Effizienz-Unterschiede marktverfügbarer Luft/Wasser-Wärmepumpen

Eine zufällige Stichprobe von 25 Luft-Wasser-Wärmepumpen (WP) mit dem Kältemittel Propan (R290) der Leistungsklasse von ca. 12 bis 15 kW zeigt deutliche Unterschiede in den Effizienz-Kennzahlen und sonstigen technischen Eigenschaften der betrachteten Geräte. So variieren die SCOP35 für den Heizfall in einem Bereich von 4,50 bis 5,90 und die SEER18 für den Kühlfall von 4,70 bis 7,03.

Insbesondere für die Effizienz im Heizfall zeigt sich eine starke Korrelation zur Verdampfer-Größe. Für die individuelle WP-Effizienz liegt darüber hinaus (bei konstanter Quellen- und Senken-Temperatur) eine ausgeprägte Abhängigkeit von der Drehzahl vor. Auch hinsichtlich des Modulationsvermögens weisen die betrachteten WP mit einer Bandbreite von unter 2 bis über 5 große Unterschiede auf.

Folglich sind für eine Effizienz-optimierte Dimensionierung umfangreiche Teillastdaten der WP erforderlich, um einen möglichst großen Anteil der Heiz- bzw. Kühlarbeit in einem Drehzahlbereich mit möglichst hoher Effizienz bereitzustellen. Eine Verdopplung des Modulationsbereichs durch eine Kaskadierung von zwei WP oder zwei Verdichtern innerhalb einer WP im Sinne einer Parallelschaltung ermöglicht dabei eine erhebliche Reduktion des Taktbetriebs-Anteils (vgl. [1]).

Stichprobe: 25 Luft/Wasser-WP mit ca. 12 bis 15 kW

Die Produktvielfalt der marktverfügbaren WP für Wohngebäude hat zuletzt ein kaum überschaubares Ausmaß angenommen. Während die Liste der förderfähigen WP (sog. BAFA-Liste, vgl. [2]) im Oktober 2023 noch 571 Luft/Wasser-WP mit dem Kältemittel R290 in der Leistungsklasse bis 100 kW führte, waren es im September 2025 bereits 2.151 Stück. Obwohl rund 91 % davon die höchste Energieeffizienzklasse A+++ erreichen, bestehen erhebliche Unterschiede in den Effizienz-Kennzahlen für den Heizfall.

Zur Analyse dieser Unterschiede führt Tabelle 1 die SCOP in den Anwendungsfällen „Niedertemperatur“ (35 °C bzw. SCOP35) und „Mitteltemperatur“ (55 °C bzw. SCOP55) sowie wesentliche technische Daten für eine Stichprobe von 25 WP der Leistungsklasse von ca. 12 bis 15 kW auf. Die angegebene Leistungsklasse bezieht sich auf die im ErP-Label und der BAFA-Liste deklarierte Leistung P_rated,h,35. Dabei handelt es sich um eine baugrößenmäßige „Nennheizleistung“ für die Niedertemperatur-Anwendung, die jedoch in den Grenzen der DIN EN 14511 vom Hersteller festgelegt werden kann und somit nicht eindeutig ist. Ein Leistungsvergleich unter Bezugnahme auf P_rated,h,35 ist folglich nur sehr eingeschränkt möglich. Für einen konsistenten Vergleich sind daher in Tabelle 1 auch die Heizleistungen bei maximaler Drehzahl für die Arbeitspunkte A-7/W35 und A-7/W55 angegeben. So variiert bspw. Ph,max,A-7/W35 für dieselbe Stichprobe in einem Bereich von 9,1 bis 19,7 kW (Median 13,2 kW).

Die Stichprobe umfasst zufällig ausgewählte Geräte aus einem möglichst breiten Effizienz- und Hersteller-Spektrum. Aufgrund von Produktionsgemeinschafen, OEM-Strukturen, Mehrmarkenstrategien und Ähnlichem sind einige der betrachteten Geräte mit unterschiedlichen Produktnamen aufgeführt. Bedingt durch die Eingrenzung auf das brennbare Kältemittel R290 handelt es sich jedoch ausschließlich um Geräte in Monoblock-Bauweise (gesamter Kältekreis innerhalb der Außeneinheit). Sofern von einem Hersteller mehrere Baugrößen oder Produktgruppen innerhalb der o.g. Leistungsklasse in der BAFA-Liste vertreten sind, wurde jeweils das Gerät mit der höchsten Effizienz ausgewählt. Die Sortierung in Tabelle 1 erfolgte in absteigender Reihenfolge nach dem SCOP35, welcher zwischen 4,50 und 5,90 (Mittelwert 5,15) variiert. Der SCOP55 variiert innerhalb der Stichprobe zwischen 3,35 und 4,48 (Mittelwert 3,96).

Effizienz und technische Eigenschaften im Heizfall

Gemäß EU 811/2013 werden Geräte mit einem SCOP35 von mindestens 4,45 bzw. einem SCOP55 von mindestens 3,83 in die höchste Energieeffizienzklasse A+++ eingeordnet. Im Falle der Niedertemperaturanwendung (35 °C) können dies alle Geräte der Stichprobe erfüllen und im Falle der Mitteltemperaturanwendung (55 °C) ca. 72 % der Geräte.

Darüber hinaus ist für eine Förderfähigkeit in Deutschland bei Luft/Wasser-WP seit 2026 ein ErP-Schallleistungspegel von höchstens 68 dB(A) zulässig. Obwohl mit einer Bandbreite von 41 bis 62 dB(A) (Mittelwert 51,4 dB(A)) auch bzgl. des ErP-Schallleistungspegels erhebliche Unterschiede innerhalb der Stichprobe festzustellen sind, stellt diese Anforderung für keines der aufgeführten Geräte eine Hürde dar.

Zur Analyse eines möglichen Effizienz-Einflusses der konstruktiven Geräte-Eigenschaften wurden zusätzlich die öffentlich verfügbaren technischen Dokumentationen der Hersteller herangezogen (vgl. [3] bis [27]). Es sei darauf hingewiesen, dass aus diesen Quellen möglicherweise nicht alle relevanten technischen Eigenschaften hervorgehen und daher für die hier erfolgte Betrachtung entsprechende Unsicherheiten bestehen. Darüber hinaus konnte die Erhebung der technischen Eigenschaften anhand der technischen Dokumentationen teils nur grafisch erfolgen (siehe Legende zur Schriftfarbe in Tabelle 1).

Anhand der so ermittelten Eigenschaften zeigt sich für die betrachteten Geräte jedoch insbesondere hinsichtlich der Verdampfer-Größe eine ausgeprägte Korrelation zur Effizienz im Heizfall sowie zum ErP-Schallleistungspegel. So wird in Tabelle 1 ersichtlich, dass ca. 52 % der Geräte einen L-förmigen und ca. 40 % einen I-förmigen Verdampfer aufweisen. Bei über 90 % befindet sich dieser neben dem Maschinenraum. Das Produkt aus Anströmfläche und Anzahl der Rohrreihen des Verdampfers variiert in der betrachteten Stichprobe um mehr als Faktor 3 und weist zumeist hohe Werte bei den Geräten mit hohen SCOP und geringen ErP-Schallleistungspegeln auf. Ausnahmen bestehen u.a. für die beiden Geräte #2 und #3, bei denen der Verdampfer über dem Maschinenraum angeordnet ist, was auf einen Effizienz-Vorteil der verbesserten Abströmung des ausgekühlten Luftstroms hindeutet. Ferner ist für das Gerät #2 bekannt, dass die Überhitzung des Sauggases durch eine Kaskaden-Regelung des Expansionsventils weitgehend in den internen Wärmeübertrager velagert wird (vgl. [28]). Dies lässt eine verbesserte Ausnutzung der Verdampfer-Fläche zur Aufnahme von Umweltwärme zu.

Bei ca. 60 % der betrachteten Geräte konnte ein Scroll-Verdichter und bei ca. 24 % ein Doppel-Rollkolben-Verdichter identifiziert wurden. Bei vier Geräten (ca. 16 %) konnte die Verdichter-Bauart anhand der technischen Dokumentation nicht ermittelt werden.
Wie in Tabelle 1 ferner ersichtlich wird, weist die Verdichter-Bauart Scroll eine erhöhte Häufigkeit im ersten und zweiten Quartil der Stichprobe auf, also bei den Geräten mit sehr hohen und hohen Effizienzen. Diese Korrelation ist jedoch eingeschränkt, da sowohl Rollkolben-Verdichter bei Geräten mit mittlerer bis hoher Effizienz (z.B. #10 und #12) zu finden sind, als auch Scroll-Verdichter bei Geräten mit geringer Effizienz (z.B. #22 und #25).

Für einige Geräte konnten in der technischen Dokumentation darüber hinaus Effizienz-steigernde Bauteile innerhalb des Kältekreises identifiziert werden. Hier ist insbesondere ein interner Wärmeübertrager zur o.g. Überhitzung des Sauggases durch eine Unterkühlung nach dem Verflüssiger zu nennen (vgl. #2, #3, #8 und #12). Darüber hinaus konnte bei vier Geräten (#9, #13, #16 und #22) ein Economizer zur Reduktion der Verdichtungsendtemperatur und bei zwei Geräten (#1 und #20) eine Heißgas-Auskoppelung zur effizienten Trinkwarmwasser-Bereitung identifiziert werden.

Die minimalen Außenlufttemperaturen für den Gerätebetrieb (TOL) liegen in der betrachteten Stichprobe zwischen -20 °C und -30 °C (Median -25 °C). Die maximale Vorlauftemperatur bei A-10 wird mit einer Bandbreite von 65 °C bis 80 °C (Median 70 °C) angegeben.

Dimensionierungs-relevante Eigenschaften

Für die Dimensionierung von Luft/Wasser-WP ist neben dem Bivalenzpunkt (BVP) als wesentliche Einflussgröße auf den Heizstab-Anteil auch der Modulationsgrenzpunkt (MGP) als maßgebliche Einflussgröße auf den Taktbetriebs-Anteil zu berücksichtigen (vgl. [29]). Bei mittlerem europäischem Klima (Referenzort Straßburg, Auslegungstemperatur T_design,h = -10 °C) kann für den BVP bei Zielwerten von ≤ -5 °C bis maximal 0 °C von einer Begrenzung des Heizstab-Anteils an der Jahresheizarbeit auf unter 5 % ausgegangen werden. Für den MGP sind bei Zielwerten von mindestens 5 °C bis idealerweise ≥ 8 °C Taktbetriebs-Anteile von ca. 33 % bis < 15 % der Jahresheizarbeit zu erwarten.

Ein zentrales Dimensionierungs-Ziel für Luft/Wasser-WP besteht darin, einen möglichst tiefen BVP und einen möglichst hohen MGP zu erreichen; wofür ein möglichst großes Modulationsvermögen der WP erforderlich ist. Für die hier erfolgte Betrachtung wurde dies definiert als das Verhältnis aus maximaler Leistungsabgabe der WP bei A-7/W55 bzw. A-7/W35 zur minimal möglichen Leistungsabgabe bei A7/W35. Wie Tabelle 1 zeigt, liegen in der betrachteten Stichprobe auch für das Modulationsvermögen erhebliche Unterschiede vor. Etwa 28 % der Geräte weisen ein Modulationsvermögen von unter 2,5 auf. Der Großteil der Geräte (ca. 48 %) liegen zwischen 2,5 und 3,5 und nur ca. 24 % können die Heizleistung gemäß obiger Definition um mehr als den Faktor 3,5 modulieren.

Sofern der verwendete Drehzahlbereich des Verdichters angegeben wird, liegt dieser für die untere Modulationsgrenze meist bei 20 bis 30 Hz und für die obere Modulationsgrenze im Bereich von 80 bis 100 Hz, vereinzelt bis 120 Hz. Dies entspricht einem Modulations-Verhältnis der Verdichter-Drehzahl von ca. drei bis sechs. Für die betrachtete Stichprobe zeigt sich jedoch keine eindeutige Korrelation zwischen dem Modulations-Verhältnis der Verdichter-Drehzahl und dem o.g. Modulationsvermögen der WP. Auch ist keine eindeutige Korrelation zwischen der Größe des Modulationsvermögens der WP und den sonstigen betrachteten Konstruktions-Parametern (Verdampfergröße, Kältemittel-Füllmenge oder Verdichter-Bauart) erkennbar.

Um einem zu kleinen Modulationsvermögen zu begegnen (oder für Gebäude mit großer Heizlast, z.B. Mehrfamilienhäuser) kommt insb. eine Kaskadierung im Sinne einer hydraulischen Parallelschaltung von zwei WP oder, wie in [1] beschrieben, die parallele Integration von zwei Verdichtern innerhalb einer WP infrage. So kann das Gesamt-Modulationsvermögen nach obiger Definition in erster Näherung verdoppelt werden, wodurch insb. der MGP erheblich gesteigert und somit der Taktbetriebs-Anteil erheblich reduziert wird.

Wie Abbildung 1 für unterschiedliche Baugrößen des Produktbeispiels #1 (vgl. [3]) zeigt, variiert die Effizienz leistungsmodulierender WP (bei konstanter Quellen- und Senkentemperatur) auch signifikant mit der Drehzahl. Dies ist u.a. auf die Auslastung der Wärmeübertragerflächen und die Wirkungsgrad-Kennfelder von Verdichter und Inverter zurückzuführen. Die Lage des Effizienz-Optimums der WP variiert darüber hinaus sowohl mit dem Arbeitspunkt (Quellen- und Senkentemperatur) als auch in Abhängigkeit der Verdichter-Bauart, befindet sich tendenziell jedoch im mittleren bis unteren Drehzahlbereich.

Da die tatsächlichen Werte von BVP und MGP auch erheblich in Abhängigkeit der Heizlast-Berechnungsmethode (z.B. stationär ohne Gewinne vs. dynamisch mit Gewinnen vs. Verbrauchsdaten) variieren (vgl. [29]), erscheint eine Dimensionierung von Luft/Wasser-WP auf Basis der Schnittpunkte einer mit großen Unsicherheiten behafteten Lastkennlinie des Gebäudes mit einer WP-Leistungskennlinie für  einzelne Drehzahlen und Vorlauftemperaturen nur eingeschränkt geeignet. Neben einer ausreichenden Wärmeversorgung im Worstcase-Szenario der stationären Heizlast müssen als Ziele für die Dimensionierung von WP auch ein möglichst großer Anteil der Heizarbeit in einem Betriebsbereich mit möglichst hoher Effizienz sowie eine Begrenzung des Taktbetriebs-Anteils ergänzt werden.

Effizienz im Kühlfall

Alle Geräte der betrachteten Stichprobe bieten eine Kühlfunktion an. Dies erfolgt durch Prozess-Umkehr mit Tausch der Wärmeübertrager durch ein Vier-Wege-Ventil im Kältekreis, wie in Abbildung 2 dargestellt. Die Funktion der Prozess-Umkehr wird darüber hinaus zur Abtauung des Verdampfers im Heizfall verwendet.

Wie Tabelle 1 ebenfalls zeigt, besteht weder für die Nenn-Kälteleistung im Betriebspunkt A35/W18, noch für die saisonale Effizienz im Kühlfall (SEER18) eine eindeutige Korrelation zur Heizleistung oder zur Effizienz im Heizfall. Auch für die R290-Füllmenge sind keine eindeutigen Korrelationen zur Leistung oder zur Effizienz im Heiz- oder Kühlfall erkennbar. Angaben zum SEER18 konnten nur für zehn der 25 betrachteten Geräte ermittelt werden. Diese unterscheiden sich mit einer Bandbreite von 4,70 bis 7,03 (Mittelwert 5,67) ebenfalls stark.

Die Kälteübergabe kann z.B. mithilfe von Flächenheizungen erfolgen, deren Durchflussregelung eine Wirkrichtungsumkehr für den Kühlfall erfordert. Feldtests zeigten jedoch auch für die Kühlung mittels Heizkörpern ohne Taupunkt-Unterschreitung einen deutlichen Komfortgewinn (vgl. z.B. [30]).

Fazit

Die Energieeffizienzklassen des ErP-Labels sowie die Schallleistungs-Anforderungen zur Aufnahme von Luft/Wasser-WP in die BAFA-Liste erscheinen aus technischer Perspektive überholt und daher für eine Produkt-Vorauswahl derzeit weitestgehend unbrauchbar.

Baulich große Außeneinheiten lassen beim Vergleich von Produkten mit ähnlicher Leistung tendenziell eine höhere Effizienz und einen geringeren Schallleistungspegel erwarten.

Zur Effizienz-orientierten WP-Dimensionierung mit Begrenzung der Takthäufigkeit sind sowohl repräsentative Lastzustände des Gebäudes als auch Teillastdaten der WP für verschiedene Quellen- und Senkentemperaturen sowie Drehzahlen und die Implementierung in entsprechenden Software-Werkzeuge erforderlich.

Prof. Dr.-Ing. Michael Schaub ist Professor für Energieeffiziente Gebäudetechnik an der Fakultät Design + Bauen an der Hochschule Coburg.

Prof. Dr.-Ing. Alexander Floß ist Professor für thermische Energiesysteme und Anlagenplanung und lehrt an der Fakultät Konstruktion und Anlagentechnik, Heiz- und Sanitärtechnik an der Hochschule Biberach.