Geschäftsfeld Wärmepumpe: Neue Technik, neue Möglichkeiten

Der aktuelle Stand der Technik bei Wärmepumpen ist sehr fortgeschritten, vor allem hinsichtlich der Effizienz. Üblich sind leistungsgeregelte Wärmepumpen für alle möglichen Wärmequellen und ein großes Angebot von Wärmepumpen mit A2L-Kältemitteln mit niedrigerem Global Warming Potential (GWP) sowie zunehmend Wärmepumpen mit Propan (R290) für die Außenaufstellung (das sind im Wesentlichen Luft/Wasser-Wärmepumpen). Sole/Wasser-Wärmepumpen mit Propan zur Außenaufstellung gibt es bisher nur sehr wenige auf dem Markt.

Ein besonders wichtiger Faktor, die Schallemissionen, steht bei den Herstellern ganz oben auf der Tagesordnung. Luft/Wasser-Wärmepumpen sind in den letzten Jahren immer leiser geworden.

Was ist eine Hochtemperatur-­Wärmepumpe?

Ein weiteres Entwicklungsziel sind höhere Vorlauftemperaturen für die Heizung im Bestand und die Trinkwassererwärmung, die über verschiedene Wege erzeugt werden können. Unter dem Begriff Hochtemperatur-­Wärmepumpe versteht man zwei unterschiedliche Dinge.

• Zum einen eine Wärmepumpe, die hohe Temperaturen erzeugen kann,
• zum anderen eine, die hohe Quellentemperaturen nutzen kann.

Zur Erzeugung hoher Temperaturen für Raumheizung oder Trinkwassererwärmung oder für die industrielle Nutzung kommen verschiedene Technologien zum Einsatz: Hochtemperatur-Wärmepumpen …

• mit Heißgasladetechnik,
• mit zweistufigem Kreisprozess oder
• mit CO₂ als Kältemittel.

Können herkömmliche Wärmepumpen lediglich Temperaturen von 62 bis 70 °C erzeugen, sind mit diesen Technologien auch Temperaturen oberhalb von 80°C möglich.

Hochtemperatur-Wärmepumpe mit Heißgas

Wärmepumpen mit Heißgasladetechnik werden überwiegend zur Erzeugung hoher Temperaturen für die Trinkwassererwärmung genutzt. Mit der Heißgasladetechnik kann die Wärmepumpe für die Raumheizung niedrige Temperaturen von beispielsweise 35°C bereitstellen. Gleichzeitig wird der obere Speicherbereich des Warmwasserspeichers auf 60°C erwärmt, ohne dass die Leistungszahl (COP) der Wärmepumpe beeinträchtigt wird.

Hierzu erfolgt eine gesonderte Nutzung des Heißgases. Darunter versteht man dampfförmiges, bereits verdichtetes Kältemittel, das bereits in Nähe des Verdichters abgeschieden und durch einen zusätzlichen Wärmeübertrager geleitet wird. Das Heißgas ist etwa 20 K wärmer als der Kältemitteldampf, der normalerweise in den Verflüssiger gelangt. Über den zusätzlichen Wärmeübertrager wird üblicherweise der obere Speicherbereich eines Warmwasserspeichers erhitzt. Man spricht hier von der sogenannten Topladung.

Hochtemperatur-Wärmepumpe mit zweistufigem Kreisprozess

Eine weitere Technik zur Erzeugung hoher Temperaturen mit Wärmepumpen ist der Einsatz eines zweistufigen Kreisprozesses. Zwei hintereinandergeschaltete Kreisprozesse werden meist mit unterschiedlichen Kältemitteln betrieben, die für die jeweilige Temperatur besonders geeignete Eigenschaften auf­weisen.

Einen zweistufigen Kreisprozess kann man sich auch als zwei hintereinandergeschaltete Wärmepumpen vorstellen. Der Kondensator der ersten Stufe entspricht dabei dem Verdampfer der zweiten Stufe. Die von der ersten Stufe erzeugte Temperatur von z.B. 45°C ist also die Eingangstemperatur des nachgeschalteten Wärmepumpenmoduls. Die zweite Stufe hebt dann über einen weiteren Kreis­prozess das Temperaturniveau weiter an.

Eine derartige Hochtemperatur-Wärmepumpe kann Heizwassertemperaturen von 80 bis 90°C erzeugen und wird teilweise auch in Fernwärmenetzen eingesetzt.

Hochtemperatur-Wärmepumpe mit CO₂ als Kältemittel

Wärmepumpen mit CO₂ (R744) als Kältemittel arbeiten nach einem Kälteprozess im trans­kritischen Bereich. Dadurch sind Vorlauftemperaturen bis 90°C bei relativ hohen Leistungs- und Arbeitszahlen möglich. Es können bei einer Vorlauftemperatur von 80°C noch Leistungszahlen über 3,5 erreicht werden. Dies stellt einen Sprung für die Anwendung im gewerblichen Bereich, aber auch im Bereich der Heizungstechnik dar, z.B. bei Heizungssystemen, die höhere Vorlauftemperaturen benötigen.

Da bei dieser Technologie für eine hohe Effizienz auch hohe Temperaturhübe notwendig sind, ist der Einsatz etwas eingeschränkt. Bei Heizungswärmepumpen ist die Marktrelevanz von Geräten mit CO₂ als Kältemittel in Deutschland derzeit äußerst gering. Auf dem japanischen Markt sind Geräte zur Trinkwassererwärmung gebräuchlich.

Hochtemperatur-Wärmepumpe mit hohen Quellentemperaturen

Neben Hochtemperatur-Wärmepumpen, die hohe Heiz- und Warmwassertemperaturen erzeugen, gibt es auch Wärmepumpen, die hohe Quellentemperaturen nutzbar machen können. Mit herkömmlichen Kältemitteln können Quellentemperaturen oberhalb von etwa 40°C nicht effizient genutzt werden. Um beispielsweise industrielle Abwärme mit Temperaturen von über 70°C sinnvoll nutzen zu können, wurden Hochtemperatur-Wärmepumpen mit speziellen Kältemitteln entwickelt.

Kühlung über Wärmepumpen

Eine günstige Lösung bei der Kühlung von Wohngebäuden kann eine Wärmepumpe sein. Diese ist das einzige Heizgerät, mit dem auch gekühlt werden kann. Behagliche Temperaturen können mit Wärmepumpen also nicht nur an kalten, sondern auch an heißen Tagen erreicht werden. Sie können abhängig vom Bedarf Umweltwärme aus dem Erdreich, dem Grundwasser oder der Luft ins Gebäude bringen oder die überschüssige Raumwärme abführen.

Grundsätzlich werden zwei unterschiedliche Methoden der Kühlung mit Wärmepumpen unterschieden: die aktive Kühlung, bei welcher der Verdichter der Wärmepumpe in Betrieb ist, und die passive Kühlung, bei der die Wärmequelle direkt genutzt wird. Bei Letzterer können nur Wärmequellen mit einer relativ niedrigen Temperatur genutzt werden – also Erdreich und Grundwasser. Im Fall der aktiven Kühlung muss der Kältekreis der Wärmepumpe umkehrbar sein. Möglich ist dies mit sämtlichen Wärmequellen.

Passive Kühlung

Das Erdreich hat in Tiefen von mehr als 8 m ganzjährig eine Temperatur von etwa 9 bis 10°C. Damit ist es nicht nur während der Heizperiode eine sehr gute Wärmequelle, sondern auch im Sommer eine ausgezeichnete „Kältequelle“. Ähnlich verhält es sich mit dem Grundwasser, dessen Temperatur im Sommer ebenfalls deutlich unter den gewünschten Raumtemperaturen liegt. Mit diesen Quellen kann im Sommer auf einfache Art direkt für die Kühlung der Gebäude gesorgt werden.

Notwendig ist dafür ein zusätzlicher Plattenwärmeübertrager. Über diesen wird die Wärme, die den Räumen über die Heiz- beziehungsweise Kühlflächen entzogen wurde, auf den Quellenkreislauf übertragen. Sie wird anschließend über die Erdwärmesonde oder den Schluckbrunnen an das Erdreich bzw. das Grundwasser abgegeben. Mit Soletemperaturen von 15°C können Kaltwassertemperaturen von etwa 17°C erreicht werden.

Aufgrund der geringen Temperaturdifferenzen bei der Kühlung sind größere Massenströme notwendig als bei der Heizung. Da der Verdichter der Wärmepumpe nicht in Betrieb ist, wird von passiver oder direkter Kühlung oder „natural cooling“ gesprochen.

Die passive Kühlung ist eine sehr preiswerte und umweltfreundliche Art der Kühlung. Im Kühlbetrieb muss nur der Strombedarf für die Sole- und die Umwälzpumpe aufgewendet werden. Notwendig ist neben dem zusätzlichen Plattenwärmeübertrager noch ein soleseitiges Umschaltventil. Bei Sole/Wasser-Wärmepumpen mit Erdsonden ist die passive Kühlung meist ausreichend, um Wohnräume auf behagliche Temperaturen zu kühlen.

Andernfalls besteht die Möglichkeit der energieintensiveren aktiven Kühlung. Möglicherweise genügt aber auch eine „Ankühlung“, also eine Kühlung, die unter bestimmten Randbedingungen nicht die gesamte erforderliche Kühlleistung zur Verfügung stellt.

Aktive Kühlung

Luft/Wasser-Wärmepumpen nutzen die Außenluft als Wärmequelle. Da die Außenlufttemperatur im Sommer über der erforderlichen Kühltemperatur liegt, ist nur die aktive Kühlung über den umkehrbaren Kältekreislauf möglich. Es gibt ebenfalls Sole/Wasser- und Wasser/Wasser-Wärmepumpen, mit denen aktiv gekühlt werden kann.

Im Kühlfall wird der Kältekreislauf der Wärmepumpe so umgekehrt, dass Wärmequelle und Wärmesenke getauscht werden. Die Umschaltung zwischen Heiz- und Kühlbetrieb kann außerhalb der Wärmepumpe erfolgen oder über ein 4-Wege-Umschaltventil im Kältekreislauf.

Letzteres ist bei Luft/Wasser-Wärmepumpen üblich. Der Verdichter arbeitet unverändert, das Ventil dreht die Flussrichtung des Kältemittels um: der Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager wird dann zum Verflüssiger, der Kältemittel-Wasser-Wärmeübertrager zum Verdampfer. So erfolgt eine Abkühlung des zirkulierenden Heizkreiswassers. Die den Räumen entzogene Wärme kann entweder abgeführt (in die Sonden oder an die Außenluft) oder auch z.B. zur Trinkwassererwärmung genutzt werden.

Kältemittel in Wärmepumpen

Die meisten derzeit in Wärmepumpen eingesetzten Kältemittel haben eine mehr oder weniger hohe klimaschädliche Wirkung, falls sie in die Atmosphäre gelangen. Üblicherweise wird diese nicht entfaltet, da das Kältemittel im geschlossenen Kältekreis bleibt. 

Wärmepumpen haben eine Kältemittelfüllung, die nicht ersetzt werden muss. Das Kältemittel wird nicht verbraucht, es transportiert nur Wärme und altert dabei nicht. Die Kältekreisläufe der Wärmepumpen sind grundsätzlich dicht und das Kältemittel entweicht ebenso wenig wie bei einem Kühlschrank. Aufwendige Prüfverfahren bei der Produktion stellen dies sicher. In Abhängigkeit von der Füllmenge schreibt die F-Gase-Verordnung regelmäßige Dichtigkeitsüberprüfungen vor.

Welche Arten von Kältemitteln gibt es?

Für elektrisch betriebene Wärmepumpen können synthetische und sogenannte „natürliche Kältemittel“ verwendet werden. Zur Gruppe der synthetischen Kältemittel gehören nicht chlorierte Fluorkohlenwasserstoffe (HFKW) und Hydrofluorolefine (HFO). Zu den „natürlichen Kältemitteln“ zählen beispielsweise CO₂, Ammoniak und Propan.

Derzeit werden in Wärmepumpen überwiegend HFKW als Kältemittel eingesetzt. Diese tragen im Gegensatz zu den seit Langem in Europa verbotenen HFCKW nicht zum Abbau der Ozonschicht bei. Die heute am häufigsten eingesetzten HFKW sind weder brennbar noch toxisch, man spricht auch von Sicherheitskältemitteln, da sie nach ISO 817 zur Sicherheitsklasse A1 gehören. Gleichzeitig besitzen sie hervorragende thermodynamische Eigenschaften, wodurch Wärmepumpen mit diesen Kältemitteln eine sehr hohe Energieeffizienz erreichen.

Weniger verbreitet sind die sogenannten „natürlichen Kältemittel“: Kohlenwasserstoffe (meist Propan oder Propen), Ammoniak oder Kohlendioxid. Diese Substanzen haben keine oder nur eine sehr geringe Klimawirkung, allerdings auch spezifische Nachteile. Beispielsweise ist Propan brennbar, Ammo­niak giftig und CO₂ gegenüber den Alternativen weniger effizient bzw. nicht für alle Anwendungen gut geeignet. Sie erfordern daher besondere Vorkehrungen für die Verwendung in Wärmepumpen.

F-Gase-Verordnung

Seit dem 4. Juli 2007 regelt die EU-Verordnung 842/2006, die sogenannte F-Gase-Verordnung, den Umgang mit fluorhaltigen Kältemitteln. Am 1. Januar 2015 wurde sie durch die novellierte F-Gase-Verordnung Nr. 517/2014 ersetzt. Sie regelt den Umgang mit HFKW, wovon also auch Kältemittel von Wärmepumpen betroffen sind. Durch die Verordnung wird die Verfügbarkeit von Kältemitteln in der EU bis 2030 schrittweise gesenkt (Phase-down).

In der Folge sind stetig geringere Mengen an HFKW (gemessen in CO₂-Äquivalenten) auf dem Markt verfügbar. Dadurch wird die Verwendung von Kältemitteln mit geringerem GWP angeregt. Außerdem regelt die Verordnung die Dichtheitsüberprüfungen von Anlagen in Abhängigkeit von den CO₂-Äquivalenten ihrer Kältemittelfüllungen. Von Anwendungsverboten sind Wärmepumpen derzeit nicht betroffen. Momentan findet eine erneute Überarbeitung der F-Gase-Verordnung statt.

Ausblick

Weitere mäßige Steigerungen der Effizienzen sind noch möglich, auch durch A2L-Kältemittel und Propan, die auch höhere Vorlauftemperaturen ermöglichen. Mit weiteren Entwicklungen von speziellen Lösungen für den Gebäudebestand ist zu rechnen.

Es ist zudem eine Entwicklung hin zu immer leiseren Geräten zu erwarten. Vermutlich werden Hersteller künftig verstärkt

Propan-Wärmepumpen auf den Markt bringen. Es ist zu erwarten, dass es in Zukunft auch ein größeres Angebot von Sole/Wasser-Wärmepumpen mit Propan für die Außenaufstellung auch für kleinere Leistungsbereiche geben wird.

Basierend auf den aktuellen Zahlen zum Marktgeschehen lässt sich sagen, dass die Industrie mit einem stetigen Zuwachs an Wärmepumpen rechnet und zusätzliche Produktionsstätten mit einkalkuliert.

Im Jahr 2021 wurden in Deutschland 154.000 Heizungswärmepumpen abgesetzt. Dies entspricht einem Wachstum von 28% gegenüber dem Vorjahr. Das größte Wachstum erlebten im vergangenen Jahr Luft/Wasser-Wärmepumpen mit 127.000 Geräten (+33% gegenüber dem Vorjahr).

Das zeigt: Die Branche steht bereit und kann mit der steigenden Nachfrage umgehen. Doch auch das Fachhandwerk muss mitziehen und sich weiter schulen. Denn Wärmepumpen laufen nur effizient und leisten so einen großen Beitrag zum Klimaschutz, wenn sie fachgerecht und sorgfältig geplant und installiert werden.

Lesen Sie auch: Luft/Luft-Wärmepumpen: Günstige Alternative zur teuren Heizwärmepumpe