Wie funktioniert der thermodynamische Kreisprozess einer Wärmepumpe?
Eine Wärmepumpe ist ein System zur Übertragung von Wärmeenergie. Mithilfe elektrischer Arbeit transportiert sie Wärme von einer Quelle mit niedrigerer Temperatur zu einem Heizkreis auf höherem Temperaturniveau. In ihrem geschlossenen Dampfverdichtungsprozess durchläuft ein Kältemittel vier sich wiederholende thermodynamische Prozessschritte, bei denen sich Druck, Temperatur und Aggregatzustand verändern.
Im Folgenden erklären wir diesen Kreisprozess: die Zustände des Kältemittels, die Wärmeströme, die Druckniveaus, die Energiebilanz und die Leistungsgrenzen.
Das praktische Ergebnis ist nutzbare Wärme, die aus Umweltenergie und Strom gewonnen wird. Nach Angaben der Internationalen Energieagentur liefert eine fachgerecht installierte und betriebene Wärmepumpe über eine Heizperiode hinweg im Durchschnitt drei bis fünf Einheiten Wärme je eingesetzter Stromeinheit.
Was ist der thermodynamische Kreisprozess einer Wärmepumpe?
Der thermodynamische Kreisprozess einer Wärmepumpe ist eine geschlossene Abfolge, in der ein Kältemittel bei niedrigem Druck Wärme aufnimmt, durch den Verdichter Arbeit zugeführt bekommt, bei hohem Druck Wärme abgibt und anschließend in seinen Ausgangszustand zurückkehrt. Während des Betriebs wiederholt sich dieser Ablauf kontinuierlich.
Das Kältemittel ist das Arbeitsmedium, das die Energie im abgedichteten Kreislauf transportiert. „Geschlossen“ bedeutet, dass das Medium im System zirkuliert und nicht fortlaufend ein- oder ausströmt. Ein Verlust von Kältemittel weist auf eine Leckage hin und ist kein normaler Verbrauch.
Der Kreisprozess bewegt Energie entgegen ihrer natürlichen Flussrichtung. Wärme fließt von selbst von einem wärmeren in einen kälteren Bereich. Die Arbeit des Verdichters ermöglicht es der Wärmepumpe jedoch, Energie bei niedriger Temperatur aufzunehmen und sie auf dem höheren Temperaturniveau abzugeben, das für das Heizungswasser erforderlich ist.
Der Begriff „Kältekreislauf“ bezeichnet denselben grundlegenden thermodynamischen Prozess. Bei einem Kühlschrank ist die dem gekühlten Innenraum entzogene Wärme der gewünschte Nutzen; bei einer Wärmepumpe im Heizbetrieb ist es die an das Gebäude abgegebene Wärme.
Welche vier thermodynamischen Prozessschritte wiederholen sich während des Betriebs?
Der Kreisprozess umfasst vier thermodynamische Prozessschritte: Verdampfung, Verdichtung, Verflüssigung und Entspannung. In jedem Schritt verändern sich Druck, Temperatur, Aggregatzustand oder Energieinhalt des Kältemittels. Dadurch kann Wärme aus der Quelle aufgenommen und auf einem für den Wasserkreislauf des Gebäudes nutzbaren Temperaturniveau wieder abgegeben werden.
Die Tabelle beschreibt die Zustandsänderungen des Kältemittels und nicht den konstruktiven Aufbau der Komponenten.
| Prozessschritt | Zustand des eintretenden Kältemittels | Thermodynamische Änderung | Zustand des austretenden Kältemittels | Energieübertragung |
| Verdampfung | Kaltes Flüssigkeits-Dampf-Gemisch bei niedrigem Druck | Die Flüssigkeit siedet bei annähernd konstantem niedrigem Druck | Dampf bei niedrigem Druck | Wärme aus der Quelle wird vom Kältemittel aufgenommen |
| Verdichtung | Dampf bei niedrigem Druck | Elektrische Arbeit erhöht Druck, Temperatur und Enthalpie | Heißer Dampf bei hohem Druck | Dem Kältemittel wird Verdichterarbeit zugeführt |
| Verflüssigung | Heißer Dampf bei hohem Druck | Der Dampf gibt bei annähernd konstantem hohem Druck Wärme ab und wird flüssig | Flüssigkeit bei hohem Druck | Nutzwärme wird an das Gebäude abgegeben |
| Entspannung | Flüssigkeit bei hohem Druck | Die Drosselung senkt Druck und Sättigungstemperatur | Kaltes Flüssigkeits-Dampf-Gemisch bei niedrigem Druck | Bei einem herkömmlichen Expansionsventil wird keine nutzbare Arbeit zurückgewonnen |
Die Enthalpie ist der thermodynamische Energieinhalt des Kältemittels je Masseneinheit. Ingenieurinnen und Ingenieure berechnen anhand von Enthalpiedifferenzen die aufgenommene Wärme, die Verdichterarbeit und die in den vier Prozessschritten abgegebene Wärme.
Wie ermöglichen Druck und Phasenwechsel die Wärmeübertragung?
Der Druck bestimmt die Temperatur, bei der das Kältemittel verdampft oder kondensiert. Bei niedrigem Druck kann es unterhalb der Temperatur der Wärmequelle sieden; bei hohem Druck kann es oberhalb der Heizwassertemperatur kondensieren. Diese Sättigungstemperaturen geben in jedem Wärmetauscher die Richtung des Wärmeflusses vor.
Die Sättigungstemperatur ist die Siede- beziehungsweise Kondensationstemperatur, die einem bestimmten Druck zugeordnet ist. Der Verdampfungsdruck wird so geregelt, dass das Kältemittel kälter als die Wärmequelle bleibt. Dadurch fließt Wärme aus der Luft, dem Erdreich, dem Wasser oder einem gemeinsamen Energienetz in das Kältemittel.
Durch die Verdichtung entsteht die Hochdruckseite. Die daraus resultierende Kondensationstemperatur muss über der Temperatur des Heizungswassers liegen, damit Energie vom Kältemittel auf das Wasser übergehen kann. Je größer der Abstand zwischen Quell- und Heiztemperatur ist, desto mehr Verdichterarbeit wird benötigt.
Ein Phasenwechsel überträgt erhebliche Energiemengen, ohne dass dafür eine entsprechend große Temperaturänderung des Kältemittels erforderlich ist. Beim Verdampfen nimmt das Kältemittel latente Wärme auf, beim Kondensieren gibt es latente Wärme ab. Als latente Wärme bezeichnet man die Energie, die mit dem Übergang zwischen dem flüssigen und dem dampfförmigen Zustand verbunden ist.
Die chemischen Eigenschaften des Kältemittels bestimmen, welche Drücke, Temperaturen, Umwelteigenschaften und Sicherheitsanforderungen bei der Auslegung berücksichtigt werden müssen.
Woher stammt die bereitgestellte Wärmeenergie?
Eine Wärmepumpe liefert mehr Wärme, als sie an Strom verbraucht, weil der Strom den Wärmetransport antreibt und nicht die gesamte Ausgangsenergie unmittelbar bereitstellt. Die abgegebene Wärme entspricht der an der Quelle aufgenommenen Umweltwärme zuzüglich der elektrischen Arbeit, die dem Verdichter während des Betriebs zugeführt wird.
Für den Heizbetrieb gilt folgende Energiebilanz:
Q Heizung = Q Quelle + W elektrisch
Q Heizung ist die an den Heizkreis abgegebene Wärme. Q Quelle ist die aus Luft, Erdreich, Wasser oder einer anderen Quelle aufgenommene Wärme. W elektrisch bezeichnet innerhalb dieser vereinfachten Systemgrenze die dem Verdichter zugeführte elektrische Arbeit.
Auch Ventilatoren, Umwälzpumpen, Regelungstechnik und Zusatzheizungen benötigen Strom. Eine Leistungskennzahl muss angeben, ob diese Hilfsenergien berücksichtigt sind. Andernfalls können zwei scheinbar identische Kennzahlen unterschiedliche Systemgrenzen abbilden.
Ein hypothetisches System, das 12.000 kWh Wärme mit einer Jahresarbeitszahl von 4,0 bereitstellt, benötigt innerhalb der angegebenen Systemgrenze etwa 3.000 kWh Strom. Die übrigen 9.000 kWh werden aus der Wärmequelle übertragen. Diese Berechnung veranschaulicht die Energiebilanz und ist keine Prognose für eine konkrete Anlage.
Warum bestimmt der Temperaturhub die Effizienz des Kreisprozesses?
Der Temperaturhub ist die Differenz zwischen der Temperatur der Wärmequelle und der erforderlichen Heizwassertemperatur. Ein kleinerer Temperaturhub verringert die Verdichterarbeit und erhöht die saisonale Effizienz. Niedrigere Vorlauftemperaturen, ausreichend dimensionierte Wärmeabgabesysteme, eine korrekte Anlagenauslegung und stabile Wärmequellen verbessern daher die Gesamtleistung wesentlich.
Die Vorlauftemperatur ist die Temperatur des Wassers, das die Wärmepumpe verlässt und zu den Wärmeabgabesystemen des Gebäudes strömt. Ein Kreisprozess, der ausgehend von einer bestimmten Quellentemperatur Wasser mit 35 °C bereitstellt, benötigt einen geringeren Temperaturhub als derselbe Kreisprozess bei einer Wassertemperatur von 55 °C.
Der österreichische klimaaktiv-Wegweiser zur guten Wärmepumpeninstallation aus dem Jahr 2026 hält fest, dass eine Senkung der Vorlauftemperatur um 5 °C die Jahresarbeitszahl (JAZ) um etwa 10 bis 15 % verbessert. Diese Planungsregel ist keine Produktgarantie, da Klima, Warmwasserbedarf, Systemgrenzen und Ausführungsqualität die gemessene Leistung beeinflussen.
Die ideale Grenze für den Heizkreisprozess beschreibt denselben Zusammenhang. Unter Verwendung absoluter Temperaturen in Kelvin lautet die Carnot-Leistungszahl für den Heizbetrieb:
COP Heizen, Carnot = T warm / T warm – T kalt
Reale Kreisprozesse bleiben unter der Carnot-Grenze, weil Verdichter, Wärmetauscher, Druckverluste und Hilfseinrichtungen Verluste verursachen. Die Gleichung erklärt, warum eine kleinere Temperaturdifferenz vorteilhaft ist; den jährlichen Stromverbrauch kann sie nicht vorhersagen.
Wie beschreiben COP, SCOP und JAZ die thermodynamische Leistung?
Der COP misst das Verhältnis von Wärmeabgabe zu elektrischer Aufnahmeleistung an einem festgelegten Betriebspunkt. Der SCOP beschreibt die standardisierte saisonale Leistung. Die in Österreich gebräuchliche Jahresarbeitszahl (JAZ) hingegen bildet die Jahresleistung unter den Bedingungen am jeweiligen Standort ab und hängt von der gewählten Messgrenze sowie vom Hilfsstromverbrauch ab.
Der Coefficient of Performance (COP), auf Deutsch Leistungszahl, ist ein dimensionsloses Verhältnis:
COP = Q Heizung / W elektrisch
Ein COP von 4 bedeutet, dass unter den angegebenen Prüfbedingungen je Einheit elektrischer Energie vier Einheiten Wärme bereitgestellt werden. Das bedeutet nicht, dass Energie erzeugt wurde; etwa drei Einheiten wurden aus der Wärmequelle übertragen.
Der Seasonal Coefficient of Performance (SCOP), die saisonale Leistungszahl, fasst standardisierte Temperaturen und Lasten über eine definierte Heizperiode zusammen. Der SCOP ermöglicht Produktvergleiche nach demselben Standard, der tatsächliche Betrieb in einem Gebäude kann jedoch davon abweichen.
Die Jahresarbeitszahl (JAZ) setzt die bereitgestellte Wärme unter den Bedingungen am Standort über einen Jahreszeitraum ins Verhältnis zum verbrauchten Strom. Die Messgrenze legt fest, welche Pumpen, Ventilatoren, Zusatzheizungen und Warmwasserlasten einbezogen werden.
| Kennzahl | Zeitliche Bezugsgrenze | Geeignete Verwendung | Erforderlicher Kontext |
| COP | Ein Prüfpunkt | Vergleich der Leistung bei identischen Quell- und Wassertemperaturen | Prüftemperaturen, Last und berücksichtigte elektrische Verbraucher |
| SCOP | Standardisierte Heizperiode | Vergleich von Produkten nach demselben Berechnungsstandard | Klimaprofil, Anwendungstemperatur des Wassers und zugrunde liegender Standard |
| JAZ | Prognostiziertes oder gemessenes Jahr an einem Standort | Abschätzung oder Überprüfung der saisonalen Leistung einer installierten Anlage | Systemgrenze, Gebäudeenergiebedarf, Warmwasserbereitung und Hilfsstrom |
Wie setzt iDM denselben Kreisprozess in seinen Produktfamilien ein?
iDM nutzt in allen Produktfamilien dieselben thermodynamischen Grundlagen der Wärmepumpe, wobei die Systeme für unterschiedliche Quellen, Gebäude, Temperaturen und Leistungen ausgelegt sind. AERO nutzt die Außenluft; TERRA greift auf Erdreich oder Wasser zurück; iPUMP integriert einen Speicher; MAX skaliert die Leistung; NANO ist für dezentrale Anwendungen in Wohnungen bei der Sanierung mehrgeschossiger Gebäude vorgesehen.
Die Produktkonfiguration verändert die Anbindung der Wärmequelle, die Leistung, die Speicheranordnung und den vorgesehenen Einsatzbereich. Die zugrunde liegende Abfolge – Verdampfung, Verdichtung, Verflüssigung und Entspannung – bleibt gleich.
| iDM-Produktfamilie | Systemkontext | Zusammenhang mit der Thermodynamik des Kreisprozesses |
| AERO – Luftwärmepumpen | Außenluft als Wärmequelle | Die Quellentemperatur schwankt mit der Witterung und verändert dadurch die Verdampfungsbedingungen und den Temperaturhub |
| TERRA – Erdwärmepumpen | Erdreich oder Grundwasser als Wärmequelle | Eine gleichmäßigere Quellentemperatur sorgt für stabilere Verdampfungsbedingungen |
| iPUMP Wärmepumpen mit Warmwasserspeicher | Integrierte Wärmepumpe mit Warmwasserspeicher | Der Speicher verändert die Bauweise und den Zeitpunkt des Wärmebedarfs, nicht aber den vierstufigen Kreisprozess |
| MAX – Großwärmepumpen | Große Gebäude und gewerbliche Anlagen | Mehrere Kreise oder kaskadierte Geräte wiederholen dieselbe Energiebilanz bei höherer Leistung |
| NANO – iDM THERMEPUMPE | Dezentrale Systeme für Wohnungen, die an eine gemeinsame Niedertemperaturquelle angeschlossen sind | Der Kreisprozess in jeder Wohnung hebt die Wärme aus der gemeinsamen Quelle auf ein lokal nutzbares Temperaturniveau an |
Diese Beschreibungen zeigen, wie die einzelnen Produktfamilien mit demselben thermodynamischen Kreisprozess zusammenhängen. Sie ersetzen weder die Produktauswahl noch aktuelle technische Datenblätter. Leistung, Temperatur, Kältemittel und Verfügbarkeit müssen bei der Anlagenplanung für das konkrete Modell und das jeweilige Land geprüft werden.
Was sind die wichtigsten häufig gestellten Fragen zum thermodynamischen Kreisprozess?
Die folgenden Fragen klären die Terminologie. Sie grenzen den thermodynamischen Kreisprozess von einzelnen Komponenten ab, erläutern, warum das Kältemittel zirkuliert und nicht verbraucht wird, und zeigen, weshalb sich aus der theoretischen Leistung nicht der jährliche Stromverbrauch eines bestimmten Gebäudes ableiten lässt.
Unterscheidet sich ein Kältekreislauf von einem Wärmepumpenkreislauf?
Nein. Beide Begriffe können denselben Dampfverdichtungsprozess bezeichnen. Der gewünschte Nutzen bestimmt die Bezeichnung: Bei der Kälteerzeugung steht die einem kalten Raum entzogene Wärme im Vordergrund, beim Heizen die am Verflüssiger abgegebene Wärme.
Worin unterscheidet sich die Beschreibung des Kreisprozesses von der Erklärung, „wie eine Wärmepumpe funktioniert“?
Der thermodynamische Kreisprozess beschreibt die Zustände des Kältemittels und die Energieübertragungen innerhalb des abgedichteten Kreislaufs. Eine vollständige Funktionsbeschreibung behandelt darüber hinaus die Umweltwärmequelle, Pumpen oder Ventilatoren, die Regelung, das Heizungswasser, Speicher, Wärmeabgabesysteme und das Gebäude. Unter So funktionieren Wärmepumpen finden Sie eine umfassendere Betrachtung des Gesamtsystems.
Wird das Kältemittel bei jedem Umlauf verbraucht?
Nein. Das Kältemittel zirkuliert wiederholt in einem geschlossenen Kreislauf. Im Normalbetrieb verändern sich Druck, Temperatur und Aggregatzustand, ohne dass das Kältemittel verbraucht wird. Eine Leckage ist ein Störfall, der von qualifiziertem Fachpersonal geprüft werden muss. Sicherheits- und Umwelteigenschaften von Kältemitteln werden unter Kältemittel für Wärmepumpen behandelt.
Ist der COP dasselbe wie ein prozentualer Wirkungsgrad?
Nein. Der COP ist das Verhältnis von Wärmeabgabe zu elektrischer Aufnahme. Ein COP über 1 ist möglich, weil die abgegebene Wärme sowohl die Quellwärme als auch die Verdichterarbeit umfasst. Er ist kein herkömmlicher, in Prozent angegebener Umwandlungswirkungsgrad und verletzt nicht den Energieerhaltungssatz.
Lässt sich mit dem Carnot-COP die Stromrechnung eines Haushalts vorhersagen?
Nein. Der Carnot-COP ist eine ideale thermodynamische Obergrenze. Der reale Stromverbrauch hängt von Witterung, Vorlauftemperaturen, Teillastbetrieb, Warmwasserbedarf, Hilfsenergien, Regelung und Ausführungsqualität ab. Eine standortspezifische saisonale Abschätzung und die gemessene JAZ liefern dafür aussagekräftigere Anhaltspunkte.
Was ist der nächste Schritt von der Thermodynamik zur Anlagenplanung?
Das Verständnis der Thermodynamik lenkt die Kaufentscheidung auf die maßgeblichen Betriebsbedingungen: Quellentemperatur, erforderliche Vorlauftemperatur, saisonale Last und Systemgrenze. Eine fachgerechte Planung muss diese Bedingungen anschließend auf das Gebäude, die Wärmequelle, die Wärmeabgabesysteme, die Regelung und die iDM-Konfiguration abstimmen.
Für eine erste Orientierung bei Ein- oder Zweifamilienhäusern kann der iDM-Konfigurator verwendet werden. Anschließend muss ein qualifizierter Fachpartner die Heizlast, die verfügbare Wärmequelle, die erforderlichen Wassertemperaturen und die vorgesehenen Anwendungen bestätigen. NANO-, MAX- und andere komplexe Projekte erfordern eine projektspezifische Beratung.
