Das Wichtigste in Kürze
- Die Thermodynamik erklärt, warum eine Wärmepumpe mehr Wärme liefert, als sie an Strom verbraucht, und warum es dabei physikalische Grenzen gibt.
- Der Zweite Hauptsatz setzt mit dem Carnot-Wirkungsgrad eine theoretische Obergrenze für jede Wärmepumpe.
- Reale Wärmepumpen erreichen laut Praxisdaten des Umweltbundesamts nur einen Teil dieser Carnot-Grenze.
- Die Jahresarbeitszahl (JAZ) liegt bei Luft-Wärmepumpen im Neubau im Feldtest bei 2,6 bis 3,3, im Altbau bei 2,4 bis 3,1.
- Für die KfW-Förderung (BEG, gültig ab 21.07.2026) gilt weiterhin eine Grundförderung von 30 %, an eine ausreichende Anlageneffizienz gekoppelt.
- Je niedriger die Vorlauftemperatur, desto näher rückt der reale COP an die Carnot-Grenze heran.
Letzte Aktualisierung: 15. Juli 2026
Was ist Thermodynamik bei Wärmepumpen?
Thermodynamik ist die Lehre von Wärme, Arbeit und Energieumwandlung. Bei Wärmepumpen erklärt sie, wie elektrische Arbeit Umweltwärme auf ein nutzbares Temperaturniveau hebt. Vier Hauptsätze bilden das physikalische Grundgerüst jeder Wärmepumpe und bestimmen, wie viel Heizwärme aus einer bestimmten Menge Strom maximal gewinnbar ist. Zentrale Größen sind die Entropie (ein Maß für die Unordnung eines Systems) und die Enthalpie (der Wärmeinhalt eines Stoffes bei konstantem Druck).
Der Kältekreislauf einer Wärmepumpe durchläuft vier Schritte: Verdampfung, Verdichtung, Verflüssigung und Expansion. In jedem dieser Schritte wirken thermodynamische Gesetze, die den Energiefluss und die erreichbare Effizienz festlegen. Wer diese Grundprinzipien versteht, erkennt auch, warum eine Wärmepumpe mit niedriger Vorlauftemperatur effizienter arbeitet als eine mit hoher Vorlauftemperatur.
Was besagt der Nullte Hauptsatz der Thermodynamik?
Der Nullte Hauptsatz besagt, dass zwei Systeme, die jeweils mit einem dritten System im thermischen Gleichgewicht stehen, auch untereinander im Gleichgewicht stehen. Er begründet damit erst die Möglichkeit, Temperatur überhaupt eindeutig zu messen. Ohne diesen Satz wäre ein Thermometer kein verlässliches Messinstrument.
Für eine Wärmepumpe bedeutet das praktisch: Ein Temperaturfühler an der Vorlaufleitung zeigt eine verlässliche, reproduzierbare Temperatur an, weil das Messprinzip auf dieser transitiven Beziehung beruht. Diese Messgenauigkeit ist die Voraussetzung dafür, dass sich der Carnot-Wirkungsgrad und der reale Betriebspunkt einer Anlage überhaupt berechnen lassen.
Was besagt der Erste Hauptsatz (Energieerhaltung)?
Der Erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt: Energie geht nicht verloren, sondern wird nur zwischen Formen wie Wärme und Arbeit umgewandelt. Für eine Wärmepumpe folgt daraus die zentrale Energiebilanz — die abgegebene Heizwärme entspricht der Summe aus der kostenlos aus der Umwelt entzogenen Wärme und der zugeführten elektrischen Arbeit.
Q_Heizung = Q_Quelle + W_elektrisch
Ein Beispiel verdeutlicht die Größenordnung: Nimmt eine Wärmepumpe 3 kWh Umweltwärme aus der Luft auf und wird dafür mit 1 kWh Strom betrieben, entstehen 4 kWh Heizwärme. Die innere Energie ist dabei eine Zustandsgröße — sie hängt nur vom aktuellen Zustand des Kältemittels ab, nicht vom Weg, auf dem dieser Zustand erreicht wurde. Wärme und Arbeit sind dagegen Prozessgrößen, die vom konkreten Ablauf im Kältekreislauf abhängen.
Was besagt der Zweite Hauptsatz und warum begrenzt er die Effizienz?
Der Zweite Hauptsatz besagt: Wärme fließt nicht von selbst von einem kälteren zu einem wärmeren Körper — dafür muss Arbeit von außen zugeführt werden. Genau das leistet der Kompressor einer Wärmepumpe. Gleichzeitig begrenzt dieses Gesetz über die Entropie die maximal erreichbare Effizienz jeder Wärmepumpe.
Aus dem Zweiten Hauptsatz leitet sich der Carnot-Wirkungsgrad ab: die theoretische Obergrenze, die eine ideale, reversible Wärmepumpe zwischen zwei Temperaturniveaus erreichen könnte. Je größer der Temperaturunterschied zwischen der Wärmequelle (etwa der Außenluft) und dem Heizkreis, desto niedriger fällt diese Obergrenze aus. Reale Anlagen bleiben stets darunter, weil jeder tatsächliche Prozess irreversibel ist und Entropie erzeugt — etwa durch Reibung im Kompressor oder Strömungsverluste im Kältekreislauf.
Was besagt der Dritte Hauptsatz der Thermodynamik?
Der Dritte Hauptsatz besagt: Der absolute Nullpunkt von 0 Kelvin ist durch keinen endlichen Prozess exakt erreichbar. Für Wärmepumpen hat dieser Satz vor allem eine indirekte praktische Relevanz — er begründet, warum sich Verdampfertemperaturen nur bis zu einer bestimmten technischen Grenze absenken lassen, ohne dass der Energieaufwand unverhältnismäßig steigt.
In der Praxis spielt dieser Hauptsatz für den Betrieb einer haustechnischen Wärmepumpe eine untergeordnete Rolle im Vergleich zum Ersten und Zweiten Hauptsatz. Er ist vor allem in der Tieftemperaturphysik und industriellen Gasverflüssigung relevant, etwa wenn Luft mithilfe des Joule-Thomson-Effekts in mehreren Stufen auf sehr tiefe Temperaturen gebracht wird.
Wie wird der Carnot-Wirkungsgrad berechnet?
Der Carnot-Wirkungsgrad einer Wärmepumpe berechnet sich aus dem Verhältnis der hohen Temperatur zur Temperaturdifferenz zwischen warmem und kaltem Reservoir, jeweils in Kelvin gemessen. Die Formel liefert den theoretisch maximal möglichen COP-Wert — real erreichbare Anlagen bleiben immer darunter.
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COP_Carnot = T_hoch ÷ (T_hoch − T_niedrig)
Ein Rechenbeispiel für eine Luft-Wasser-Wärmepumpe im Winter: Bei einer Vorlauftemperatur von 35 °C (308 Kelvin) und einer Außentemperatur von −7 °C (266 Kelvin) ergibt sich ein Carnot-COP von 308 ÷ (308 − 266) = 7,3. Bei einer Vorlauftemperatur von 70 °C unter sonst gleichen Bedingungen sinkt der theoretische Carnot-COP auf 343 ÷ (343 − 266) = 4,5. Eine niedrigere Vorlauftemperatur erhöht den thermodynamisch möglichen Effizienzrahmen erheblich.
Wie unterscheidet sich der reale COP vom theoretischen Carnot-COP?
Der reale COP einer Wärmepumpe liegt immer unter dem theoretischen Carnot-COP, weil reale Prozesse irreversibel sind und Energie durch Reibung, Wärmeverluste und Regelungsaufwand dissipieren. Das Umweltbundesamt dokumentiert diese Lücke anhand von Felddaten aus deutschen Bestandsgebäuden.
- Luft-Wärmepumpen erreichten in Feldtests in Neubauten mittlere Jahresarbeitszahlen von 2,6 bis 3,3.
- In Altbauten lagen die gemessenen Werte bei 2,4 bis 3,1.
- Erdwärme-Wärmepumpen erzielten in Neubauten bessere Werte von 3,2 bis 4,3, in Einzelfällen bis 5,4.
- Eine vom Umweltbundesamt dokumentierte Sanierung zeigte nach der Umstellung auf eine Luft-Wasser-Wärmepumpe mit natürlichem Kältemittel deutlich verbesserte Effizienzwerte im laufenden Betrieb.
Diese Praxiswerte liegen deutlich unter den zuvor berechneten Carnot-COP-Werten von 4,5 bis 7,3. Das belegt: Der Zweite Hauptsatz setzt in der Praxis eine harte Grenze, die durch Bauteilverluste zusätzlich verschärft wird.
Wie berechnet man den COP einer Wärmepumpe?
Der COP (Coefficient of Performance) einer Wärmepumpe berechnet sich, indem die abgegebene Heizleistung durch die aufgenommene elektrische Leistung geteilt wird. Er beschreibt die Momentaneffizienz an einem bestimmten Betriebspunkt, gemessen unter Labor-Normbedingungen nach EN 14511.
COP = Q_Heizung ÷ W_elektrisch
Ein Beispiel: Gibt eine Wärmepumpe 12 kW Heizleistung ab und benötigt dafür 3 kW elektrische Leistung, ergibt sich ein COP von 12 ÷ 3 = 4,0. Für jede eingesetzte Kilowattstunde Strom kommen also drei Kilowattstunden kostenlose Umweltwärme hinzu. Der COP wird bei festen Prüfbedingungen wie A7/W35 (7 °C Außenluft, 35 °C Vorlauf) ermittelt und ist deshalb ein Vergleichswert zwischen Herstellern, aber kein verlässlicher Praxiswert für ein konkretes Gebäude.
Was ist der Unterschied zwischen COP, SCOP und JAZ?
COP, SCOP und JAZ messen alle die Effizienz einer Wärmepumpe, unterscheiden sich aber grundlegend in Messmethode, Zeitraum und Praxisnähe. Der COP ist ein einzelner Labor-Messpunkt, der SCOP eine normierte Saisonrechnung, und die JAZ ein über zwölf Monate real gemessener Durchschnittswert.
Kennzahl | Messmethode | Zeitraum | Praxisnähe |
COP | Labor, fester Betriebspunkt (EN 14511) | Momentaufnahme | Herstellervergleich, keine Praxisaussage |
SCOP | Normierte Berechnung über Klimazone (EN 14825) | Rechnerische Saison | Näher an Praxis, aber weiterhin Norm-basiert |
JAZ | Messung mit Wärmemengenzähler + Stromzähler | 12 Monate Realbetrieb | Direkter Bezug zum tatsächlichen Gebäude |
Laut Umweltbundesamt gibt die Jahresarbeitszahl "das Verhältnis der im Laufe eines Jahres abgegebenen Wärmemenge bezogen auf die eingesetzte elektrische Energie... für den Antrieb einer Wärmepumpe einschließlich Verdichter" an. Der COP fällt daher fast immer höher aus als die reale JAZ derselben Anlage, weil Teillastbetrieb, Abtauzyklen und Hilfsstromverbrauch im Labor-COP nicht erfasst werden.
Welche JAZ-Mindestwerte verlangt die BEG-Förderung 2026?
Für die KfW-Heizungsförderung nach der Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) ist eine ausreichende Anlageneffizienz Voraussetzung. Die Grundförderung von 30 % bleibt auch nach den Anpassungen zum 21.07.2026 unverändert bestehen. Das Umweltbundesamt empfiehlt für einen wirtschaftlichen Betrieb einen Zielwert der Jahresarbeitszahl von 4,0 oder höher, wobei die Bundesförderung bereits bei geringeren, aber technisch definierten Mindestwerten greift.
Thermodynamisch ist diese Kopplung folgerichtig: Nur eine Anlage mit ausreichend geringer Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Vorlauf erreicht eine JAZ, die den Zweiten Hauptsatz effizient ausnutzt statt ihn nur knapp zu erfüllen. Ab dem 21.07.2026 gelten außerdem neue Höchstbeträge für die förderfähigen Kosten: 28.000 € für die erste Wohneinheit statt bisher 30.000 €, während der bisherige Effizienzbonus von 5 % entfällt. Details zu allen Fördersätzen und Bonusregelungen fasst die KfW-Förderung 2026 zusammen.
Was ist der Joule-Thomson-Effekt im Kältekreislauf?
Der Joule-Thomson-Effekt beschreibt die Temperaturänderung eines realen Gases bei der Drosselung durch eine Engstelle, ohne dass dabei Arbeit verrichtet wird. Im Kältekreislauf einer Wärmepumpe nutzt das Expansionsventil genau diesen Effekt, um das Kältemittel abzukühlen, damit es im Verdampfer Wärme aus der kalten Umgebung aufnehmen kann.
Physikalisch beruht der Effekt auf molekularen Anziehungskräften: Bei der Expansion vergrößert sich der Abstand zwischen den Gasmolekülen, wofür Energie gegen diese Anziehungskräfte aufgewendet werden muss — diese Energie stammt aus der kinetischen Energie der Moleküle, wodurch die Temperatur sinkt. Ob ein Gas beim Entspannen kälter oder wärmer wird, hängt von seiner Inversionstemperatur ab: Liegt die Betriebstemperatur deutlich unter der Inversionstemperatur des jeweiligen Kältemittels, tritt Kühlung ein. Gängige Kältemittel wie R290 oder R32 haben Inversionstemperaturen weit über Raumtemperatur, sodass der gewünschte Kühleffekt zuverlässig eintritt.
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Welche Rolle spielt die Gibbs-Energie beim Phasenwechsel des Kältemittels?
Die Gibbs-Energie (freie Enthalpie) entscheidet, ob ein Phasenwechsel des Kältemittels — etwa von flüssig zu gasförmig im Verdampfer — bei gegebener Temperatur und gegebenem Druck spontan abläuft oder nicht. Sie verknüpft die Enthalpie-Änderung mit der Entropie-Änderung, gewichtet mit der absoluten Temperatur.
ΔG = ΔH − T · ΔS
Ist die Gibbs-Energie eines Prozesses negativ, läuft er ohne zusätzliche Energiezufuhr freiwillig ab (exergonisch) — das ist bei der Verdampfung des Kältemittels im Verdampfer der Fall, solange die Temperatur der Wärmequelle ausreicht. Ist die Gibbs-Energie positiv, muss Energie zugeführt werden (endergonisch) — genau deshalb erhöht der Kompressor den Druck des Kältemittels vor der Verflüssigung, damit die Kondensation bei der gewünschten Vorlauftemperatur überhaupt stattfinden kann.
Welchen Einfluss hat die Vorlauftemperatur auf COP und JAZ?
Die Vorlauftemperatur beeinflusst COP und JAZ direkt, weil sie die Temperaturdifferenz zum kalten Reservoir bestimmt, die nach dem Zweiten Hauptsatz die Effizienzobergrenze setzt. Je niedriger die Vorlauftemperatur, desto kleiner die Temperaturdifferenz und desto höher die erreichbare Effizienz.
- Eine niedrige Vorlauftemperatur (z. B. bei Fußbodenheizung) verkleinert die Temperaturdifferenz zur Wärmequelle und erhöht damit den Carnot-COP und den real erreichbaren COP.
- Eine hohe Vorlauftemperatur (z. B. bei unsanierten Altbau-Radiatoren) vergrößert die Temperaturdifferenz und senkt den erreichbaren COP entsprechend.
- Laut Umweltbundesamt lässt sich selbst in einer stundenaufgelösten Simulation unter Standard-Bestandsgebäude-Bedingungen (Vor-/Rücklauf 55/45 °C) eine JAZ von etwa 3,0 mit einer Standard-Wärmepumpe erreichen.
- In einem weiteren vom Umweltbundesamt modellierten Fall sinkt die JAZ auf 2,4, wenn Heizkörper unterdimensioniert sind und die Vorlauftemperatur auf 70 °C steigt.
Wer die Vorlauftemperatur senken möchte, findet konkrete Richtwerte nach Baujahr und Heizkörpertyp in der Anleitung zur richtigen Vorlauftemperatur.
Welche Kältemittel-Eigenschaften sind thermodynamisch relevant?
Kältemittel unterscheiden sich in Verdampfungstemperatur, Inversionstemperatur und Treibhauspotenzial — all diese Eigenschaften beeinflussen direkt die erreichbare Effizienz und Zulässigkeit einer Wärmepumpe. Diese drei Kältemittel sind aktuell am Markt am relevantesten:
Kältemittel | Typ | Thermodynamische Eigenschaft |
R290 (Propan) | Natürlich, brennbar (A3) | Sehr niedrige Verdampfungstemperatur, hohe Inversionstemperatur — gute Kühlleistung bei Expansion |
R32 | Synthetisch, schwach brennbar (A2L) | Niedrige Verdampfungstemperatur, gute Effizienzcharakteristik, wird ab 2027 für neue Wärmepumpen verboten |
R410A | Synthetisch, nicht brennbar | Hohes Treibhauspotenzial, wird durch die EU-F-Gase-Verordnung schrittweise verboten |
Wer sich für die Zukunftsfähigkeit einer Anlage interessiert, findet Details zum anstehenden Kältemittelwechsel im Beitrag R32-Verbot 2027 und Alternativen.
Wie lässt sich die JAZ einer bestehenden Anlage verbessern?
Die JAZ einer bestehenden Anlage lässt sich verbessern, indem die Temperaturdifferenz im Kältekreislauf reduziert und Nebenverluste minimiert werden — beide Stellschrauben wirken über den Zweiten Hauptsatz direkt auf die Effizienzobergrenze. Folgende Maßnahmen sind thermodynamisch begründet wirksam:
- Vorlauftemperatur senken — verkleinert die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Heizkreis und erhöht dadurch den erreichbaren COP.
- Hydraulischer Abgleich — optimiert die Volumenströme im Heizsystem und reduziert unnötige Temperaturspreizungen an den Heizkörpern.
- Pufferspeicher einsetzen — reduziert häufiges Takten des Kompressors, wodurch weniger Energie durch Anlaufvorgänge verloren geht.
- Abtauzyklen minimieren — regelmäßige Wartung des Verdampfers verhindert übermäßige Vereisung und damit zusätzlichen Energieaufwand.
Wer den hydraulischen Abgleich noch nicht durchgeführt hat, findet Kosten und Ablauf im Beitrag zum hydraulischen Abgleich, Details zur Pufferspeicher-Dimensionierung im Beitrag zum Pufferspeicher und praxisnahe Berechnungsgrundlagen zur eigenen JAZ im Beitrag zur Jahresarbeitszahl. Wie sich die tatsächlich erreichbare Effizienz insgesamt einordnen lässt, zeigt der Beitrag zum Wärmepumpen-Wirkungsgrad in der Praxis.
FAQ
Häufige Fragen
Was ist der Unterschied zwischen COP und JAZ?
Der COP ist ein einzelner, unter Labor-Normbedingungen gemessener Effizienzwert an einem festen Betriebspunkt, während die JAZ der über zwölf Monate real gemessene Durchschnittswert eines konkreten Gebäudes ist. Die JAZ berücksichtigt Teillastbetrieb, Abtauzyklen und Hilfsstromverbrauch, die im Labor-COP fehlen, und liegt deshalb in der Praxis meist niedriger als der angegebene COP.
Warum ist der reale COP immer niedriger als der Carnot-COP?
Der reale COP liegt immer unter dem Carnot-COP, weil der Carnot-Wirkungsgrad nur für einen idealen, reversiblen Prozess ohne jegliche Verluste gilt. Reale Wärmepumpen erzeugen durch Reibung im Kompressor, Strömungswiderstände und Wärmeübergangsverluste zusätzliche Entropie, was der Zweite Hauptsatz zwingend vorschreibt und die erreichbare Effizienz entsprechend mindert.
Welche JAZ braucht man für die KfW-Förderung 2026?
Die BEG-Heizungsförderung setzt eine ausreichende Anlageneffizienz als Fördervoraussetzung voraus; die Grundförderung liegt seit dem 21.07.2026 unverändert bei **30 %** der förderfähigen Kosten. Details zu den konkreten technischen Mindestanforderungen und allen Bonusregelungen ab diesem Stichtag liefert die KfW-Quelle sowie der verlinkte Förderungsüberblick.
Was bedeutet SCOP im Unterschied zu COP?
Der SCOP (Seasonal Coefficient of Performance) ist ein nach europäischer Norm (EN 14825) berechneter, klimazonengewichteter Effizienzwert über eine ganze Heizsaison, während der COP nur einen einzelnen Momentanwert unter Laborbedingungen darstellt. Der SCOP bildet die Grundlage für die EU-Energieeffizienzklasse auf dem Typenschild und liegt näher an der Praxis als der reine COP, bleibt aber weiterhin eine Normberechnung statt einer realen Messung im Gebäude.
Quellen
- KfW — Anpassungen der Bundesförderung für effiziente Gebäude 2026
- Umweltbundesamt — Umgebungswärme und Wärmepumpen
- Umweltbundesamt — Jahresarbeitszahl (Glossar)
- Umweltbundesamt — Wärmepumpensysteme in Bestandsgebäuden (Climate Change 11/2024)
- Umweltbundesamt — Luft-Wasser-Wärmepumpe mit natürlichem Kältemittel für Familie aus NRW
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