Vom einfachen Grundprinzip bis zur Carnot-Thermodynamik – in drei Tiefgangstufen. Verfasst von David Bätzner, dena-zertifizierter Energieeffizienz-Experte (BAFA-Nr. 723347).
Für Hausbesitzer und Einsteiger – kein technisches Vorwissen nötig.
Für Technik-Interessierte – der Kreisprozess und seine Komponenten.
Maximaler Tiefgang – für Ingenieure und Energieberater.
Eine Wärmepumpe funktioniert wie ein umgekehrter Kühlschrank: Statt Wärme aus dem Innenraum nach draußen zu pumpen, entnimmt sie Wärme aus der Außenluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser – und bringt diese ins Haus. Das Erstaunliche: Selbst bei −10 °C enthält die Außenluft noch nutzbare Wärmeenergie.
Eine Wärmepumpe erzeugt keine Wärme aus dem Nichts – sie verschiebt Wärme von dort wo sie wenig gewünscht ist (Außenluft, Erdreich) dorthin wo sie gebraucht wird (Heizsystem). Dafür braucht sie Strom – aber deutlich weniger als eine reine Elektroheizung.
Ein Kältemittel nimmt Wärme aus Luft, Erde oder Wasser auf und verdampft dabei – wie Wasser das verdampft wenn es Wärme aufnimmt.
Ein Kompressor verdichtet den Dampf. Dadurch steigt die Temperatur stark an – ähnlich wie Luft in einer Fahrradpumpe warm wird wenn man sie zusammendrückt.
Das heiße Kältemittel gibt seine Wärme an die Heizung ab und kondensiert dabei wieder – die Energie fließt in Fußbodenheizung oder Heizkörper.
Das nun flüssige Kältemittel wird entspannt, kühlt dabei stark ab und ist bereit, erneut Wärme aus der Umgebung aufzunehmen. Der Kreislauf beginnt von vorn.
| Wärmequelle | Verfügbarkeit | Effizienz | Investition | Typisch für |
|---|---|---|---|---|
| Außenluft (Luft-Wasser) | Überall | Mittel | Niedrig | EFH, Sanierung |
| Erdreich (Sole-Wasser, Fläche) | Grundstück nötig | Hoch | Mittel | EFH, Neubau |
| Erdreich (Sole-Wasser, Sonde) | Genehmigung nötig | Sehr hoch | Hoch | EFH, MFH |
| Grundwasser (Wasser-Wasser) | Grundwasser nötig | Sehr hoch | Hoch | Gewerbe, MFH |
Die Jahresarbeitszahl (JAZ) ist das wichtigste Maß für die Wirtschaftlichkeit einer Wärmepumpe über ein ganzes Heizsystem. Sie gibt an, wie viel Wärme pro eingesetzter Kilowattstunde Strom erzeugt wird:
Der COP (Coefficient of Performance) ist ein Momentanwert bei genormten Testbedingungen (z.B. A7/W35 = Außentemperatur 7 °C, Vorlauf 35 °C nach EN 14511). Die JAZ ist der reale Jahreswert – sie berücksichtigt alle Betriebszustände inkl. Abtauzyklen, Warmwasserbereitung und Kaltwetterperioden. Die JAZ liegt immer unter dem Nenn-COP.
Der Wärmepumpen-Kreisprozess ist ein linksläufiger thermodynamischer Kreisprozess: Mechanische Arbeit (Strom) wird zugeführt, um Wärme entgegen dem natürlichen Temperaturgefälle zu transportieren. Das ist nur möglich weil ein geeignetes Kältemittel bei technisch nutzbaren Drücken seinen Aggregatzustand wechselt.
Das Kältemittel verdampft bei niedrigem Druck (Niederdruckseite). Es nimmt dabei die Verdampfungsenthalpie aus der Wärmequelle auf. Typisch: 3–8 K Überhitzung zum Schutz des Verdichters.
Isobare Zustandsänderung · Q₀ = ṁ · (h₁ − h₄)Ein drehzahlgeregelter Scrollverdichter komprimiert den Kältemitteldampf. Druck und Temperatur steigen. Realer Prozess: polytrop mit isentropem Wirkungsgrad η_is = 0,60–0,75.
P_el = ṁ · (h₂ − h₁) / η_isWärmeabgabe an das Heizsystem in drei Phasen: Enthitzung → Kondensation → Unterkühlung (2–5 K). Die Kondensationstemperatur liegt ~5–8 K über der Vorlauftemperatur.
Q_K = ṁ · (h₂ − h₃) · η_HXElektronisches Expansionsventil (EEV) entspannt das Kältemittel. Druck und Temperatur sinken schlagartig – es entsteht ein Nassdampfgemisch. Enthalpie bleibt konstant (isenthalp).
h₄ ≈ h₃ (isenthalp) · Flashgas 10–25 %Der COP ist stark abhängig von der Temperaturspreizung zwischen Wärmequelle und Vorlauftemperatur. Faustregeln:
| Vorlauftemperatur | Außentemp. 7 °C (A7) | Außentemp. −7 °C (A−7) | Typische Anwendung |
|---|---|---|---|
| 35 °C (FBH) | COP 5,0–5,5 | COP 3,0–3,5 | Neubau Fußbodenheizung |
| 45 °C (FBH/HK gemischt) | COP 4,0–4,5 | COP 2,5–3,0 | Sanierung teilmodernisiert |
| 55 °C (Heizkörper) | COP 3,2–3,8 | COP 2,0–2,5 | Sanierung Altbestand |
| 65 °C (Warmwasser) | COP 2,5–3,0 | COP 1,8–2,2 | TWW-Bereitung |
| Kältemittel | GWP | Sicherheit | Max. VL-Temp. | Förderung | Trend |
|---|---|---|---|---|---|
| R290 (Propan) | 3 | A3 (brennbar) | 75–80 °C | +5 % Effizienz-Bonus KfW 458 | 🔼 Zukunft |
| R32 | 675 | A2L (leicht brennbar) | 65 °C | — | ➡ Übergangs-KM |
| R410A | 2088 | A1 (sicher) | 60 °C | — | 🔽 Auslauf (F-Gas) |
| R134a | 1430 | A1 (sicher) | 70 °C | — | 🔽 Auslauf (F-Gas) |
| R744 (CO₂) | 1 | A1 (sicher) | 90 °C | — | 🔼 Hochtemperatur WP |
R290 hat ein GWP von nur 3 (gegenüber 2088 bei R410A), ermöglicht Vorlauftemperaturen bis 75–80 °C und erhält den KfW 458 Effizienz-Bonus von 5 %. Die einzige Einschränkung: Sicherheitsklasse A3 (brennbar) erfordert besondere Aufstellbedingungen nach EN 378 – keine geschlossenen Räume ohne Belüftung, kein Heizungsraum ohne Leckagescanner. Hersteller wie IDM (AERO ALM-Serie) und Nuvio/Paradigma (Hypernova) sind mit R290 führend.
Moderne Wärmepumpen modulieren die Verdichterleistung stufenlos zwischen typisch 20–100 % der Nennleistung. Vorteile:
| Strategie | Zweiter WE | Bivalenzpunkt | Empfehlung |
|---|---|---|---|
| Monovalent | Keiner | — | Neubau EFH mit FBH, gut gedämmt |
| Mono-energetisch | Elektro-Heizstab | −5 bis −12 °C | Sanierung, häufigste Variante |
| Bivalent-parallel | Gas-/Ölkessel | −2 bis −5 °C | MFH, hoher Wärmebedarf, Bestand |
| Bivalent-alternativ | Gas-/Ölkessel | 0 bis +5 °C | Alte Gebäude, hohe VL-Temp. nötig |
Der maximal erreichbare COP einer Wärmepumpe ist durch den Carnot-COP begrenzt – eine direkte Konsequenz des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik. Wärme fließt nicht von selbst vom kälteren zum wärmeren Körper; jede Wärmepumpe muss diese thermodynamische Barriere mit Arbeitseinsatz überwinden.
T_K = 35 + 273,15 = 308,15 K (Kondensation ~8 K über Vorlauf: 43 °C → 316 K)
T_0 = 2 − 5 = −3 °C → 270 K (Verdampfung ~5 K unter Quellentemp.)
COP_Carnot = 316 / (316 − 270) = 316 / 46 ≈ 6,87
Reale Anlage mit Gütegrad η_ex = 0,50: COP_real ≈ 6,87 × 0,50 ≈ 3,4
Der Gütegrad η_ex (exergetischer Wirkungsgrad) liegt bei modernen Scrollverdichtern bei 0,45–0,55 und verschlechtert sich bei hohen Druckverhältnissen (hohe Spreizung).
Das logarithmische Druck-Enthalpie-Diagramm (log p,h) ist das zentrale Werkzeug zur Analyse von Kältekreisläufen. Die x-Achse zeigt die spezifische Enthalpie h [kJ/kg], die y-Achse den Druck p [bar] logarithmisch. Der reale Kreisprozess lässt sich als Schleife im Diagramm darstellen:
Schematische Darstellung. Realer Kreisprozess weicht durch Überhitzung, Unterkühlung und isentropen Wirkungsgrad ab.
Bei hohen Druckverhältnissen (Vorlauftemperatur > 55 °C oder Außentemperatur < −10 °C) steigen Verdichtungsverhältnis und Verdichtertemperaturen so stark an, dass einstufige Verdichtung ineffizient oder gar unmöglich wird. Die Lösung: zweistufige Verdichtung mit Economizer (Vapour Injection).
Das flüssige Kältemittel nach dem Verflüssiger wird in zwei Ströme aufgeteilt:
Effekt: Niedrigere Verdichteraustrittstemperaturen, höhere Massenströme bei gleichem Energieeinsatz. Besonders wirksam bei Außentemperaturen unter −5 °C. Beispiel: IDM AERO ALM-Serie, Nuvio Hypernova.
Die Siedetemperatur eines Kältemittels hängt direkt vom Druck ab – beschrieben durch die Clausius-Clapeyron-Gleichung. Sie erklärt warum das Druckverhältnis bei steigender Vorlauftemperatur überproportional ansteigt:
Praktische Konsequenz: Eine Erhöhung der Vorlauftemperatur von 35 °C auf 55 °C verdoppelt näherungsweise das Druckverhältnis im Kältekreislauf – der Verdichter muss deutlich mehr Arbeit leisten, der COP sinkt erheblich. Das ist die physikalische Begründung für die Vorlauftemperatur als Effizienz-Stellhebel Nr. 1.
| Komponente | Irreversibilitätsursache | Exergieverlust typisch | Optimierungsmaßnahme |
|---|---|---|---|
| Verdichter | Reibung, Wärmeaustausch, Leckage | 25–35 % | Hoher isentroper Wirkungsgrad η_is, Drehzahlregelung |
| Verflüssiger | Endliche Temperaturdifferenz ΔT | 10–18 % | Große HX-Fläche, geringe ΔT (< 5 K) |
| Verdampfer | Endliche Temperaturdifferenz ΔT | 10–15 % | Große HX-Fläche, Enteisungsstrategie |
| Expansionsventil | Isenthalpe Entspannung (irreversibel) | 8–12 % | Economizer/Vapour Injection |
| Rohrleitungen | Druckverlust, Wärmeverlust | 2–5 % | Kurze Leitungen, Dämmung, geringe Strömungsgeschwindigkeit |
Eine Wärmepumpe ist nur so gut wie ihre Planung. Als dena-zertifizierter Energieeffizienz-Experte erstelle ich für jedes Projekt eine vollständige technische Dokumentation – die Basis für maximale Förderung und optimalen Betrieb.
Die Heizlast nach DIN EN 12831-1 bestimmt die exakt nötige Wärmepumpen-Leistung. Für unsere Region:
Ich führe die Berechnung raumweise durch (Verfahren B nach VDI 2078) – das ist Voraussetzung für den hydraulischen Abgleich und die KfW 458-Förderung.
Der hydraulische Abgleich nach Verfahren B ist seit 2023 Pflichtnachweis für KfW 458. Er stellt sicher dass jeder Heizkörper / jede FBH-Schleife genau die Wassermenge bekommt die er thermisch benötigt. Vorteile: Gleichmäßige Wärmeverteilung, niedrigere Systemtemperaturen, höhere WP-Effizienz, Vermeidung von Geräuschentwicklung.
Die TA Lärm regelt die maximal zulässigen Schalldruckpegel am nächsten schutzbedürftigen Aufenthaltsort (Nachbarfenster):
Ich berechne den Schalldruckpegel am Immissionsort nach VDI 2714 / DIN ISO 9613 und prüfe die Einhaltung vor der Geräteauswahl. Nachtabsenkung und Silent-Mode-Funktion moderner Geräte werden berücksichtigt.
Jede meiner Planungen enthält ein vollständiges hydraulisches Schema mit: Wärmepumpe, Pufferspeicher, Trinkwarmwasserspeicher (TWW), Mischventile, Umwälzpumpen, SG-Ready-Anschluss, Sicherheitsgruppen und optionaler PV-Integration. Das Schema ist Grundlage für den ausführenden Installateur und für die Förderunterlagen.
| Leistung | Inhalt | Für Förderung nötig? |
|---|---|---|
| Heizlastberechnung | Raumweise nach DIN EN 12831-1, Normaußentemperatur | ✓ Pflicht |
| Hydraulischer Abgleich | Verfahren B, Ventilvoreinstellung, Pumpendimensionierung | ✓ Pflicht |
| Bestätigung zum Antrag (BzA) | Technische Bestätigung als Energieeffizienz-Experte | ✓ Pflicht vor Antrag |
| Hydraulisches Schema | Systemschema mit allen Komponenten | Empfohlen |
| Lärmbeurteilung | Schallberechnung nach TA Lärm | Bei Grenzfällen Pflicht |
| Verwendungsnachweis | Abschlussbestätigung nach Einbau | ✓ Pflicht für Auszahlung |
Ich übernehme die komplette Planung, die BzA-Erstellung und den KfW 458-Antrag – damit Sie die maximale Förderung erhalten und die Anlage optimal läuft.