Eine Wärmepumpe macht etwas scheinbar Unmögliches: Sie holt Wärme aus kalter Winterluft und heizt damit dein Haus auf wohlige 22 Grad. Selbst bei -10°C Außentemperatur funktioniert das zuverlässig. Klingt nach Magie? Ist aber reine Physik - und das Prinzip kennst du bereits aus deinem Kühlschrank. In diesem Artikel erklären wir dir Schritt für Schritt, wie eine Wärmepumpe funktioniert und warum sie so effizient ist.
Das Grundprinzip: Der umgekehrte Kühlschrank
Stell dir deinen Kühlschrank vor: Er entzieht dem Innenraum Wärme und gibt sie an der Rückseite wieder ab. Deshalb ist es hinter dem Kühlschrank warm. Eine Wärmepumpe macht genau das Gleiche - nur andersherum und in größerem Maßstab: Sie entzieht der Umgebung (Luft, Erde oder Grundwasser) Wärme und gibt sie an dein Heizsystem ab.
Der Clou dabei: Selbst kalte Luft enthält noch Wärmeenergie. Physikalisch gesehen ist der absolute Nullpunkt bei -273°C. Alles darüber enthält Wärme, die genutzt werden kann. Bei -10°C Außentemperatur enthält die Luft also noch reichlich Energie - und genau diese zapft die Wärmepumpe an.
Das Besondere: Die Wärmepumpe erzeugt keine Wärme durch Verbrennung, sie transportiert nur vorhandene Wärme von draußen nach drinnen. Der Strom wird nur für den Transport benötigt - deshalb ist sie so effizient.
Der Kältekreislauf: 4 Schritte zur Heizwärme
Im Inneren einer Wärmepumpe zirkuliert ein spezielles Kältemittel in einem geschlossenen Kreislauf. Dieses Kältemittel hat eine besondere Eigenschaft: Es verdampft bereits bei sehr niedrigen Temperaturen (bei R290/Propan etwa bei -40°C). Dieser Kreislauf besteht aus vier Schritten, die sich ständig wiederholen.
Schritt 1: Verdampfer - Wärme aus der Umgebung aufnehmen
Im Verdampfer fließt das flüssige Kältemittel durch Rohre, die von Außenluft (bei Luft-Wärmepumpen) oder Sole (bei Erdwärmepumpen) umströmt werden. Da das Kältemittel einen sehr niedrigen Siedepunkt hat, nimmt es die Umgebungswärme auf und verdampft - es wird gasförmig. Bei einer Luft-Wärmepumpe ist der Verdampfer das Außengerät mit dem Ventilator, der Luft ansaugt.
Selbst wenn die Außenluft nur 0°C hat, ist sie wärmer als das Kältemittel im Verdampfer (etwa -10°C). Die Wärme fließt immer vom wärmeren zum kälteren Medium - also von der Luft ins Kältemittel. Das Kältemittel nimmt diese Energie auf und verdampft dabei.
Schritt 2: Kompressor - Druck und Temperatur erhöhen
Jetzt kommt der entscheidende Schritt: Der gasförmige Kältemitteldampf wird vom Kompressor (auch Verdichter genannt) angesaugt und stark zusammengepresst. Wenn du schon mal eine Fahrradpumpe benutzt hast, kennst du den Effekt: Durch die Kompression steigt die Temperatur.
Im Kompressor wird der Druck auf das 3-4-fache erhöht. Dadurch steigt die Temperatur des Kältemittels enorm - von etwa 0°C auf 60-80°C. Der Kompressor ist das Herzstück der Wärmepumpe und verbraucht den meisten Strom. Moderne Inverter-Kompressoren passen ihre Drehzahl stufenlos an den Bedarf an und arbeiten dadurch besonders effizient.
Schritt 3: Kondensator - Wärme ans Heizsystem abgeben
Das nun heiße, unter Druck stehende Kältemittelgas strömt durch den Kondensator (auch Verflüssiger genannt). Hier fließt auf der anderen Seite das Heizungswasser vorbei. Da das Kältemittel heißer ist als das Heizwasser, gibt es seine Wärme ab.
Beim Abkühlen kondensiert das Kältemittel - es wird wieder flüssig, ähnlich wie Wasserdampf an einer kalten Fensterscheibe. Die dabei freigesetzte Energie (Kondensationswärme) geht vollständig ins Heizwasser über. Das Heizwasser wird auf 35-55°C erwärmt (je nach System) und fließt zu deinen Heizkörpern oder der Fußbodenheizung.
Schritt 4: Expansionsventil - Druck abbauen und abkühlen
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 das Kältemittel wieder kälter als die Außenluft und bereit, im Verdampfer erneut Wärme aufzunehmen. Der Kreislauf beginnt von vorne - und läuft so lange, bis dein Haus die gewünschte Temperatur erreicht hat.
Warum aus 1 kWh Strom 4 kWh Wärme werden
Hier liegt das Geniale: Die Wärmepumpe erzeugt keine Wärme, sie transportiert sie nur. Der Strom wird ausschließlich für den Kompressor benötigt - die eigentliche Wärmeenergie kommt kostenlos aus der Umwelt. Bei einer Jahresarbeitszahl (JAZ) von 4 bedeutet das: 75% der Heizwärme kommen aus der Umwelt, nur 25% aus dem Strom.
Zum Vergleich: Ein Heizstab oder eine Elektroheizung wandelt 1 kWh Strom in genau 1 kWh Wärme um - das ist das physikalische Maximum bei direkter Umwandlung. Die Wärmepumpe umgeht dieses Limit, weil sie keine Energie umwandelt, sondern nur verschiebt. Sie arbeitet wie eine Wärmepumpe im wörtlichen Sinne: Sie pumpt Wärme von einem niedrigen Temperaturniveau auf ein höheres.
“Eine Wärmepumpe mit JAZ 4 arbeitet viermal effizienter als eine Elektroheizung und etwa 3,5-mal effizienter als eine moderne Gas-Brennwertheizung.”
— Fraunhofer ISE
COP und JAZ: Die Effizienz-Kennzahlen verstehen
Bei Wärmepumpen begegnen dir zwei wichtige Kennzahlen: COP und JAZ. Beide beschreiben das Verhältnis von erzeugter Wärme zu eingesetztem Strom - aber unter unterschiedlichen Bedingungen.
COP (Coefficient of Performance)
Der COP ist der Momentan-Wirkungsgrad unter definierten Laborbedingungen. Er wird bei bestimmten Temperaturkombinationen gemessen und in Datenblättern angegeben. Die Notation A7/W35 bedeutet: Außentemperatur 7°C, Vorlauftemperatur 35°C.
| Messpunkt | Bedeutung | Typischer COP |
|---|---|---|
| A7/W35 | 7°C Außentemp., 35°C Vorlauf | 4,5-5,5 |
| A2/W35 | 2°C Außentemp., 35°C Vorlauf | 3,5-4,5 |
| A-7/W35 | -7°C Außentemp., 35°C Vorlauf | 2,5-3,5 |
| A7/W55 | 7°C Außentemp., 55°C Vorlauf | 3,0-4,0 |
| A-7/W55 | -7°C Außentemp., 55°C Vorlauf | 2,0-2,8 |
Du siehst: Der COP sinkt, wenn die Außentemperatur fällt oder die Vorlauftemperatur steigt. Je größer der Temperaturhub (Differenz zwischen Quelle und Vorlauf), desto mehr Arbeit muss der Kompressor leisten und desto niedriger die Effizienz.
JAZ (Jahresarbeitszahl)
Die JAZ ist der tatsächliche Durchschnittswert über ein ganzes Jahr im realen Betrieb. Sie berücksichtigt alle Temperaturschwankungen, Abtauzyklen, Warmwasserbereitung und Stillstandszeiten. Die JAZ ist daher die aussagekräftigere Kennzahl.
Für die KfW-Förderung ist eine JAZ von mindestens 3,0 erforderlich. Aktuelle Fraunhofer-Feldstudien zeigen: Luft-Wasser-Wärmepumpen erreichen im Schnitt eine JAZ von 3,4 (Spanne 2,6-5,4), erdgekoppelte Systeme etwa 4,3.
Die drei Wärmequellen im Vergleich
Je nach Wärmequelle unterscheidet man drei Haupttypen von Wärmepumpen. Die Wärmequelle beeinflusst maßgeblich die Effizienz und die Installationskosten.
| Typ | Wärmequelle | Temperatur der Quelle | Typische JAZ | Besonderheit |
|---|---|---|---|---|
| Luft-Wasser | Außenluft | -15 bis +35°C (schwankend) | 3,0-4,5 | Günstig, überall möglich |
| Sole-Wasser | Erdreich | +8 bis +12°C (konstant) | 4,0-5,0 | Höchste Effizienz, Bohrung nötig |
| Wasser-Wasser | Grundwasser | +8 bis +12°C (konstant) | 4,5-5,5 | Sehr effizient, Brunnen nötig |
Die konstante Temperatur von Erdreich und Grundwasser (etwa 10°C das ganze Jahr) ist der Hauptgrund für die höhere Effizienz von Sole- und Wasser-Wärmepumpen. Die Luft-Wärmepumpe muss im Winter gegen größere Temperaturunterschiede arbeiten, was mehr Kompressor-Arbeit erfordert.
Was passiert bei extremer Kälte?
Eine häufige Sorge: Funktioniert die Wärmepumpe auch bei -15°C? Die Antwort ist ein klares Ja. Moderne Luft-Wärmepumpen arbeiten zuverlässig bis -20°C und erreichen selbst bei -7°C noch einen COP von 2,5-3,0. Das bedeutet: Auch bei Frost bekommst du aus 1 kWh Strom noch 2,5-3 kWh Wärme.
Bei sehr niedrigen Temperaturen kann der Verdampfer vereisen. Dafür haben alle Luft-Wärmepumpen eine automatische Abtaufunktion: Der Kreislauf wird kurzzeitig umgekehrt, warmes Kältemittel taut das Eis ab. Das kostet etwas Energie, ist aber in den JAZ-Werten bereits eingerechnet.
Die meisten Wärmepumpen haben zusätzlich einen elektrischen Heizstab als Backup. Die Fraunhofer-Feldmessungen zeigen aber: Im Realbetrieb macht der Heizstab nur etwa 1-2% des Jahresstromverbrauchs aus. Er springt nur bei extremer Kälte oder für die Legionellenschaltung (kurzzeitiges Aufheizen des Warmwassers auf 60°C) ein.
Fazit: Clevere Physik statt Verbrennung
Die Wärmepumpe nutzt einen eleganten physikalischen Prozess, um kostenlose Umweltwärme auf Heiztemperatur zu bringen. Mit etwa 25% Strom und 75% Umweltwärme ist sie die effizienteste Art zu heizen. Selbst bei Minusgraden arbeitet sie noch effizienter als jede Verbrennung.
Das Funktionsprinzip ist seit über 100 Jahren bekannt und erprobt - schließlich nutzen wir es täglich in Kühlschränken und Klimaanlagen. Mit moderner Inverter-Technologie und umweltfreundlichen Kältemitteln wie R290 ist die Wärmepumpe die Heiztechnologie der Zukunft.
Geschrieben von
Elias MorgenfelderHeizungsbaumeister & 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.
