Der Kältekreislauf — Physikalische Grundlagen der Wärmepumpe

Der Kältekreislauf ist das thermodynamische Herz jeder Wärmepumpe — und identisch mit dem eines Kühlschranks, nur mit umgekehrtem Nutzen: Nicht die kalte Seite ist das Produkt, sondern die warme. Dieses Nachschlagewerk erklärt die vier Prozessschritte, das log-p-h-Diagramm als Werkzeug, Überhitzung und Unterkühlung als Diagnosegrößen sowie die Stoffdaten der wichtigsten Kältemittel. Die Kernbilanz vorweg: Heizleistung = Umweltwärme + Verdichterarbeit.

Das Wichtigste in Kürze

• Vier Komponenten bilden den Kreis: Verdampfer → Verdichter → Verflüssiger → Expansionsventil.
• Energiebilanz: Q̇_Heiz = Q̇_Quelle + P_el — der Strom „pumpt" die Umweltwärme nur auf Nutztemperatur.
• Im log-p-h-Diagramm verlaufen Verdampfung und Verflüssigung waagerecht, die Verdichtung schräg nach rechts oben, die Expansion senkrecht nach unten.
• Überhitzung (typisch ca. 5 K) schützt den Verdichter, Unterkühlung (typisch 2–8 K) stabilisiert das Expansionsventil und erhöht die Leistung.
• R290 (Propan, GWP ≈ 3) ist Marktstandard neuer Monoblock-Geräte; die F-Gase-Verordnung (EU) 2024/573 drängt R32 und R410A schrittweise aus Neugeräten.

Die vier Komponenten im Überblick

Ein Kältemittel zirkuliert im geschlossenen Kreis und wechselt dabei zweimal den Aggregatzustand: Es verdampft dort, wo Wärme aufgenommen wird (kalte Seite), und verflüssigt sich dort, wo Wärme abgegeben wird (warme Seite). Der Trick: Über den Druck lässt sich einstellen, bei welcher Temperatur das passiert.

1. Verdampfer: Wärmeaufnahme bei niedrigem Druck

Das Kältemittel kommt als kaltes Zweiphasengemisch an und verdampft bei konstantem Druck, während es Wärme aus der Quelle aufnimmt. Damit Wärme fließt, muss die Verdampfungstemperatur unter der Quelltemperatur liegen: T_Verdampfung ≈ T_Quelle − 3 bis 10 K (Luft am oberen, Sole/Wasser am unteren Rand). Bei −10 °C Verdampfung liegt der R290-Druck bei rund 3,4 bar. Am Austritt wird der Dampf um einige Kelvin überhitzt — dazu unten mehr.

2. Verdichter: Druck und Temperatur anheben

Ein elektrisch angetriebener Verdichter (heute meist Scroll- oder Rollkolben-Bauart) saugt den überhitzten — also tropfenfreien — Dampf an und verdichtet ihn. Druck und Temperatur steigen; das Heißgas verlässt den Verdichter je nach Betriebspunkt mit 60–100 °C. Die elektrische Arbeit wandert vollständig als zusätzliche Enthalpie ins Kältemittel — sie ist später Teil der Heizwärme.

Merkmal	On/Off-Verdichter	Inverter-Verdichter
Drehzahl	konstant (Netzfrequenz)	variabel (ca. 20–120 Hz)
Leistungsabgabe	0 oder 100 %	typisch 30–100 % stufenlos
Anlaufstrom	hoch (Mehrfaches des Nennstroms)	niedrig (Sanftanlauf)
Teillastverhalten	Taktverluste	effizient durch Modulation
Marktstellung	auslaufend	heutiger Standard

3. Verflüssiger (Kondensator): Wärmeabgabe bei hohem Druck

Auf der Hochdruckseite läuft die Wärmeabgabe an das Heizungswasser in drei Phasen: Enthitzen (das Heißgas kühlt auf Sättigungstemperatur ab), Kondensieren (Gas wird flüssig — bei konstanter Temperatur, hier steckt der Großteil der Wärme) und Unterkühlen (die Flüssigkeit kühlt einige Kelvin unter die Sättigungstemperatur). Damit die Wärme ins Heizwasser fließt, gilt: T_Kondensation ≈ T_Vorlauf + 2 bis 8 K.

4. Expansionsventil: Entspannen auf Ausgangsdruck

Das elektronische Expansionsventil drosselt die unterkühlte Flüssigkeit vom Hoch- auf den Niederdruck. Die Enthalpie bleibt dabei konstant (isenthalpe Drosselung), ein Teil des Kältemittels verdampft schlagartig und kühlt den Rest auf Verdampfungstemperatur ab — das Zweiphasengemisch tritt wieder in den Verdampfer ein. Der Kreis ist geschlossen. Nebenbei ist das Ventil der Regler des Kreislaufs: Es stellt den Massenstrom so ein, dass die Überhitzung am Verdampferaustritt stimmt.

Das log-p-h-Diagramm: Werkzeug des Kältetechnikers

Im log-p-h-Diagramm (Druck logarithmisch über spezifischer Enthalpie) wird der Kreisprozess zum geschlossenen Linienzug. Die Glockenkurve („Nassdampfgebiet") trennt Flüssigkeit (links), Zweiphasengebiet (innen) und Gas (rechts).

Leseanleitung: Die Verdampfung (4→1) läuft waagerecht nach rechts auf der Niederdruck-Isobare, die Verdichtung (1→2) schräg nach rechts oben, die Wärmeabgabe (2→3) waagerecht nach links auf der Hochdruck-Isobare, die Expansion (3→4) senkrecht nach unten. Weil die x-Achse Energie je Kilogramm zeigt, lassen sich alle Leistungen direkt als Streckenlängen ablesen:

• Verdampferleistung: Q̇_0 = ṁ × (h₁ − h₄)
• Verdichterleistung: P_el ≈ ṁ × (h₂ − h₁)
• Heizleistung: Q̇_H = ṁ × (h₂ − h₃)
• Heiz-COP: COP = (h₂ − h₃) ÷ (h₂ − h₁)

Mit Manometerdruck und zwei Anlegefühlern kann ein Techniker den realen Prozess ins Diagramm einzeichnen und Fehler (zu wenig Kältemittel, überfülltes System, schwaches Ventil) auf einen Blick erkennen.

Überhitzung und Unterkühlung: die zwei Diagnosegrößen

Überhitzung = Temperatur am Verdampferaustritt minus Sättigungstemperatur zum gemessenen Niederdruck. Typisch ca. 5 K (üblich 4–8 K). Sie stellt sicher, dass nur Dampf — nie Flüssigkeit — in den Verdichter gelangt: Flüssigkeitsschläge zerstören ihn mechanisch. Zu hohe Überhitzung verschenkt dagegen Verdampferfläche und Leistung.

Unterkühlung = Sättigungstemperatur zum Hochdruck minus Temperatur am Verflüssigeraustritt. Typisch 2–8 K. Sie garantiert, dass blasenfreie Flüssigkeit am Expansionsventil ankommt (stabile Regelung) und vergrößert die nutzbare Enthalpiedifferenz im Verdampfer — jedes Kelvin Unterkühlung erhöht die Kälteleistung um rund 1 %.

Beide Werte zusammen sind das Erste, was ein Kältetechniker bei der Fehlersuche misst: zu geringe Unterkühlung + hohe Überhitzung deutet z. B. auf Kältemittelmangel (Leckage), das umgekehrte Muster auf Überfüllung oder ein klemmendes Ventil.

Temperaturhub, Grädigkeit und COP-Abschätzung

Der Kreislauf „sieht" nicht die Quellen- und Vorlauftemperatur, sondern Verdampfungs- und Kondensationstemperatur — jeweils um die Grädigkeit der Wärmeübertrager verschoben. Aus Außenluft −10 °C und Vorlauf 50 °C werden im Kältekreis schnell −18 °C und +55 °C. Die COP-Abschätzung folgt der Carnot-Logik (Temperaturen in Kelvin, Gütegrad moderner Geräte 0,40–0,50):

COP ≈ η_G × T_Kond ÷ (T_Kond − T_Verd)

Fall	T_Verd	T_Kond	Carnot	COP (η_G = 0,45)
Herbst, Fußbodenheizung	+5 °C (278 K)	45 °C (318 K)	318 ÷ 40 = 8,0	≈ 3,6
Wintertag, Heizkörper	−15 °C (258 K)	55 °C (328 K)	328 ÷ 70 = 4,7	≈ 2,1

Jedes eingesparte Kelvin — sauberer Wärmeübertrager, größere Heizflächen, niedrigere Vorlauftemperatur — verkleinert den Hub und verbessert den COP um grob 2–2,5 % pro Kelvin.

Druckverhältnis: die Belastungsgröße des Verdichters

Das Druckverhältnis r = p_hoch ÷ p_niedrig bestimmt Verdichterarbeit, Heißgastemperatur und Verschleiß. Typische Werte mit R290:

Betriebsfall	Verdampfung	Verflüssigung	Druckverhältnis r
A7/W35 (mild, Fußbodenheizung)	0 °C / 4,7 bar	40 °C / 13,7 bar	≈ 3
A−7/W55 (Frost, Heizkörper)	−14 °C / 3,0 bar	60 °C / 21,2 bar	≈ 7
A−15/W65 (Extremfall, Hochtemperatur)	−22 °C / 2,3 bar	70 °C / 26 bar	≈ 11

Einstufige Verdichter arbeiten bis etwa r = 8–10 wirtschaftlich; darüber steigen Heißgastemperatur und Verluste stark — Hochtemperaturgeräte nutzen deshalb Dampfzwischeneinspritzung (EVI) oder zweistufige Verdichtung. Dauerhaft überhöhte Heißgastemperaturen (> 100–110 °C) schädigen Öl und Verdichter.

Kältemittel im Vergleich: Stoffdaten und F-Gase-Fristen

Kältemittel	GWP (100 a)	Sicherheitsklasse (ISO 817)	Status 2026
R290 (Propan)	≈ 3	A3 (brennbar)	Marktstandard neuer Monoblock-Geräte
R32	675	A2L (schwer entflammbar)	Standard bei Splitgeräten — läuft im Kleinsegment aus
R410A	2.088	A1 (nicht brennbar)	Bestandsanlagen; in Neugeräten praktisch verschwunden
R134a	1.430	A1	Sonderanwendungen, auslaufend

Fristen der F-Gase-Verordnung (EU) 2024/573: Ab 2027 dürfen Split- und Monoblock-Wärmepumpen ≤ 12 kW (Monoblock < 50 kW) nur noch mit Kältemitteln unter GWP 150 in Verkehr gebracht werden — das faktische Aus für R32 und R410A in diesem Segment. Ab 2032 sind bei Monoblocks ≤ 12 kW nur noch natürliche Kältemittel zulässig, ab 2035 auch bei Splitgeräten ≤ 12 kW. Bestandsanlagen genießen Bestandsschutz: Betrieb und Reparatur bleiben erlaubt.

R290-Stoffdaten als Richtwerte (Sättigungszustand, Drücke absolut):

Temperatur	Druck	Bedeutung im Kreislauf
−20 °C	2,4 bar	Verdampfung am Extremtag
0 °C	4,7 bar	Verdampfung im Normalbetrieb
+35 °C	12,2 bar	Verflüssigung Fußbodenheizung
+50 °C	17,1 bar	Verflüssigung Heizkörperbetrieb
+60 °C	21,2 bar	Warmwasser-Ladung

R290 verdampft mit rund 375 kJ/kg (bei 0 °C) — etwa dem Doppelten von R410A. Deshalb kommen R290-Geräte mit kleinen Füllmengen aus (oft unter 1 kg für ein Einfamilienhaus-Monoblock). Die Brennbarkeit (A3) verlangt konstruktive Sicherheit und Schutzbereiche bei der Außenaufstellung nach DIN EN 378. Wichtig für die Praxis: R290 ist kein F-Gas — die Zertifizierungspflichten der F-Gase-Verordnung greifen nicht, wohl aber die Schulungspflichten für brennbare Kältemittel. Die hohe kritische Temperatur (96,7 °C) macht R290 zudem ideal für Vorlauftemperaturen bis 70 °C und mehr.

Der Ölkreislauf: das mitreisende Schmiermittel

Das Verdichteröl zirkuliert unvermeidlich in kleinen Mengen mit dem Kältemittel. Damit es zuverlässig zum Verdichter zurückkehrt, müssen Öl und Kältemittel aufeinander abgestimmt sein (Mischbarkeit, Viskosität — üblich sind Ester-Öle/POE) und die Rohrleitungen mit ausreichender Strömungsgeschwindigkeit verlegt werden; bei größeren Anlagen helfen Ölabscheider hinter dem Verdichter. Sammelt sich Öl im Verdampfer, verschlechtert es den Wärmeübergang und gefährdet langfristig den Verdichter — ein klassisches Thema bei langen Leitungswegen von Splitanlagen und ein Grund, Montagevorgaben des Herstellers (Leitungslängen, Höhendifferenzen, Ölhebebögen) strikt einzuhalten.

Fazit: Ein Kreis, vier Bauteile, klare Diagnoselogik

Der Kältekreislauf ist kein Mysterium: Verdampfen bei niedrigem Druck, Verdichten mit Strom, Verflüssigen bei hohem Druck, Entspannen — und die Heizwärme ist die Summe aus Umweltwärme und Verdichterarbeit. Wer das log-p-h-Diagramm lesen kann und Überhitzung wie Unterkühlung zu deuten weiß, erkennt Auslegungs- und Servicefehler, bevor sie teuer werden. Und bei der Kältemittelwahl hat die Regulierung die Richtung vorgegeben: Propan (R290) ist im Kleinleistungsbereich die Zukunft — effizient, günstig im GWP, aber mit Respekt vor der Brennbarkeit zu planen.

Häufige Fragen zum Kältekreislauf

Warum braucht der Verdichter überhitzten Dampf?

Weil Flüssigkeit inkompressibel ist: Gelangen Tropfen in den Verdichtungsraum, drohen Flüssigkeitsschläge und mechanische Zerstörung. Die Überhitzung von einigen Kelvin ist die Sicherheitsmarge, die das elektronische Expansionsventil permanent ausregelt.

Was passiert beim Abtauen einer Luft-Wärmepumpe?

Unterhalb von etwa +5 °C Außentemperatur vereist der Verdampfer allmählich. Zum Abtauen kehrt ein 4-Wege-Ventil den Kreislauf kurzzeitig um: Der Außenwärmeübertrager wird zum Verflüssiger und taut mit Wärme aus dem Heizsystem ab. Das kostet wenige Prozent Jahreseffizienz und ist normal — auffällig häufiges Abtauen dagegen ist ein Servicefall.

Ist Propan in der Wärmepumpe gefährlich?

Die Füllmengen sind klein (bei Einfamilienhaus-Monoblocks häufig unter 1 kg) und die Geräte sind konstruktiv abgesichert; bei Außenaufstellung gelten Schutzbereiche nach DIN EN 378, in denen Zündquellen, Fenster und Kellerschächte tabu sind. Korrekt geplant und montiert gilt R290 als sicher beherrschbar — entscheidend ist die Einhaltung der Herstellervorgaben.

Stand: 3. Juli 2026. Regelwerke und Grundlagen: DIN EN 14511, DIN EN 378, ISO 817, F-Gase-Verordnung (EU) 2024/573. Stoffdaten gerundete Richtwerte.