Bis zu welcher Temperatur funktioniert eine Luftwärmepumpe?

Eine Luftwärmepumpe ist eine Heizanlage, die der Außenluft thermische Energie entzieht und diese auf ein höheres Temperaturniveau anhebt, um damit ein Gebäude zu heizen oder Warmwasser zu bereiten. Das klingt auf den ersten Blick paradox, einer eiskalten Winterluft noch Wärme entnehmen zu können. Doch selbst bei 0 °C enthält Luft noch erhebliche Mengen thermischer Energie, die ein Kältemittelkreislauf nutzbar machen kann. Gerade deshalb spielt die Außentemperatur bei Luftwärmepumpen eine zentrale Rolle. Sie bestimmt, wie effizient das System arbeitet, ob eine ausreichende Heizleistung erzielt werden kann und ab wann ein Backup-System einspringen muss. Für Hausbesitzer in Mitteleuropa, wo Winter mit Temperaturen zwischen -10 °C und -20 °C keine Seltenheit sind, ist die Frage nach den Temperaturgrenzen einer Luftwärmepumpe daher wichtig. Wer eine Wärmepumpe plant oder bereits betreibt, sollte die Zusammenhänge zwischen Außentemperatur, Effizienz und Systemauslegung gut verstehen.

Funktionsprinzip und Temperaturabhängigkeit

Der Kältemittelkreislauf einer Luftwärmepumpe funktioniert nach demselben Prinzip wie ein Kühlschrank, nur in umgekehrter Richtung. Ein flüssiges Kältemittel mit sehr niedrigem Siedepunkt verdampft im Außenwärmetauscher, indem es der Außenluft Wärme entzieht. Dieser Dampf wird anschließend durch einen elektrisch betriebenen Verdichter komprimiert, wodurch er sich stark erhitzt. Die so gewonnene Hochtemperaturwärme wird im Innen-Wärmetauscher (dem Kondensator) an das Heizsystem des Gebäudes abgegeben. Danach entspannt sich das Kältemittel wieder, kühlt ab und der Kreislauf beginnt von vorn. Die Effizienz dieses Prozesses wird durch den sogenannten COP (Coefficient of Performance) beschrieben. Er gibt an, wie viel Wärmeenergie pro eingesetzter Kilowattstunde Strom erzeugt wird. Ein COP von 4 bedeutet beispielsweise, dass aus 1 kWh Strom 4 kWh Wärme gewonnen werden. Je geringer der Temperaturunterschied zwischen der Wärmequelle (Außenluft) und dem Heizsystem, desto höher ist die Effizienz. Sinkt die Außentemperatur, muss die Pumpe eine größere Temperaturdifferenz überwinden. Das führt dazu, dass der COP fällt und der Stromverbrauch steigt. Diese Temperaturabhängigkeit ist das zentrale Merkmal, das Luftwärmepumpen von erdgekoppelten Systemen unterscheidet, denn Erdwärmepumpen arbeiten auf einem gleichmäßigeren Temperaturniveau und sind daher effizienter, aber auch teurer in der Installation.

Betriebsgrenzen moderner Luftwärmepumpen

Konventionelle Luftwärmepumpen, wie sie noch vor einigen Jahren das Gros des Marktes ausmachten, sind in der Regel für einen Betrieb bis etwa -15 °C bis -20 °C ausgelegt. Unterhalb dieser Grenze können sie keine ausreichende Heizleistung mehr erbringen oder schalten sich zum Schutz der Verdichterkomponenten vollständig ab. In der Praxis bedeutet das, dass bei starkem Frost das Gerät zwar noch Wärme liefert, aber deutlich weniger als bei milden Temperaturen. Ein Gerät, das bei +7 °C noch eine Heizleistung von 10 kW erzielt, bringt bei -15 °C vielleicht nur noch 5 bis 6 kW.

Kälteklima-Wärmepumpen mit Inverter-Technologie

Die Entwicklung der letzten zehn Jahre hat die Leistungsfähigkeit von Luftwärmepumpen erheblich verbessert. Moderne Geräte der sogenannten Arctic- oder Cold-Climate-Klasse sind in der Lage, auch bei −25 °C noch zuverlässig zu heizen. Ermöglicht wird dies vor allem durch den Einsatz von Inverter-Verdichtern mit variabler Drehzahl sowie der sogenannten Vapor-Injection-Technologie (auch EVI, Enhanced Vapor Injection genannt). Dabei wird dem Verdichtungsprozess zusätzliches Kältemitteldampfvolumen zugeführt, was den Druck erhöht und die Effizienz bei tiefen Temperaturen spürbar verbessert. Statt eines fixen Betriebspunkts kann der Verdichter seine Leistung stufenlos an die Außentemperatur und den Heizwärmebedarf anpassen. Das führt zu geringeren Temperaturschwankungen, längeren Laufzeiten und einer deutlich besseren COP über das gesamte Jahr.

Obere Temperaturgrenzen

Oft wird nur über die unteren Temperaturgrenzen gesprochen, aber auch nach oben gibt es Einschränkungen. Bei sehr hohen Außentemperaturen von über 35 °C kann die Effizienz einer Luftwärmepumpe ebenfalls absinken, da der Kondensator die anfallende Wärme schwerer abführen kann. In Ländern mit heißen Sommern sind manche Geräte mit einer Schutzabschaltung ausgestattet, die bei extremer Hitze den Betrieb unterbricht. Für mitteleuropäische Verhältnisse ist diese Grenze jedoch selten relevant. Im Sommer kann dieselbe Anlage oft auch zur Kühlung genutzt werden, indem der Kältemittelkreislauf umgekehrt wird.

Effizienz (COP) in Abhängigkeit der Temperatur

Der COP einer Luftwärmepumpe ist keine feste Zahl, sondern verändert sich dynamisch mit der Außentemperatur. Bei einer Außentemperatur von +7 °C und einer Vorlauftemperatur von 35 °C (typisch für Fußbodenheizungen) erreichen moderne Geräte einen COP von 4 bis 5. Sinkt die Außentemperatur auf 0 °C, liegt der COP meist noch bei 3 bis 4. Bei −7 °C bewegt er sich häufig zwischen 2,5 und 3,5, und bei −15 °C kann er auf 2 oder weniger fallen. Ab einem COP von etwa 1,5 bis 2 nähert sich die Wärmepumpe dem Wirkungsgrad eines einfachen Elektro-

Direktheizgeräts an und der wirtschaftliche Vorteil schwindet.

Gleichzeitig gilt: Je höher die Vorlauftemperatur des Heizsystems, desto geringer ist der COP bei gleicher Außentemperatur. Eine Fußbodenheizung mit 35 °C Vorlauf ist daher deutlich effizienter als ein altes Heizkörpersystem, das 70 °C benötigt. Wer seine Wärmepumpe optimal betreiben möchte, sollte daher das Heizverteilsystem an die niedrigen Vorlauftemperaturen anpassen, was eine energetische Sanierung sinnvoll macht. Ein besonderer Faktor ist der eingebaute Elektro-Heizstab, den viele Luftwärmepumpen als Backup besitzen. Er springt automatisch ein, wenn die Außentemperatur unter einen bestimmten Schwellwert fällt und die Wärmepumpe allein den Bedarf nicht mehr decken kann. Da ein Heizstab einen COP von nur 1 hat (also jede Kilowattstunde Strom direkt in eine Kilowattstunde Wärme umwandelt), steigen in diesen Perioden die Betriebskosten. Eine gut ausgelegte Anlage minimiert diese Phasen.


Bivalenter Betrieb und Backup-Systeme

Wer mit einer Luftwärmepumpe heizt, muss sich früh für ein Betriebskonzept entscheiden. Das einfachste Konzept ist der monovalente Betrieb. Dabei übernimmt die Wärmepumpe zu jeder Jahreszeit die gesamte Wärmeversorgung, auch an den kältesten Wintertagen. Das ist mit modernen Luftwärmepumpen heute durchaus möglich, setzt aber eine sorgfältige Auslegung voraus. Häufiger anzutreffen ist der monoenergetische Betrieb. Hier ist die Wärmepumpe die einzige Wärmequelle, wird aber bei extremer Kälte durch einen elektrischen Heizstab im selben Gerät unterstützt. Dieses Konzept ist einfach, kostengünstig und für gut gedämmte Gebäude in Mitteleuropa gut geeignet. Beim bivalenten Betrieb hingegen kommt ein zweiter Wärmeerzeuger ins Spiel. Meist handelt es sich dabei um einen Gas- oder Ölkessel, aber auch einen Kaminofen oder eine Pelletheizung. Der Punkt, an dem der zweite Erzeuger einspringt oder parallel zur Wärmepumpe läuft, heißt Bivalenzpunkt. Er liegt typischerweise zwischen −5 °C und −10 °C. Unterhalb dieser Temperatur ist die Wärmepumpe entweder weniger effizient als der zweite Erzeuger, oder sie kann den Wärmebedarf allein nicht mehr decken. Der bivalente Betrieb wird insbesondere beim Einbau einer Wärmepumpe in ein bestehendes Gebäude mit älterem Heizsystem gewählt, weil er Investitions- und Betriebsrisiken reduziert und eine sanfte Transition ermöglicht. Die Wahl des richtigen Betriebskonzepts hängt von der Gebäudedämmung, dem Heizsystem, dem lokalen Klima und den Energiepreisen ab. Eine professionelle Heizlastberechnung ist unerlässlich, um die Anlage korrekt auszulegen.

Einflussfaktoren auf die Kälteleistung

Neben der reinen Außentemperatur gibt es eine Reihe weiterer Faktoren, die bestimmen, wie gut eine Luftwärmepumpe in der Kälte funktioniert. Der wichtigste ist die Qualität der Gebäudehülle. Ein gut gedämmtes Haus mit modernen Fenstern, einer Dachdämmung und einer Kellerdeckendämmung hat einen geringen Wärmebedarf und die Wärmepumpe muss weniger leisten. Sie kann kleiner dimensioniert werden, arbeitet effizienter und kommt auch an sehr kalten Tagen ohne Backup aus. Eng damit verbunden ist die Vorlauftemperatur des Heizsystems. Fußbodenheizsysteme sind für Wärmepumpen ideal, weil sie mit Vorlauftemperaturen von 30 bis 40 °C auskommen. Ältere Gebäude mit großen Heizkörpern können oft auf 50 bis 60 °C reduziert werden, wenn die Heizkörper ausgetauscht oder vergrößert werden. Auch die Gerätegröße und Auslegung spielen eine wichtige Rolle. Eine überdimensionierte Wärmepumpe taktet häufig (schaltet sich ständig ein und aus), was Effizienz kostet und die Lebensdauer des Verdichters verkürzt. Eine unterdimensionierte Anlage schafft es an kalten Tagen nicht, die gewünschte Raumtemperatur zu halten. Die ideale Auslegung orientiert sich an der Heizlast des Gebäudes bei der sogenannten Normaußentemperatur (der statistisch kälteste Wert, der am Standort zu erwarten ist).Schließlich spielen regionale Klimadaten eine Rolle. Die sogenannten Heizgradtage geben an, wie lange und wie intensiv in einer Region geheizt werden muss. Je mehr Heizgradtage ein Standort aufweist, desto häufiger wird die Wärmepumpe an ihre Leistungsgrenzen stoßen.

Funktioniert eine Wärmepumpe bei -20 °C noch?

Die Antwort ist ja, zumindest bei modernen Luftwärmepumpen. Allerdings mit Einschränkungen, da der COP dann oft nur noch bei 1,5 bis 2 liegt, die Heizleistung ist reduziert, und ein Backup-System (Heizstab oder zweiter Erzeuger) wird in vielen Fällen einspringen. In gut gedämmten Gebäuden reicht die Restleistung oft trotzdem aus.

Was passiert, wenn es plötzlich deutlich kälter wird als prognostiziert?

Moderne Anlagen mit Wetterdatenanbindung und vorausschauenden Regelungen können solche Szenarien antizipieren und das System rechtzeitig in den Backup-Modus versetzen. Wichtig ist, dass das Backup-System korrekt konfiguriert ist und im Ernstfall zuverlässig einspringt.