Wie funktioniert eine Wärmepumpe im Winter?

Schritt 2 von 15 · Vorhersagen

Auch bei −15 °C heizt sie weiter

An einem milden Tag mit 7 °C liefert die Wärmepumpe im Modell bei mittlerer Verdichterdrehzahl etwa 7,4 kW Wärme für etwa 1,4 kW Strom. Dieses Verhältnis heißt Leistungszahl oder COP und liegt hier bei etwa 5,2: fünf Teile Wärme für einen Teil Strom.

Oft wird vermutet, dass sie bei einem Kälteeinbruch abschaltet oder still auf eine reine Stromheizung umstellt. Beides passiert nicht. Bei −15 °C liefert dasselbe Gerät noch etwa 3,9 kW für etwa 1,2 kW Strom, eine Leistungszahl von etwa 3,1. Das ist immer noch dreimal so viel, wie ein Elektroheizer aus demselben Strom macht. Die Luft, die aus dem Gerät kommt, hat etwa −19 °C: Die Wärmepumpe hat selbst der −15 °C kalten Luft noch Wärme entzogen.

Schritt 4 von 15 · Erklären

Unter niedrigem Druck siedet das Kältemittel unter −15 °C

Der Schlüssel ist das Sieden. Sieden heißt nicht heiß, sondern: Eine Flüssigkeit wird zu Gas. Bei welcher Temperatur das passiert, hängt vom Druck ab. Wasser siedet bei normalem Luftdruck bei 100 °C, auf dem Gipfel des Mount Everest, wo der Druck niedriger ist, schon bei etwa 70 °C.

Das Kältemittel im Modell ist Propan, das bei normalem Luftdruck schon bei −42 °C siedet (NIST). Der Verdichter saugt den Verdampfer ständig auf einen niedrigen Druck ab. Bei −15 °C draußen liegt er nur bei etwa 2,6 bar, also etwa dem Zweieinhalbfachen des normalen Luftdrucks, und dort siedet das Propan bei etwa −18 °C: ein paar Grad kälter als die Luft. Wärme fließt aus der Luft in das siedende Kältemittel, und das Sieden schluckt diese Wärme, so wie eine Spraydose beim Sprühen kalt wird.

Am milden Tag mit 7 °C liegt der Druck im Verdampfer bei etwa 5,3 bar, und das Kältemittel siedet bei etwa 3,5 °C. Ist die Luft kälter, fährt die Wärmepumpe ihre kalte Seite einfach mit niedrigerem Druck.

Schritt 5 von 15 · Ausprobieren

Je kälter die Luft, desto kleiner die Leistungszahl

Was die Kälte ändert, ist der Preis. Der Verdichter muss die Wärme von der Temperatur, bei der das Kältemittel siedet, auf die Temperatur heben, bei der es sie ans Heizungswasser abgibt: etwa 38 °C bei einer Fußbodenheizung mit 35 °C Vorlauf. Je kälter die Luft, desto größer dieser Hub und desto mehr Strom kostet jede Kilowattstunde Wärme.

Im Modell liegt die Leistungszahl bei gleicher Drehzahl bei etwa 5,2 bei 7 °C, 4,7 bei 2 °C, 3,8 bei −7 °C und 3,1 bei −15 °C. Sie sinkt gleichmäßig, fällt aber nie auf null. Das Datenblatt einer echten Luft-Wasser-Wärmepumpe zeigt denselben Verlauf: 5,31 bei A7/W35, 4,46 bei A2/W35 und 3,16 bei A−7/W35 (Viessmann Vitocal 250-A). Ein Prüfstand maß bei einem Schwestermodell bei −10 °C Außenluft etwa 2,9 (WPZ Buchs).

Schritt 7 von 15 · Erklären

Weniger Wärme, gerade wenn das Haus mehr braucht

Nicht nur die Leistungszahl sinkt, auch die Heizleistung. Bei gleicher Drehzahl liefert das Modell bei 7 °C etwa 7,4 kW, bei −15 °C nur noch etwa 3,9 kW. Der Grund ist der Dampf, den der Verdichter ansaugt: Kalter Dampf unter niedrigem Druck ist dünn, bei −15 °C nur etwa halb so dicht wie bei 7 °C. Jede Umdrehung befördert nur etwa halb so viel Kältemittel, wie eine Pumpe in dünner Bergluft.

Gleichzeitig verliert das Haus umso mehr Wärme, je kälter es draußen ist. Das Modellhaus braucht bei −7 °C etwa 8,4 kW und an den kältesten Tagen, ab −12 °C abwärts, 10 kW. Bei mittlerer Drehzahl liefert die Wärmepumpe bei −7 °C nur etwa 5 kW; die Räume kämen nur auf etwa 16 bis 17 °C.

Moderne Wärmepumpen lösen das mit einem Inverter, der die Drehzahl des Verdichters regelt. Auf etwa 95 Hz hochgedreht, liefert der Verdichter im Modell etwa 8,7 kW, und die Räume erreichen wieder 20 °C. Der Preis: Der Strom verdoppelt sich auf etwa 2,6 kW, und die Leistungszahl sinkt von etwa 3,8 auf 3,4. Mehr Leistung kostet Effizienz. Deshalb legt man Wärmepumpen so aus, dass sie an normalen Wintertagen nicht am Anschlag laufen.

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In den kältesten Nächten hilft der Heizstab

Bei −15 °C reicht im Modell selbst die volle Drehzahl nicht: Die Wärmepumpe liefert etwa 8,2 kW, das Haus braucht 10 kW, und die Räume pendeln sich bei etwa 18 °C ein. Die Außentemperatur, unter der die Wärmepumpe das Haus nicht mehr allein heizen kann, heißt Bivalenzpunkt. Für dieses Modellhaus liegt er bei voller Drehzahl bei etwa −10 °C.

Darunter schaltet eine echte Anlage einen Heizstab zu, der aus 1 kWh Strom nur 1 kWh Wärme macht. Das Modell zeigt ihn nicht. Er spielt aber eine kleinere Rolle, als man denkt, weil solche Nächte selten sind: In Feldtests des Fraunhofer ISE in Bestandsgebäuden ging nur 1,3 bis 1,9 % des Wärmepumpenstroms an den Heizstab.

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Eis bildet sich an feuchten Tagen um den Gefrierpunkt

Die Lamellen der Außeneinheit sind kälter als die Luft, weil das Kältemittel darin unter der Lufttemperatur siedet. Sind sie unter 0 °C und ist die Luft feucht, gefriert das Wasser aus der Luft als Reif auf ihnen. Eine Eisschicht bremst den Luftstrom, und die Wärmepumpe muss mehr arbeiten.

Oft heißt es, die Vereisung sei an den kältesten Tagen am schlimmsten. Das stimmt nicht. Am meisten Eis bildet sich zwischen etwa 0 und +5 °C bei hoher Luftfeuchte über etwa 70 %, unter −10 °C dagegen selten, weil sehr kalte Luft kaum Wasser enthält (Zhu u. a. 2015; Bosch). Im Modell bildet sich bei 2 °C und 90 % Luftfeuchte Eis; senkt man die Luftfeuchte auf etwa 70 %, hört es auf. Bei −15 °C bildet das Modell gar kein Eis.

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Abtauen: Der Kreislauf läuft ein paar Minuten rückwärts

Jede Luftwärmepumpe taut sich selbst ab. Ein Vierwegeventil dreht den Kältemittelkreislauf für ein paar Minuten um: Die Ventilatoren stehen still, heißes Gas vom Verdichter strömt in den Verdampfer draußen und schmilzt das Eis, das Tauwasser läuft ab. Die Wärme dafür kommt aus dem Heizungswasser des Hauses. Im Modell wird die Wärmeabgabe ans Haus für die vier Minuten des Abtauens negativ, etwa −6 kW; danach schaltet das Ventil zurück.

Echte Geräte tauen bei feuchtem Wetter um den Gefrierpunkt etwa alle 30 bis 90 Minuten für 3 bis 8 Minuten ab. Über einen ganzen Winter kostet das in Simulationen etwa 5 % der Energie, in manchen Messungen mehr, und an frostigen Tagen kann die Tages-Leistungszahl um 15 bis 20 % sinken (Universität Bologna; E3S 2019).

Schritt 11 von 15 · Erklären

Erdreich und Grundwasser bleiben im Winter warm

Die Außenluft ist genau dann am kältesten, wenn das Haus die meiste Wärme braucht. Das Erdreich nicht: Unterhalb von etwa 10 m bleibt es das ganze Jahr bei etwa 10 °C (C.A.R.M.E.N.). Eine Erdwärmepumpe pumpt Sole durch eine Erdsonde, oft um die 100 m tief. Im Modell kommt die Sole selbst bei −15 °C Außenluft mit etwa 0 °C zurück, und die Leistungszahl liegt bei etwa 4,4 statt 3,1. Grundwasser aus einem Brunnen hat den ganzen Winter etwa 7 bis 12 °C; im Modell ergibt es bei −15 °C eine Leistungszahl von etwa 5,5 (Bundesverband Wärmepumpe).

Feldtests zeigen dasselbe übers ganze Jahr: Luftwärmepumpen in Bestandsgebäuden erreichten Jahresarbeitszahlen von 3,1 bis 3,4, Erdwärmepumpen 4,1 bis 4,3 (Fraunhofer ISE). Der Haken sind die Kosten: Bohrung oder Brunnen sind deutlich teurer und brauchen eine Genehmigung.