Wie eine Wärmepumpe funktioniert

Eine Wärmepumpe ist kein Heizkessel mit besserem Wirkungsgrad, sondern eine andere Maschine. Ein Kessel wandelt Brennstoff in Wärme um und verliert dabei einen Teil. Eine Wärmepumpe wandelt nichts um: Sie transportiert Wärme von einem kalten Ort an einen wärmeren — und dafür braucht sie Arbeit, nicht Brennstoff. Diese Seite erklärt, wie dieser Transport abläuft, welche vier Bauteile daran beteiligt sind und an welcher Stelle im Gerät die Jahresarbeitszahl entsteht. Wer nur die Zahl braucht: Der JAZ-Rechner steht auf der Hubseite und rechnet Arbeitszahl in Cent je Kilowattstunde Wärme.

Warum mehr Wärme herauskommt, als Strom hineingeht

Die kurze Antwort: Es kommt nicht mehr Energie heraus, als hineingeht — sie kommt nur nicht vollständig aus der Steckdose. Der größere Teil wird der Umgebung entnommen, und die kühlt dabei ab. Die Bilanz einer Kilowattstunde Wärme macht es sichtbar.

Bilanz je Kilowattstunde Wärme, gerechnet mit der gemessenen Arbeitszahl 3,4 0,29 kWh Strom (Verdichter) + 0,71 kWh Umweltwärme (Luft oder Erdreich) = 1 kWh Wärme, Umweltanteil 71 Prozent. Umgekehrt gelesen: Eine Kilowattstunde Strom holt 2,4 Kilowattstunden Umweltwärme dazu und gibt 3,4 Kilowattstunden Wärme ab.

Deshalb ist die Kennzahl der Wärmepumpe eine Arbeitszahl und kein Wirkungsgrad: Ein Wirkungsgrad setzt eine Umwandlung voraus und kann 100 Prozent nicht überschreiten — hier wird aber nichts umgewandelt, sondern verschoben, und das Verhältnis von Wärme zu Arbeit darf größer als eins sein. Strom hat deshalb auch keinen Heizwert: Was bei Brennholz der Heizwert leistet, leistet hier die Jahresarbeitszahl.

Wie viel Wärme theoretisch möglich ist, hängt an einer einzigen Größe: dem Temperaturhub zwischen Quelle und Senke. Die obere Schranke dafür ist seit Carnot bekannt und lautet T_warm ÷ (T_warm − T_kalt), beide Temperaturen in Kelvin. Für einen Winterpunkt mit 0 °C Außenluft und 35 °C Vorlauf ergibt das 8,8 — unerreichbar, denn die Schranke gilt für einen reibungsfreien, unendlich langsamen Prozess. Kleiner wird sie schon, bevor das Gerät läuft: Ein Wärmeübertrager braucht eine Temperaturdifferenz, um Wärme zu übertragen. Mit je 5 Kelvin Grädigkeit auf beiden Seiten muss das Kältemittel bei -5 °C verdampfen und bei 40 °C kondensieren; der Hub wächst auf 45 Kelvin, die Schranke sinkt auf 7,0 — allein die beiden Wärmeübertrager kosten rund 21 Prozent des theoretischen Maximums.

Der Kreisprozess in vier Schritten

Im Gerät läuft ein geschlossener Kreis, in dem immer dasselbe Kältemittel umläuft — es wird nicht verbraucht, nicht verbrannt und nicht nachgefüllt, sondern wechselt nur zwischen flüssig und gasförmig. Dieser Zustandswechsel ist der Trick: Beim Verdampfen nimmt ein Stoff viel Energie auf, ohne wärmer zu werden, beim Kondensieren gibt er sie wieder ab. Der Kreis sorgt dafür, dass das Verdampfen dort passiert, wo Wärme geholt werden soll, und das Kondensieren dort, wo sie gebraucht wird.

Entscheidend an der Reihenfolge ist, wo die Temperaturen liegen müssen: Im Verdampfer muss das Kältemittel kälter sein als die Quelle, im Kondensator wärmer als das Heizungswasser — Wärme fließt immer nur von warm nach kalt. Genau dieses Kunststück leistet der Verdichter: Derselbe Stoff verdampft unter der Außentemperatur und kondensiert über der Vorlauftemperatur. Mehr passiert nicht — und deshalb ist der Prozess so haltbar: keine Verbrennung, kein Abgasweg, kein Schornstein.

Aufbau: die vier Bauteile einzeln

Dieselben vier Bauteile stecken in jeder Wärmepumpe, von der Anlage im Garten bis zum Kühlschrank in der Küche — der nutzt nur die andere Seite des Kreises. Zwischen den Bauarten unterscheidet sich die Bauform der beiden Wärmeübertrager, nicht das Prinzip.

Verdampfer Wärme aus der Quelle an das Kältemittel übergeben

Bauform: Bei Luft/Wasser ein Lamellenwärmeübertrager, über den ein Ventilator Außenluft zieht; bei Sole/Wasser ein Plattenwärmeübertrager für die Soleflüssigkeit aus der Erdwärmesonde.

Hier entscheidet sich die Hälfte der Effizienz: Je kälter die Quelle, desto tiefer muss die Verdampfungstemperatur liegen und desto größer wird der Hub für den Verdichter.

Verdichter Druck und damit das Temperaturniveau anheben

Bauform: Meist ein Scroll- oder Rollkolbenverdichter, heute überwiegend invertergeregelt: Die Drehzahl folgt dem Wärmebedarf statt im Takt an- und auszuschalten.

Das einzige Bauteil, das Strom in nennenswertem Umfang aufnimmt. Seine elektrische Arbeit verschwindet nicht, sondern landet als Wärme im Kältemittel — sie ist Teil der abgegebenen Wärme und kein Verlust. Verluste entstehen in Reibung, Leistungselektronik und im Takten bei zu großer Geräteleistung.

Kondensator Wärme an das Heizungswasser abgeben

Bauform: Bei wassergeführten Anlagen ein Plattenwärmeübertrager zwischen Kältekreis und Heizkreis, bei Luft/Luft ein Lamellenwärmeübertrager für die Raumluft.

Die Kondensationstemperatur muss über der Vorlauftemperatur liegen, sonst fließt keine Wärme. Jedes Grad Vorlauf mehr hebt also den Hochdruck im Kreis — der direkte Weg, auf dem eine Heizkurve die Arbeitszahl verändert.

Expansionsventil Druck abbauen und die Kältemittelmenge dosieren

Bauform: Thermostatisch (ein Fühler am Verdampferausgang bewegt eine Membran) oder elektronisch als schrittmotorgesteuertes Ventil.

Das Ventil regelt die Überhitzung am Verdampferausgang: Es lässt nur so viel Kältemittel nachströmen, dass es vollständig verdampft, bevor es den Verdichter erreicht. Zu viel, und Flüssigkeit gelangt in den Verdichter — Flüssigkeitsschlag, der ihn mechanisch zerstört. Zu wenig, und Verdampferfläche bleibt ungenutzt. Das kleinste Bauteil des Kreises ist damit kein Zubehör, sondern seine Regelgröße.

Das Hydraulikschema: drei Kreise, die nur Wärme austauschen

Ein Schema einer Wärmepumpenanlage wird einfach, wenn man es als drei getrennte Kreise liest. Keiner tauscht Flüssigkeit mit einem anderen, sie berühren sich nur in Wärmeübertragern — wer das einmal sortiert hat, findet in jedem Herstellerschema die gleichen Bausteine wieder.

Der Weg der Wärme in einem Satz: Die Quelle gibt Wärme an den Verdampfer, der Kältekreis hebt sie auf Vorlauftemperatur, der Kondensator übergibt sie an das Heizungswasser, und ein Dreiwege-Umschaltventil entscheidet, ob dieses Wasser in die Heizflächen oder in den Trinkwasserspeicher geht. Beides gleichzeitig geht nicht — die Trinkwassererwärmung hat Vorrang und unterbricht den Heizbetrieb kurz. Wie sich die Jahreswärme im Feld auf beides verteilt, steht mit der Messreihe auf Strom und Jahresarbeitszahl.

Warum das Schema über die Arbeitszahl entscheidet. Eine Jahresarbeitszahl ist ein Bruch, und beide Seiten hängen davon ab, an welcher Stelle im Schema die Zähler sitzen. Direkt am Gerät gemessen ergibt sich die Erzeugerarbeitszahl — so sind alle Werte dieser Website hinterlegt. Hinter Puffer- und Trinkwasserspeicher gemessen ergibt sich die niedrigere Systemarbeitszahl. Wie weit beide im Feld auseinanderlagen und warum der Treiber die Warmwasserseite ist, steht mit Zahlen und Quelle auf Strom und Jahresarbeitszahl.

Kältemittel: warum sie die Vorlauftemperatur begrenzen

Das Kältemittel bestimmt, in welchem Temperaturfenster der Kreis überhaupt arbeiten kann. Die harte Grenze ist seine kritische Temperatur: Oberhalb davon existieren flüssig und gasförmig nicht mehr als getrennte Phasen — es gibt keine Kondensation, und damit fehlt der Schritt, in dem die Wärme abgegeben wird.

Nutzbar ist dieses Fenster längst nicht bis zum Rand. Je näher die Kondensationstemperatur an den kritischen Punkt rückt, desto kleiner wird die Verdampfungsenthalpie — der Stoff transportiert je Kilogramm immer weniger Wärme, während das Druckverhältnis, gegen das der Verdichter arbeitet, steigt. Beides drückt die Arbeitszahl, lange bevor die Physik endgültig Nein sagt; dazu kommen Druckfestigkeit des Verdichters und Regelung. Aus der Tabelle folgt deshalb nur die Richtung: Ein Gerät mit R290 (Propan) hat nach oben mehr Luft als eines mit R410A. Welche Vorlauftemperatur ein bestimmtes Gerät erreicht, steht auf seinem Datenblatt und nicht in einer Stofftabelle.

Dass R744 (CO₂) mit 31,0 °C in der Liste steht, ist kein Widerspruch: Anlagen mit diesem Kältemittel arbeiten bewusst oberhalb des kritischen Punkts, also transkritisch. Dort gibt es keine Kondensation mehr, sondern eine gleitende Abkühlung des überkritischen Gases — was zur Trinkwassererwärmung passt, weil dabei kaltes Wasser auf hohe Temperatur gebracht wird.

Treibhauspotenziale, Füllmengen, Sicherheitsabstände bei brennbaren Kältemitteln und das F-Gas-Recht stehen hier nicht: Das ist Kältemittelrecht und Fachplanung.

Der Temperaturhub in Zahlen

Die Kältemittelgrenze ist die eine Hälfte der Temperaturfrage, die Effizienz die andere — und sie wird früher spürbar. Dieselbe Carnot-Schranke über vier übliche Auslegungstemperaturen:

Von 35 °C auf 65 °C Vorlauf fällt die Schranke um 34 Prozent. Reale Anlagen folgen dieser Kurve nicht eins zu eins — sie liegen weit darunter, und wie weit, hängt an Verdichter, Regelung und Betrieb. Die Richtung gilt aber, und sie ist der Grund, warum die Vorlauftemperatur das wichtigste Stellrad einer Wärmepumpe ist: Sie lässt sich ohne Gerätetausch senken. Was dabei tatsächlich zu holen ist, zeigt eine Messreihe statt einer Formel — Vorlauftemperatur der Wärmepumpe stellt kühl und warm gefahrene Heizkreise desselben Kollektivs gegenüber.

Bauarten: Luft/Wasser, Sole/Wasser, Luft/Luft

Der Kreisprozess ist in allen Bauarten derselbe. Benannt werden sie nach den beiden Medien an den Enden: zuerst die Quelle am Verdampfer, dann die Senke am Kondensator. Was sich damit ändert, ist die Temperatur der Quelle — und damit der Hub, den der Verdichter zu leisten hat.

• Luft/Wasser. Ein Ventilator zieht Außenluft über den Lamellenverdampfer. Diese Quelle ist genau dann am kältesten, wenn am meisten Wärme gebraucht wird — der Hub ist im Januar am größten. Dafür ohne Bohrung.
• Sole/Wasser. Eine Soleflüssigkeit holt die Wärme über einen Plattenverdampfer aus dem Erdreich. In Sondentiefe bleibt die Temperatur über das Jahr nahezu gleich, der Hub damit klein und stabil — dafür braucht es die Bohrung.
• Luft/Luft. Senke ist die Raumluft statt Heizungswasser: kein Heizkreis, kein Speicher, keine Trinkwassererwärmung. Bauform der Split-Klimageräte.

Dass der Unterschied an der Quellentemperatur hängt und nicht an der Gerätequalität, zeigt die Messung: Im Feld lagen die Jahresarbeitszahlen über alle Bauarten zwischen 2,6 und 5,4, die Erdreich-Anlagen im Mittel über den Luft-Anlagen. Werte je Bauart mit Stichprobe und Quelle, die Verzerrungen des Kollektivs und die Einordnung in Cent und CO₂: Strom und Jahresarbeitszahl. Für Luft/Luft steht dort bewusst keine Zeile — zu dieser Bauart gibt es keine Feldmesswerte mit belastbarer Stichprobe, nur Laborwerte nach Norm.

Eine Split-Klimaanlage ist eine Luft/Luft-Wärmepumpe

Das wird so oft als zwei verschiedene Geräte verkauft, dass es einen eigenen Absatz verdient: Ein Split-Klimagerät mit Heizfunktion hat dieselben vier Bauteile und denselben Kreisprozess wie die Wärmepumpe im Garten. Im Kühlbetrieb verdampft das Kältemittel im Innengerät und kondensiert draußen, im Heizbetrieb kehrt ein Vierwege-Ventil die Richtung um. Unterschiedlich ist allein die Senke: Raumluft statt Heizungswasser, kein Heizkreis, keine Trinkwassererwärmung — der Warmwasseranteil, der bei wassergeführten Anlagen die Arbeitszahl drückt, fehlt hier, dafür muss das Warmwasser anders erzeugt werden. Gerechnet wird trotzdem genauso, Strompreis geteilt durch Arbeitszahl. Nur kommt die Arbeitszahl nicht aus einer Feldstudie: Wer eine braucht, muss sie messen — mindestens mit eigenem Stromzähler und einem Verbrauchsvergleich.

Abtauen und Kondensatablauf

Wer im Winter an einem Außengerät vorbeigeht, sieht Wasser darunter ablaufen und manchmal Reif auf den Lamellen. Beides gehört zum Prozess. Der Verdampfer ist im Heizbetrieb kälter als die Außenluft — er kühlt sie unter ihren Taupunkt ab, und die enthaltene Luftfeuchtigkeit schlägt sich als Kondensat an den Lamellen nieder, genau wie an einer kalten Fensterscheibe.

Liegt die Verdampfungstemperatur unter dem Gefrierpunkt, friert dieses Kondensat zu Eis. Eis zwischen den Lamellen behindert die Luft, der Wärmestrom in den Verdampfer bricht ein, und die Arbeitszahl fällt, solange die Vereisung zunimmt. Deshalb taut die Steuerung in Intervallen ab: Das Vierwege-Ventil kehrt den Kreis für wenige Minuten um, das Außengerät wird kurz zum Kondensator und schmilzt sein eigenes Eis. Diese Energie kommt aus dem Heizkreis und steckt in der gemessenen Erzeugerarbeitszahl bereits drin — einer der Gründe, warum Luft/Wasser-Anlagen im Feld unter den Sole/Wasser-Werten liegen.

Das Schmelzwasser muss frostfrei weg können: üblich ist ein Kiesbett oder eine Sickerpackung unter dem Gerät, bei innen aufgestellten Teilen eine Ablaufleitung mit Siphon. Zwei Fehler sieht man häufig — ein Ablaufrohr, das selbst zufriert und das Wasser im Gerät staut, und Wasser, das auf einen Gehweg läuft und dort gefriert. Mit der Arbeitszahl hat der Kondensatablauf nichts zu tun, mit der Betriebssicherheit sehr viel.

Die drei Temperaturen, an denen alles hängt

Was eine Anlage im Jahr leistet, ist kein Typenschildwert, sondern das Ergebnis dieses Kreisprozesses unter den Bedingungen im Haus — und die stehen an drei Stellen:

• Quellentemperatur. Nicht wählbar, aber mit der Bauart entschieden: Außenluft schwankt mit dem Wetter, Erdreich kaum.
• Vorlauftemperatur. Das größte Stellrad, und das einzige, das sich nachträglich ohne Gerätetausch bewegen lässt — Heizkurve und Heizfläche.
• Warmwassertemperatur. Der Teil des Jahres, in dem die Anlage mit dem größten Hub arbeitet, und laut Feldmessung der Hauptgrund, warum die Systemarbeitszahl unter der Erzeugerarbeitszahl liegt.

Schlecht wird eine Anlage dort, wo diese Temperaturen unnötig auseinandergezogen werden: zu steile Heizkurve, zu kleine Heizflächen, ein zu groß gewähltes Gerät, das taktet statt zu modulieren, ein unnötig hoch geladener Pufferspeicher. Keiner dieser Punkte ist eine Frage des Herstellers — alle vier sind Einstellung und Auslegung.

Was diese Seite nicht behandelt

Diese Seite erklärt, wie das Gerät arbeitet. Nicht behandelt werden Anschaffungs- und Installationskosten, Förderung, Herstellervergleiche, Heizlastauslegung, Schallgrenzwerte, die wasserrechtliche Genehmigung von Erdwärmesonden und das Kältemittelrecht. Dort beginnt Fachplanung, teils Landesrecht — und eine falsche Zahl trifft jemanden, der gerade eine Investitionsentscheidung trifft.

Fazit

Eine Wärmepumpe ist ein Transportgerät für Wärme: vier Bauteile, ein geschlossener Kreis, ein Stoff, der abwechselnd verdampft und kondensiert — und Strom nur an einer Stelle, im Verdichter. Dass dabei mehr Wärme herauskommt als Strom hineingeht, ist kein Verstoß gegen die Energieerhaltung: Bei einer gemessenen Arbeitszahl von 3,4 stammen 71 Prozent der Wärme aus der Umgebung. Wie groß dieser Anteil ausfällt, entscheidet der Temperaturhub — kein Schicksal, sondern Auslegung. In Geld ist dieselbe Zahl eine Division: 10,88 ct je Kilowattstunde Wärme am Gerät bei 37,0 ct/kWh Haushaltsstrom (BDEW-Strompreisanalyse 08/2026 — Haushaltsstrom, Normaltarif bei 3.500 kWh/a, Neukundentarife (nicht mengengewichtet), brutto, Stand August 2026).

Häufige Fragen zur Funktionsweise

Weiterrechnen

• JAZ-Rechner — Arbeitszahl in Cent je Kilowattstunde Wärme und die eigene JAZ aus zwei Zählerständen. Steht auf dieser Website genau einmal.
• Strom und Jahresarbeitszahl — COP, SCOP und VDI-4650-Prognose gegen die gemessene JAZ, Bilanzgrenzen, Rangliste aller Energieträger, CO₂ je Kilowattstunde Wärme.
• Stromverbrauch der Wärmepumpe — Kilowattstunden im Jahr aus Wohnfläche, Dämmstandard und Arbeitszahl.
• Vorlauftemperatur der Wärmepumpe — was ein gesenkter Vorlauf in der Messreihe wirklich bringt.
• Brennstoff-Vergleich — dieselbe Wärme mit Gas, Öl, Pellets, Scheitholz und Wärmepumpe, in Euro je Jahr.