Wie funktioniert eine Luftwärmepumpe bei Minusgraden?

Der Kern an der Funktionsweise einer Wärmepumpe liegt darin, dass sie selbst keine Wärme produziert, sondern ein vorhandenes Temperaturniveau anhebt und damit Wärmeenergie von außen nach innen transportiert. Darum kann sie auch arbeiten, wenn es draußen friert.

Wie Wärme aus kalter Luft gewonnen wird

Wärme fließt immer vom wärmeren zum kälteren Bereich. Das Außengerät einer Luftwärmepumpe hat einen Wärmetauscher (Verdampfer). In diesem Verdampfer ist das Kältemittel so kalt, dass die Außenluft – selbst bei −10 °C – im Vergleich dazu noch „wärmer“ ist.

Im ersten Moment klingt das merkwürdig, weil wir “Wärme” meist mit “warm” gleichsetzen. Physikalisch gesehen ist die Temperatur aber nur ein Maß dafür, wie viel Wärmeenergie im Vergleich zu einem Extremzustand vorhanden ist. Die Umgebungsluft hat immer Wärmeenergie, solange die Temperatur über dem absoluten Nullpunkt (-273,15°C) liegt. Die Wärmepumpe kann der Außenluft problemlos noch bei Außentemperaturen unter -20°C Energie entziehen.

Je nachdem welches Kältemittel zum Einsatz kommt, übersteigt ab einem gewissen Temperaturpunkt der Aufwand, den die Wärmepumpe dafür beitreiben muss aber den Nutzen. Ab diesem Punkt ist es dann wirtschaftlich sinnvoller, direkt per Heizstab zu heizen.

Verdichterprozess und „Temperaturhub“

Nach dem Verdampfer wird das gasförmige Kältemittel vom Verdichter komprimiert. Beim „Zusammendrücken“ steigt die Temperatur stark an. Danach gibt das heiße Kältemittel im Kondensator Wärme an Heiz- oder Warmwasser ab und verflüssigt sich wieder. Anschließend senkt ein Expansionsventil den Druck – das Kältemittel wird wieder kalt und der Kreis beginnt von vorn.

Ja, die Außeneinheit einer Luftwärmepumpe kann tatsächlich vereisen. Das entsteht vor allem durch die Kombination aus:

• viel Feuchtigkeit in der Luft (Nebel, Niesel, Tauwetter)
• Wärmetauscher-Oberfläche unter 0 °C
• laufendem Betrieb, der den Verdampfer kalt hält

Ein vereistes Außengerät stellt für den Betrieb der Wärmepumpe jedoch kein Hindernis dar. Problematisch wird es erst, wenn:

• die Luftkanäle/Lamellen so stark einfrieren, dass kaum noch Luft durchkommt,
• Wasser nicht ablaufen kann, in das Gerät eindringt und dort durch Frost bewegliche Bauteile blockiert,
• oder die Abtauung offensichtlich nicht mehr funktioniert (dauerhaft dickes Eis, Leistungsabfall, Fehlermeldung).

Wie funktioniert die Abtauung?

Die häufigste Methode ist die Kreislaufumkehr (Reverse Cycle Defrost): Über ein Umschaltventil wird der Kältemittelstrom kurzzeitig umgedreht. Dann wird der Außenwärmetauscher „warm“ genug, um Eis zu schmelzen.

Wie oft wird abgetaut?

Wie oft eine Wärmepumpe abtaut, hängt natürlich stark vom Wetter ab. Entscheidende Faktoren sind Außentemperatur, Luftfeuchtigkeit und die zu der Zeit benötigte Leistung der Wärmepumpe. Als generelle Faustregel gilt, der Abstand zwischen zwei Abtauvorgängen sollte nicht kleiner als 45 Minuten betragen.

Tipps zum Schutz des Außengeräts im Winter

Wer sich fragt, wie man die Außeneinheit einer Wärmepumpe im Winter schützen kann, landet schnell bei denselben drei Themen: Luft, Wasser und Abstand.

1. Das Außengerät braucht freie Luftzufuhr und freie Abluft. Wird der Luftein- oder -auslass durch Schneewehen, Laub, Eiszapfen oder eng gesetzte Einhausungen behindert, steigt das Risiko für Leistungsabfall und Vereisungsprobleme.
2. Kondenswasser muss sicher ablaufen können – und zwar auch bei Frost. Der Kondensschlauch sollte also so verlegt werden, dass kein Wasser im Schlauch stehen bleiben kann.
3. Das Gerät sollte so stehen, dass es nicht „im eigenen Eis“ steht. Wenn Schmelzwasser unter dem Gerät gefriert und sich über Wochen aufbaut, kann es Luftwege beeinträchtigen oder Bauteile belasten.

In jedem Luftwärmepumpen-System ist ein sogenannter Heizstab verbaut. Er fungiert als elektrische Zusatzheizung und wird typischerweise genutzt wenn:

• die Wärmepumpe die nötige Heizleistung bei sehr niedrigen Temperaturen nicht mehr allein deckt (Bivalenzpunkt)
• seh­­r hohe Vorlauftemperaturen kurzfristig gebraucht werden,
• oder für bestimmte Warmwasser-Programme (z. B. Legionellenschaltung), abhängig vom Systemkonzept.

Im Gespräch mit Endkunden treffen wir immer wieder auf die Vorstellung, dass der Heizstab in einem optimalen System nie benötigt wird. Das sehen wir bei alpha innotec anders.

Aus unserer Sicht sollte die Wärmepumpe so dimensioniert sein, dass ungefähr 2-5% des Wärmebedarfs durch den Heizstab erzeugt werden. Durch dieses abgestimmte Zusammenspiel wird die höchste Effizenz erreicht.

Und das können wir auch beweisen: Die Hybrox 11 erreichte beim Test der Stiftung-Warentest den niedrigsten Stromverbrauch im kompletten Testfeld!

Die Frage, ob die Wärmepumpe im Winter ausreicht, um das Gebäude ausreichend zu beheizen, lässt sich technisch oft besser beantworten, wenn man sie umdreht: Welche Vorlauftemperatur braucht mein Haus, wenn es draußen kalt ist?

Denn die Wärmepumpe wird nicht primär durch die Temperatur der Außenluft limitiert, sondern durch den notwendigen Temperaturhub zwischen Quelle und Heizsystem.

Neubau mit Fußbodenheizung

Im Neubau mit Fußbodenheizung sind Vorlauftemperaturen um 30–35 °C in vielen Fällen realistisch. Das ist ein Effizienzvorteil, weil der Temperaturhub klein bleibt.

Sanierter Altbau

Ein sanierter Altbau kann sehr gut funktionieren, wenn:

• Heizkörper ausreichend groß sind (oder teils getauscht wurden),
• der hydraulische Abgleich sauber durchgeführt wird
• und die nötigen Vorlauftemperaturen niedrig bleiben.

Das Umweltbundesamt betont, dass Wärmepumpen auch in Altbauten energieeffizient arbeiten können – unter anderem, weil Heizkörper oft größer ausgelegt sind und daher auch mit niedrigeren Vorlauftemperaturen genügend Wärme liefern können.

Ungedämmter Altbau

In unsanierten oder ungedämmten Gebäuden ist das Risiko höher, dass an kalten Tagen sehr hohe Vorlauftemperaturen benötigt werden. Dann steigt der Temperaturhub stark und die Effizienz sinkt.

Das bedeutet zwar nicht automatisch, dass eine Wärmepumpe hier nicht möglich ist, sondern nur, dass der Planungsaufwand deutlich steigt und die Effizienz der Wärmepumpenanlage nicht so hoch ist, wie in einem Neubau oder bei sanierten Gebäuden.

Eine Luftwärmepumpe funktioniert auch bei Minusgraden durch den Kältemittelkreislauf problemlos. An besonders kalten Tagen kann die Effizienz sinken, bei der durchschnittlich sehr geringen Anzahl an Kältetagen pro Jahr in Deutschland siegt die Wärmepumpe in Sachen Kosten und Effizienz aber immer noch gegenüber fossilen Heizungen.