Die „Heimat“ der Wärmepumpe in der Physik ist die Thermodynamik, die Lehre über Energieumwandlung und Wärmeströme. Vor allem drei physikalische Prinzipien sind zum Verständnis einer Wärmepumpe grundlegend: Alltägliche Erfahrung ist, heißer Kaffee wird mit der Zeit kälter und gekühlte Getränke wärmer. Beide Temperaturen gleichen sich an die Raumtemperatur an und es entsteht ein Wärmestrom. Dieser fließt selbstständig nur von einem höheren zu einem tieferen Temperaturniveau. Um Wärme gegen die natürliche Richtung fließen zu lassen, muss eine Pumpe arbeiten. Wärme verhält sich hier wie Wasser, das selbstständig bergab fließt, bergauf aber gepumpt werden muss.

Zweitens liegt die Siedetemperatur von Flüssigkeiten bei niedrigerem Druck tiefer als bei hohem Druck. Im Hochgebirge siedet Wasser bei niedrigeren Temperaturen als auf Meereshöhe. Drittens erfordert ein Verdampfungsprozess Energie, die bei einer Kondensation wieder frei wird. Führt man in einem kreisförmigen Prozess, z. B. in einer Wärmepumpe, zuerst eine Verdampfung und dann eine Kondensation durch, hat man Wärme transportiert. Abb. 2 zeigt den Kreisprozess in einer Kompressions- Wärmepumpe. In einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert ein Kältemittel (Kohlenwasserstoffe, z. B. Propan oder Fluorkohlenwasserstoffe, z. B. R 134 a).

Wichtigste Eigenschaft von Kältemitteln ist, dass sie auch bei niedrigen Temperaturen leicht verdampfen. Durch Expansion sinkt die Temperatur des Kältemittels unter das Niveau der Umgebungswärme ab. Diese Temperaturdifferenz zwischen z. B. oberflächennahen Erdschichten und dem Kältemittel ermöglicht einen Wärmestrom zum Verdampfer. Anschließend wird der Kältemitteldampf vom Verdichter angesaugt und komprimiert. Durch diese Druckerhöhung wird die Temperatur des Kältemittels über das Niveau der Hausheizung angehoben. Am Verflüssiger liegt wieder eine Temperaturdifferenz vor und es kommt zu einem Wärmestrom zur Heizung. Das unter Hochdruck stehende Kältemittel kühlt wieder ab, kondensiert und wird über ein Drosselventil entspannt. Anschließend beginnt der Kreisprozess, d. h. verdampfen – verdichten – verflüssigen – entspannen, von Neuem.

Entscheidend für die Effizienz einer Wärmepumpe ist die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Heizung. Je geringer sie ausfällt, um so bessere Leistungen werden ermöglicht (Abb. 3). Bei einer Wärmepumpenheizung sind dabei die winterlichen Klimabedingungen ausschlaggebend. Von Vorteil sind demnach Wärmequellen, die im Winter über möglichst hohe Temperaturen verfügen, und Heizungssysteme, die mit möglichst niedrigen Temperaturen arbeiten.