Funktionsweise der Wärmepumpe 2026: Kältekreis einfach erklärt

Wie funktioniert eine Wärmepumpe in 4 Schritten?

Eine Wärmepumpe verdampft ein Kältemittel mit Umweltwärme, verdichtet den Dampf, gibt die Wärme an das Heizwasser ab und entspannt das Kältemittel wieder. Das Kältemittel ist ein Stoff, der schon bei Minusgraden siedet. Es zirkuliert in einem geschlossenen Rohrkreis, dem Kältekreis. Strom braucht vor allem der Verdichter. Die folgende Tabelle zeigt ein Beispiel mit dem Kältemittel Propan (R290) bei 2 °C Außenluft und 35 °C Vorlauftemperatur.

Kurz eingeordnet: Der Verdichter hebt den Druck auf gut das 3-Fache. Erst dieser Druck erlaubt es, dass dasselbe Propan bei −4 °C verdampft und bei 40 °C wieder flüssig wird. Die Werte stammen aus einem 42watt-Rechenbeispiel mit Stoffdaten für Propan. Angenommen sind 6 K Abstand zwischen Luft und Kältemittel im Verdampfer, 5 K zwischen Kältemittel und Heizwasser im Verflüssiger, 5 K Überhitzung, 3 K Unterkühlung und ein isentroper Verdichter-Gütegrad von 0,65. Die Heißgastemperatur ist deshalb eine Schätzung: Bei einem Gütegrad von 0,6 bis 0,7 läge sie bei rund 61 bis 67 °C. Ein Manometer am Gerät zeigt rund 1 bar weniger, weil es Überdruck misst.

Was passiert im Verdampfer?

Im Verdampfer siedet das kalte, flüssige Kältemittel und nimmt dabei Wärme aus der Wärmequelle auf. Bei Luft-Wärmepumpen ist er ein Lamellenwärmetauscher mit Ventilator. Bei Erd- und Grundwasser-Wärmepumpen ist es meist ein Plattenwärmetauscher. Laut Fachvereinigung Wärmepumpen Schweiz liegt das Kältemittel etwa 6 bis 8 K unter der Quelltemperatur. Wie Bauarten, Vereisung und Reinigung zusammenhängen, zeigt der Beitrag zum Verdampfer der Wärmepumpe.

Was macht der Verdichter?

Der Verdichter saugt das gasförmige Kältemittel an und presst es auf einen höheren Druck, wodurch es sich stark erwärmt. Auf ihn entfällt der Großteil des Stromverbrauchs. In Heizungswärmepumpen arbeiten meist Scroll- oder Rollkolbenverdichter. Im Beispiel verlässt das Gas den Verdichter mit rund 64 °C. Lebensdauer, Bauformen und Kosten behandelt der Artikel zum Verdichter der Wärmepumpe.

Was passiert im Verflüssiger?

Im Verflüssiger kondensiert das heiße Gas und überträgt seine Wärme an das Heizwasser. Der Verflüssiger heißt auch Kondensator. Hier wird die Wärme frei, die das Kältemittel im Verdampfer aufgenommen hat, plus die Energie aus dem Verdichter. Je niedriger die Vorlauftemperatur, desto niedriger kann die Verflüssigungstemperatur sein. Das spart Strom.

Wozu dient das Expansionsventil?

Das Expansionsventil senkt den Druck des flüssigen Kältemittels vom Hoch- auf das Niederdruckniveau. Dabei verdampft ein Teil des Kältemittels schlagartig und kühlt den Rest auf −4 °C ab. Im Beispiel sind das 29 % der Masse. Moderne Geräte nutzen elektronische Ventile, die den Verdampfer genau so weit füllen wie nötig. Funktion, Typen und Fehlerbilder erklärt der Beitrag zum Expansionsventil.

Welches physikalische Prinzip steckt hinter der Wärmepumpe?

Eine Wärmepumpe nutzt aus, dass die Siedetemperatur eines Stoffes vom Druck abhängt. Unter niedrigem Druck siedet Propan bei Minusgraden. Bei normalem Luftdruck liegt sein Siedepunkt bei rund −42 °C. Unter hohem Druck kondensiert es erst bei 40 °C oder mehr. Der Verdichter verschiebt das Kältemittel zwischen diesen beiden Druckniveaus.

Von selbst fließt Wärme nur von warm nach kalt. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik lautet in der Formulierung nach Rudolf Clausius: „Wärme geht niemals von selbst von einem Körper niederer Temperatur zu einem Körper höherer Temperatur über.“ Die Wärmepumpe braucht deshalb Antriebsenergie, hier Strom. Ein Kühlschrank arbeitet nach demselben Prinzip, nutzt aber die kalte Seite: Er kühlt den Innenraum und gibt die Wärme an der Rückseite ab.

Wie viel Wärme kommt aus der Umwelt?

Bei einer Jahresarbeitszahl von 3,4 stammen rund 71 % der Heizwärme aus der Umwelt und 29 % aus Strom. Die Jahresarbeitszahl (JAZ) gibt an, wie viele kWh Wärme eine Wärmepumpe im Jahr pro kWh Strom liefert. Aus 1 kWh Strom und 2,4 kWh Umweltwärme entstehen 3,4 kWh Heizwärme. Bei erdgekoppelten Anlagen mit einer JAZ von 4,3 steigt der Umweltanteil auf rund 77 %. Die oft genannten 75 bis 80 % gelten also eher für Erdwärme als für Luft.

Welche Wärmequellen nutzt eine Wärmepumpe?

Wärmepumpen nutzen 3 Wärmequellen: Außenluft, Erdreich und Grundwasser. Der Kältekreis ist bei allen gleich. Unterschiedlich sind die Temperatur der Quelle und der Aufwand, sie zu erschließen. Je wärmer die Quelle im Winter, desto effizienter arbeitet das Gerät.

Kurz eingeordnet: Luft ist überall verfügbar und günstig zu erschließen, liefert aber im Winter die niedrigste Quelltemperatur. Erdsonden und Grundwasser liefern auch bei Frost rund 8 bis 12 °C. Flachkollektoren in bis zu 2 m Tiefe liegen im Winter darunter, weil dort die Jahresschwankung noch wirkt. Laut Hessischem Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie steigt die Temperatur im Untergrund um etwa 3 °C pro 100 m Tiefe. Die Absatzzahlen stammen vom Bundesverband Wärmepumpe und gelten für Heizungswärmepumpen.

Was ist der Unterschied zwischen COP und JAZ?

Der COP ist ein Momentwert unter Prüfbedingungen, die JAZ ist der gemessene Jahreswert im echten Gebäude. COP steht für Coefficient of Performance, auf Deutsch Leistungszahl. Er wird nach der Norm EN 14511 an festen Punkten gemessen, etwa A2/W35. Das bedeutet 2 °C Außenluft und 35 °C Vorlauf. Der SCOP ist ein rechnerischer Jahreswert nach EN 14825 für ein Referenzklima. Die JAZ misst dagegen Wärme und Strom über 12 Monate im Haus. Formel, Normpunkte und Rechenwege zeigt der Beitrag zum COP der Wärmepumpe.

Wie effizient sind Wärmepumpen im Feldtest?

Im Fraunhofer-ISE-Feldtest erreichten Luft-Wärmepumpen im Bestand eine mittlere JAZ von 3,4, Erdwärmepumpen von 4,3. Das Institut hat 4 Jahre lang 77 Wärmepumpen in Ein- bis Dreifamilienhäusern gemessen (Pressemitteilung vom 03.11.2025). Die Gebäude stammen aus den Baujahren 1826 bis 2001. Die 61 Luft-Wärmepumpen lagen zwischen 2,6 und 4,9, die Erdreich-Anlagen zwischen 3,6 und 5,4. Der Heizstab hatte bei Luft-Wärmepumpen nur einen Anteil von 1,3 % am Stromverbrauch. Kosten, Lebensdauer und weitere Kennzahlen fasst der Beitrag die wichtigsten Fakten rund um die Wärmepumpe zusammen.

Wie stark beeinflusst die Vorlauftemperatur die Effizienz?

Jedes Grad weniger Vorlauftemperatur spart nach der Carnot-Abschätzung rund 1 bis 2 % Strom, Faustregeln nennen rund 3 %. Die Vorlauftemperatur ist die Temperatur des Heizwassers, das zu Heizkörpern oder Fußbodenheizung fließt. Die Effizienz hängt vom Temperaturhub ab, also vom Abstand zwischen Quelle und Vorlauf. Die theoretische Obergrenze beschreibt die Carnot-Leistungszahl. Sie lautet: Verflüssigungstemperatur geteilt durch die Differenz aus Verflüssigungs- und Verdampfungstemperatur, beide in Kelvin.

42watt-Rechenbeispiel: Was kosten 20 Grad mehr Vorlauf?

Im 42watt-Rechenbeispiel braucht eine Luft-Wärmepumpe bei 2 °C Außentemperatur und 55 °C Vorlauf rund 37 % mehr Strom als bei 35 °C, bei −6 °C sind es rund 30 %. Annahmen: Das Kältemittel verdampft 6 K unter der Außentemperatur und verflüssigt 5 K über dem Vorlauf. Reale Geräte erreichen laut Hochschul-Praktikumsunterlagen der Universität Stuttgart im Mittel etwa 50 % des Carnot-Werts. Diesen Faktor 0,5 setzt die Rechnung an.

Kurz eingeordnet: Von 35 auf 55 °C sinkt die geschätzte Leistungszahl um 27 %. Ein Herstellerdatenblatt zeigt einen ähnlichen Abstand: Ein Propan-Luftgerät erreicht dort einen SCOP von 4,5 bis 5,0 bei 35 °C und 3,3 bis 3,9 bei 55 °C, also rund 22 bis 27 % weniger. Auch im Kältekreis ist der Effekt sichtbar. Bei 55 °C Vorlauf steigt das Druckverhältnis im Beispiel von 3,3 auf 5,1 und das Heißgas erreicht rund 88 statt 64 °C. Das Fachportal haustechnikdialog nennt als Faustwert rund 3 % mehr Strom pro Kelvin Temperaturhub. Die Carnot-Rechnung liegt bei 2 °C außen mit 2,0 % pro Kelvin bei 35 °C und 1,3 % bei 55 °C darunter. Beide Werte sind Näherungen.

Warum muss eine Luft-Wärmepumpe abtauen?

Eine Luft-Wärmepumpe taut ab, weil sich auf dem kalten Verdampfer Reif bildet, der den Luftstrom und die Wärmeaufnahme bremst. Reif entsteht, wenn die Lamellen kälter als 0 °C und kälter als der Taupunkt der Luft sind. Das passiert vor allem zwischen etwa −2 und +5 °C bei hoher Luftfeuchte. Bei tieferen Temperaturen enthält die Luft weniger Wasser.

Laut einem Schweizer Merkblatt von EnergieSchweiz (11/2021) tauen rund 80 % der Anlagen per Kreislaufumkehr ab. Dabei schaltet ein 4-Wege-Ventil den Kältekreis um, und der Verdampfer wird kurzzeitig zum Verflüssiger. Die Energie dafür stammt aus dem Heizwasser. Der Hersteller Dimplex formuliert es so: „Luft/Wasser-Wärmepumpen mit einer Abtauung über Kreislaufumkehr entziehen die Abtauenergie dem Heizsystem.“ Weitere Verfahren sind Heißgasabtauung und Luftabtauung, bei der nur der Ventilator weiterläuft. Bedarfsgesteuerte Abtauung ist laut EnergieSchweiz energetisch deutlich im Vorteil, aber regeltechnisch aufwendiger. Bei einem 6-kW-Beispielgerät fallen nach Herstellerangabe bis zu 10 Liter Schmelzwasser je Abtauvorgang an. Das Gerät braucht deshalb einen frostsicheren Ablauf.

Wie regelt ein Inverter die Leistung der Wärmepumpe?

Ein Inverter passt die Drehzahl des Verdichters stufenlos an den aktuellen Wärmebedarf an, statt das Gerät nur ein- und auszuschalten. Inverter heißt auf Deutsch Frequenzumrichter. Er wandelt den Netzstrom mit fester Frequenz von 50 Hz zuerst in Gleichstrom um. Dann erzeugt er eine variable Frequenz, laut Wärmepumpennetzwerk Salzburg etwa 30 bis 90 Hz. Die genaue Spanne hängt vom Verdichter ab. Der Verdichter läuft dadurch langsamer oder schneller.

Der Vorteil: weniger Starts und längere Laufzeiten. Die Verdichterhersteller Copeland und Danfoss nennen für ungeregelte Scrollverdichter höchstens 10 bzw. 12 Starts pro Stunde, weil zu kurzes Takten unter anderem die Ölrückführung stört und die Lebensdauer senkt. Takten bedeutet häufiges Ein- und Ausschalten. Im Fraunhofer-Feldtest waren viele Wärmepumpen überdimensioniert, und einige schalteten sehr häufig. Das Wärmepumpennetzwerk Salzburg hält fest: „Jedoch ist die Leistungsregelung nicht alleine ein Garant für eine höhere Effizienz.“ Heizlast, Heizkurve und Hydraulik müssen zum Gerät passen.

Welches Kältemittel nutzt eine moderne Wärmepumpe?

Neue Wärmepumpen arbeiten zunehmend mit Propan (R290), einem natürlichen Kältemittel mit einem Treibhauspotenzial von 0,02. Das Treibhauspotenzial (GWP) vergleicht die Klimawirkung mit CO2. Das synthetische Kältemittel R32 kommt auf 675. Laut Umweltbundesamt gibt es Propan-Wärmepumpen in Deutschland für alle Wärmequellen. Typische Füllmengen liegen nach Herstellerdatenblättern bei 1 bis 2 kg. Propan ist brennbar und gehört zur Sicherheitsklasse A3. Um Außengeräte gilt deshalb ein Schutzbereich ohne Zündquellen, Fenster oder Kellerschächte. Seine Größe legt der Hersteller fest.

2 Regeln treiben den Wechsel. Nach der F-Gase-Verordnung (EU) 2024/573 dürfen Monoblock-Wärmepumpen bis 12 kW mit fluorierten Kältemitteln ab einem GWP von 150 ab dem 01.01.2027 nicht mehr neu in Verkehr gebracht werden, außer Sicherheitsvorgaben am Standort erfordern es. Bereits installierte Anlagen dürfen weiterlaufen. Nach den aktuellen technischen Mindestanforderungen der BEG fördert die KfW im Programm 458 ab dem 01.01.2028 nur noch Wärmepumpen mit natürlichen Kältemitteln. Einen Überblick über R290, R32 und weitere Stoffe bietet der Beitrag zu Kältemitteln für Wärmepumpen.

Häufige Fragen zur Funktionsweise der Wärmepumpe

Funktioniert eine Wärmepumpe auch bei Frost?

Ja, eine Wärmepumpe gewinnt auch bei Frost Wärme, weil ihr Kältemittel unter niedrigem Druck weit unter 0 °C siedet. Propan verdampft bei normalem Luftdruck bei rund −42 °C. Mit sinkender Außentemperatur fällt aber die Leistungszahl, im 42watt-Rechenbeispiel bei 35 °C Vorlauf von 3,6 bei 2 °C auf 3,0 bei −6 °C.

Kann eine Wärmepumpe auch kühlen?

Ja, viele Wärmepumpen können kühlen, indem ein 4-Wege-Ventil den Kältekreis umkehrt. Dann nimmt der Wärmetauscher im Haus Wärme auf, und das Außengerät gibt sie ab. Erdwärmepumpen können zusätzlich passiv kühlen, ohne dass der Verdichter läuft.

Warum braucht eine Wärmepumpe überhaupt Strom?

Eine Wärmepumpe braucht Strom, weil Wärme nicht von selbst von kalt nach warm fließt. Der Strom treibt vor allem den Verdichter an, dazu Ventilator, Pumpen und Regelung. Im Fraunhofer-Feldtest lieferten Luft-Wärmepumpen im Mittel 3,4 kWh Wärme pro kWh Strom.

Ist Propan in der Wärmepumpe gefährlich?

Propan ist brennbar, in Wärmepumpen aber in einem geschlossenen Kreis mit wenigen Kilogramm Füllmenge eingeschlossen. Fachbetriebe halten den vom Hersteller vorgegebenen Schutzbereich ein. Arbeiten am Kältekreis gehören in die Hände von Kälte-Fachkräften, die für brennbare Kältemittel geschult sind.