Funktionsweise einer Wärmepumpe: Technik verständlich erklärt

Wie schafft es eine Wärmepumpe, aus kalter Winterluft warmes Heizwasser zu machen? Die Antwort liegt in einem cleveren thermodynamischen Kreisprozess. In diesem Artikel tauchen wir tiefer in die Technik ein als im Einsteiger-Artikel: Wir erklären den Kältekreislauf im Detail, vergleichen die verschiedenen Wärmepumpen-Typen und zeigen, was moderne Technik wie Inverter und R290 so besonders macht.

Das thermodynamische Grundprinzip

Eine Wärmepumpe nutzt einen fundamentalen physikalischen Effekt: Wenn ein Gas komprimiert wird, steigt seine Temperatur. Wenn es entspannt wird, sinkt sie. In Kombination mit einem Kältemittel, das schon bei sehr niedrigen Temperaturen verdampft, lässt sich Wärme von einem kalten auf ein warmes Niveau pumpen.

Der Name Wärmepumpe ist wörtlich zu verstehen: Sie pumpt vorhandene Wärme von einem niedrigen Temperaturniveau (z.B. 0°C Außenluft) auf ein höheres Niveau (z.B. 55°C Heizwasser). Dabei wird keine Wärme erzeugt, sondern nur transportiert. Der Strom wird ausschließlich für diesen Transport benötigt - deshalb ist die Wärmepumpe so effizient.

Die vier Komponenten des Kältekreislaufs

Der Kältekreislauf besteht aus vier Hauptkomponenten, die das Kältemittel nacheinander durchläuft. Jede Komponente hat eine spezifische Aufgabe.

1. Der Verdampfer: Wärme aufnehmen

Im Verdampfer nimmt das Kältemittel Wärme aus der Umgebung (Luft, Erdreich oder Grundwasser) auf. Das flüssige Kältemittel hat einen Siedepunkt weit unter 0°C - beim häufig verwendeten R290 (Propan) liegt er bei etwa -42°C. Deshalb verdampft das Kältemittel selbst bei Minusgraden und nimmt dabei Verdampfungswärme auf.

Bei einer Luft-Wärmepumpe ist der Verdampfer das Außengerät mit dem großen Ventilator. Er saugt Luft an und leitet sie über die Verdampfer-Rohre, in denen das kalte Kältemittel fließt. Die Luft gibt Wärme ab und wird abgekühlt - das Kältemittel nimmt diese Wärme auf und verdampft.

2. Der Kompressor: Druck und Temperatur erhöhen

Der Kompressor (auch Verdichter genannt) ist das Herzstück der Wärmepumpe - und der Hauptstromverbraucher. Er saugt das gasförmige Kältemittel an und verdichtet es stark. Durch die Kompression steigt der Druck auf das 3-4-fache, und damit steigt auch die Temperatur enorm: von etwa 0°C auf 60-80°C.

Physikalisch nutzt der Kompressor das ideale Gasgesetz: Bei konstantem Volumen ist der Druck proportional zur Temperatur. Durch Erhöhung des Drucks erhöht sich automatisch die Temperatur - ohne zusätzliche Wärmezufuhr.

3. Der Kondensator: Wärme ans Heizwasser abgeben

Im Kondensator (auch Verflüssiger genannt) gibt das heiße, unter Druck stehende Kältemittelgas seine Wärme an das Heizungswasser ab. Da das Kältemittel heißer ist als das Heizwasser, fließt die Wärme automatisch über - vom heißeren zum kälteren Medium.

Beim Abkühlen kondensiert das Kältemittel, es wird wieder flüssig. Bei diesem Phasenwechsel wird die Kondensationswärme frei, die zusätzlich ans Heizwasser übergeht. Der Kondensator ist ein Wärmetauscher, der in der Regel im Innengerät der Wärmepumpe sitzt.

4. Das Expansionsventil: Druck abbauen

Das flüssige Kältemittel passiert nun das Expansionsventil (auch Drosselventil genannt). Hier wird der Druck schlagartig abgesenkt. Durch die plötzliche Entspannung kühlt das Kältemittel stark ab - auf etwa -10°C bis -15°C. Jetzt ist es kälter als die Umgebung und bereit, im Verdampfer wieder Wärme aufzunehmen.

Das Expansionsventil regelt auch die Kältemittelmenge, die in den Verdampfer fließt. Moderne elektronische Expansionsventile (EEV) passen den Durchfluss präzise an die aktuellen Betriebsbedingungen an - ein wichtiger Faktor für die Effizienz.

COP und JAZ: Die Effizienz-Kennzahlen

Die Effizienz einer Wärmepumpe wird mit zwei Kennzahlen beschrieben: COP und JAZ. Beide geben das Verhältnis von erzeugter Wärme zu eingesetztem Strom an.

COP (Coefficient of Performance)

Der COP ist der momentane Wirkungsgrad unter definierten Laborbedingungen. Er wird bei bestimmten Temperaturkombinationen gemessen und in Datenblättern angegeben. Die Notation A7/W35 bedeutet: 7°C Außentemperatur (Air), 35°C Wassertemperatur (Water).

Der COP sinkt, wenn die Außentemperatur fällt oder die Vorlauftemperatur steigt. Je größer der Temperaturhub (Differenz zwischen Wärmequelle und Vorlauf), desto mehr muss der Kompressor arbeiten.

JAZ (Jahresarbeitszahl)

Die JAZ ist der tatsächliche Durchschnittswert über ein ganzes Jahr im realen Betrieb. Sie berücksichtigt alle Temperaturschwankungen, Abtauzyklen, Warmwasserbereitung und Nebenverbraucher. Für die KfW-Förderung ist eine JAZ von mindestens 3,0 erforderlich.

Laut Fraunhofer ISE erreichen Luft-Wasser-Wärmepumpen im Feld eine durchschnittliche JAZ von 3,4 (Spanne 2,6-5,4), erdgekoppelte Systeme etwa 4,3. Die JAZ liegt typischerweise 15-25% unter dem Labor-COP bei Standardbedingungen.

Inverter-Technologie: Stufenlose Leistungsanpassung

Moderne Wärmepumpen sind invertergesteuert. Das bedeutet: Der Kompressor kann seine Drehzahl stufenlos variieren und passt seine Leistung dem aktuellen Wärmebedarf an. Das ist ein enormer Fortschritt gegenüber älteren Ein/Aus-Kompressoren.

Die Vorteile der Inverter-Technologie sind vielfältig: Höhere Effizienz, weil der Kompressor meist im optimalen Teillastbereich läuft. Weniger Verschleiß, weil häufiges Starten und Stoppen entfällt. Leiserer Betrieb, weil der Kompressor bei niedrigen Drehzahlen läuft. Gleichmäßigere Temperaturen im Haus.

Bei Inverter-Wärmepumpen wird die Motorfrequenz elektronisch gesteuert (daher der Name, von frequency inverter). Der Kompressor kann beispielsweise zwischen 20% und 100% seiner Nennleistung modulieren. Im Frühjahr und Herbst läuft er mit niedriger Drehzahl, im kalten Winter dreht er hoch.

Kältemittel: Von R410A zu R290

Das Kältemittel ist der Stoff, der im Kältekreislauf zirkuliert und die Wärme transportiert. Seine Eigenschaften beeinflussen Effizienz, maximale Vorlauftemperatur und Umweltverträglichkeit erheblich.

R290 (Propan) ist das Kältemittel der Zukunft: Es ist natürlich (keine F-Gase), hat ein minimales Treibhauspotenzial (GWP 3 statt 2000+ bei R410A) und ermöglicht hohe Vorlauftemperaturen bis 75°C. Außerdem gibt es 5% Effizienzbonus bei der KfW-Förderung für R290-Geräte.

Der einzige Nachteil von R290: Es ist leicht brennbar. Deshalb werden R290-Wärmepumpen meist als Monoblock ausgeführt - der gesamte Kältekreislauf befindet sich im Außengerät, kein Kältemittel fließt durchs Haus. Bei korrekter Aufstellung (Mindestabstände, keine Zündquellen) ist das Risiko vernachlässigbar.

Abtauung: Was passiert bei Frost?

Bei Temperaturen um den Gefrierpunkt kann der Verdampfer einer Luft-Wärmepumpe vereisen. Die Feuchtigkeit in der angesaugten Luft kondensiert auf den kalten Lamellen und gefriert. Ohne Gegenmaßnahme würde der Luftstrom blockiert.

Alle Luft-Wärmepumpen haben daher eine Abtauautomatik. Die gängigste Methode: Kreislaufumkehr. Der Kältekreislauf wird kurzzeitig umgekehrt, heißes Kältemittel fließt durch den Verdampfer und taut das Eis ab. Das dauert wenige Minuten und kostet etwas Energie - dieser Verbrauch ist aber in den JAZ-Werten bereits enthalten.

Fazit: Clevere Thermodynamik in modernem Gewand

Die Wärmepumpe nutzt einen seit über 100 Jahren bekannten thermodynamischen Prozess - aber moderne Technik macht ihn effizienter und komfortabler als je zuvor. Inverter-Kompressoren, elektronische Expansionsventile, smarte Regelungen und umweltfreundliche Kältemittel wie R290 heben die Technologie auf ein neues Niveau.

Das Ergebnis: Aus 1 kWh Strom werden 3-5 kWh Wärme. Keine Verbrennung erreicht diese Effizienz. Die Wärmepumpe ist nicht nur die umweltfreundlichste, sondern auch die technisch fortschrittlichste Art zu heizen.

Geschrieben von

Elias Morgenfelder

Heizungsbaumeister & Wärmepumpen-Spezialist • über 12 Jahre Erfahrung

Heizungsbaumeister mit über 12 Jahren Erfahrung in der Wärmepumpen-Installation. Spezialist für Wärmepumpen im Altbau und Förderberatung in NRW.