampfer – Energie aus der Umgebung aufnehmen

Das flüssige Kältemittel strömt durch den Verdampfer – bei einer Luft-Wärmepumpe ist das die Außeneinheit mit dem charakteristischen Ventilator. Da die Siedetemperatur des Kältemittels weit unter der Lufttemperatur liegt, nimmt es bereitwillig Wärme auf und wechselt dabei vom flüssigen in den gasförmigen Zustand.

Auch bei 0 °C Außentemperatur besteht ein ausreichendes Temperaturgefälle zum Kältemittel (das bei etwa –10 °C durch den Verdampfer fließt). Die Wärme wandert immer vom wärmeren zum kälteren Medium – in diesem Fall von der Luft ins Kältemittel.

Station 2: Der Kompressor – Druck aufbauen, Temperatur steigern

Der gasförmige Kältemitteldampf gelangt in den Kompressor, das energetische Herzstück der Anlage. Hier wird das Gas auf den drei- bis vierfachen Druck verdichtet. Das physikalische Ergebnis: Die Temperatur steigt sprunghaft an – von rund 0 °C auf 60 bis 80 °C.

Dieser Effekt ist vergleichbar mit dem Aufpumpen eines Fahrradreifens, bei dem die Pumpe spürbar warm wird. Der Kompressor ist die Komponente mit dem höchsten Stromverbrauch. Aktuelle Inverter-Modelle regulieren die Drehzahl stufenlos und arbeiten dadurch besonders effizient im Teillastbereich.

Station 3: Der Kondensator – Wärmeübergabe an die Heizung

Das heiße, unter Hochdruck stehende Kältemittelgas durchströmt nun den Kondensator. Auf der Gegenseite fließt das Heizungswasser vorbei und nimmt die Wärme auf. Beim Abkühlen kondensiert das Kältemittel – es wird wieder flüssig. Die dabei freigesetzte Kondensationswärme geht vollständig in den Heizkreislauf über.

Das Heizungswasser erreicht Temperaturen von 35 bis 55 °C – je nach Heizsystem. Bei Fußbodenheizungen genügen 35 °C, konventionelle Heizkörper erfordern 45 bis 55 °C. Hochtemperatur-Wärmepumpen mit R290-Kältemittel schaffen sogar 65 bis 75 °C.

Station 4: Das Expansionsventil – Druckabbau und Abkühlung

Das nun flüssige Kältemittel passiert das Expansionsventil, wo der Druck schlagartig gesenkt wird. Durch die plötzliche Entspannung fällt die Temperatur auf –10 bis –15 °C. Damit ist das Kältemittel erneut kälter als die Außenluft und bereit, im Verdampfer wieder Energie aufzunehmen. Der Kreislauf beginnt von vorn.

Der Multiplikator-Effekt: 1 kWh rein, 4 kWh raus

Der Clou der Wärmepumpe liegt in der Energiebilanz: Der eingesetzte Strom dient lediglich dem Antrieb des Kompressors – die eigentliche Heizenergie stammt kostenlos aus der Umwelt. Bei einer Jahresarbeitszahl von 4 liefern drei Viertel der Wärme Luft, Erde oder Grundwasser. Nur ein Viertel kommt aus der Steckdose.

Zum Vergleich: Ein elektrischer Heizstab wandelt 1 kWh Strom in exakt 1 kWh Wärme um – mehr lässt die Physik bei direkter Umwandlung nicht zu. Die Wärmepumpe überwindet diese Grenze, weil sie keine Energie umwandelt, sondern lediglich von einem niedrigen auf ein höheres Temperaturniveau hebt.

“Wärmepumpen mit einer JAZ von 4 arbeiten etwa viermal effizienter als ein Heizstab und rund 3,5-mal effizienter als eine moderne Gas-Brennwerttherme.”

— Fraunhofer ISE

COP und JAZ: zwei Kennzahlen, die Sie kennen sollten

Im Zusammenhang mit Wärmepumpen tauchen regelmäßig zwei Effizienzwerte auf: der COP und die JAZ. Beide beschreiben das Verhältnis von erzeugter Wärme zu eingesetztem Strom, unterscheiden sich aber im Anwendungskontext.

COP – der Laborwert

Der Coefficient of Performance wird unter standardisierten Bedingungen gemessen und in technischen Datenblättern angegeben. Die Schreibweise A7/W35 steht für 7 °C Außentemperatur bei 35 °C Heizwasservorlauf.

Die Tabelle verdeutlicht: Je größer die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Heizkreis, desto mehr Verdichtungsarbeit muss der Kompressor leisten – und desto niedriger fällt die Effizienz aus.

JAZ – der Praxiswert

Die Jahresarbeitszahl bildet die tatsächliche Effizienz über einen kompletten Heizzyklus ab. Sie berücksichtigt sämtliche Betriebszustände – von milden Herbsttagen bis zu Frostperioden, einschließlich Abtauvorgängen und Warmwasserbereitung. Damit ist die JAZ die aussagekräftigere Kennzahl für die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung.

Die KfW-Förderung setzt eine Mindest-JAZ von 3,0 voraus. Laut den Feldmessungen des Fraunhofer ISE erreichen Luft-Wasser-Systeme im Durchschnitt 3,4 (Bandbreite 2,6–5,4), erdgekoppelte Anlagen rund 4,3.

Drei Wärmequellen im Vergleich

Die Wahl der Wärmequelle beeinflusst Effizienz und Investitionskosten gleichermaßen. Konstante Quellentemperaturen begünstigen höhere JAZ-Werte.

Der Effizienzvorsprung von Erd- und Grundwassersystemen erklärt sich durch die ganzjährig stabile Quellentemperatur von rund 10 °C. Luft-Wärmepumpen müssen im Winter gegen deutlich größere Temperaturunterschiede arbeiten, was den Energiebedarf des Kompressors erhöht.

Leistung bei starkem Frost

Eine der häufigsten Bedenken betrifft die Funktionsfähigkeit bei extremer Kälte. Die Praxis zeigt: Aktuelle Luft-Wärmepumpen arbeiten verlässlich bis –20 °C. Selbst bei –7 °C liegt der COP noch bei 2,5 bis 3,0 – aus 1 kWh Strom werden also immer noch 2,5 bis 3 kWh Heizwärme.

Bei niedrigen Temperaturen kann der Verdampfer vereisen. Alle Luft-Wärmepumpen verfügen über eine automatische Abtauung: Der Kreislauf wird kurzzeitig umgekehrt, sodass warmes Kältemittel das Eis schmilzt. Der damit verbundene Energieaufwand ist in den angegebenen JAZ-Werten bereits enthalten.

Als zusätzliche Absicherung besitzen die meisten Anlagen einen elektrischen Heizstab. Die Fraunhofer-Messungen zeigen allerdings: Dieser kommt im Realbetrieb auf einen Anteil von lediglich 1–2% des Jahresstromverbrauchs. Er springt nur bei extremen Kältespitzen oder für die Legionellenprävention ein.

Fazit: Bewährte Physik, moderne Umsetzung

Das thermodynamische Prinzip der Wärmepumpe ist seit über einem Jahrhundert bekannt – es steckt in jeder Kühleinheit und Klimaanlage. Die heutige Generation nutzt dieses Grundprinzip mit Inverter-Steuerung, optimierten Wärmetauschern und umweltfreundlichen Kältemitteln wie R290 und erreicht damit Effizienzwerte, die noch vor zehn Jahren undenkbar waren.

Mit rund 75% kostenloser Umweltwärme und nur 25% zugeführtem Strom ist die Wärmepumpe die mit Abstand sparsamste Heiztechnologie auf dem Markt. Sie arbeitet ohne Verbrennung, ohne Abgas und ohne CO₂-Ausstoß vor Ort – eine Heizung, die zur Energiewende passt.

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.