Wärmepumpe mag keine zu heißen Tage – Probleme bei Warmwasseraufbereitung

Neulich habe ich ein Video gesehen, in dem erläutert wurde, dass Wärmepumpen mit zu hohen Außentemperaturen ein Problem haben. Einige Wärmepumpenbesitzer werden sich daher bei den aktuellen Temperaturen fragen, warum die Warmwasseraufbereitung nicht funktioniert.

Da mir dieser Umstand bisher auch nicht bewusst war, habe ich mich mal ein wenig schlau gemacht, was das eigentliche Problem bei hohen Temperaturen über 35 Grad Celcius ist. Es betrifft natürlich nur Luft-Wasser Wärmepumpen. Bei modernen Geräten sollten aber auch Außentemperaturen von bis zu 40/45 Grad normalerweise kein Problem darstellen. Bei meiner Wärmepumpe konnte ich noch keine Fehlfunktionen feststellen allerdings lag die maximale Außentemperatur bei der Warmwasseraufbereitung bisher bei „nur“ 34 Grad.

Betriebsbereich der eigenen Wärmepumpe ermitteln

Wärmepumpen haben in der Regel einen zugesicherten Betriebsbereich, in dem sie ohne Probleme funktionieren sollten. Bei meiner Buderus Wärmepumpe ist dieser Bereich im Handbuch angegeben und beträgt -20 °C bis +45 °C. Andere Wärmepumpen schalten schon ab 35 °C den Heizstab hinzu, wenn er denn aktiviert ist. Ist dies nicht der Fall kann das beispielsweise bei der Warmwasseraufbereitung dazu führen, dass sie abgebrochen wird, um ein Überhitzen der Wärmepumpe auszuschließen.

Grund für die Überhitzung der Wärmepumpe

Eigentlich wundert man sich ja, dass die Wärmepumpe bei zu hohen Außentemperaturen ein Problem bekommt. Die Effizienz sollte steigen, da die Temperaturdifferenz zwischen Außentemperatur und Vorlauftemperatur sinkt. Dies ist auch grundsätzlich richtig und zeigt sich dann auch beim COP für die Warmwasseraufbereitung. Hier sollte man eine deutliche Veränderung feststellen, wenn Warmwasser bei etwa 15 °C oder bei 35 °C erzeugt wird.

Problematisch sind hohe Außentemperaturen aber für den Kompressor (Verdichter). Der Kompressor muß das Gas verdichten, damit die enstehende Temperatur durch Kondensierung an den Heizkreis abgegeben werden kann. Ich hoffe, dass Physiker mit meinen nachfolgenden Erläuterungen nicht die Haare zu Berge stehen und meine vereinfachten Erklärungsversuche auch für Laien – wie mich – verständlich sind.

Wenn wir uns den Kältemittelkreislauf einer Luft-Wasserwärmepumpe anschauen, dann sieht dieser wie folgt aus:

1. Das flüssige Kältemittel wird mit Hilfe der Außenluft (Ventilator) im Verdampfer wieder gasförmig. Hierbei hat das Gas dann ungefähr die Temperatur der Außenluft.
2. Das gasförmige Kältemittel wird dann im Kompressor mit entsprechendem Druck wieder verdichtet, wob das Gas dann eine Temperatur oberhalb der gewünschten Vorlauftemperatur annehmen muß.
3. Im Innenteil der Wärmepumpe muß das Gas dann im Kondensator die Wärme an das Heizsystem abgeben. Damit diese Kondensation – also die Wärmeabgabe – funktioniert, muß die Ausgangstemperatur entsprechend oberhalb der Temperatur liegen, an die die Wärme abgegeben werden muß.

Wenn Warmwasser beispielsweise auf 50 °C erhitzt werden muß, dann muß das verdichtete Gas oberhalb dieser 50 °C liegen. Die Problematik liegt nun daran, dass bei einer hohen Außentemperatur die Differenz, die die Wärmepumpe überwinden muß relativ gering ist. Bei einer Außentemperatur von 15 °C und einer angenommenen Vorlauftemperatur zur Warmwasseraufbereitung von 55 °C beträgt die Temperaturdifferenz 40 Kelvin. Liegt die Außentemperatur bei 35 °C, dann haben wir nur noch eine Differenz von 20 Kelvin.

Beim Druckaufbau im Kompressor wird das sogenannte Heißgas erzeugt. Wenn die Außentemperatur gering ist, erwärmt sich dieses Heißgas durch den Druckprozess nicht so stark, als wenn man den Druck bei höherer Außentemperatur erzeugt. Durch die sehr hohe Temperatur des Kältemittels, welches in den Kompressor fließt, wird eine noch höhere Heißgastemperatur erzeugt. Dadurch erwärmt sich das Gesamtsystem und kann zu Überhitzungen der elektronischen Bauteile führen.

Man könnte den Versuch einmal selbst ausprobieren und ein Fahrrad bei kaltem Wetter aufpumpen und im Vergleich bei heißem Wetter. Wenn man dann die Temperaturen der Luftpumpe an den verschiedenen Tagen misst, wird man feststellen, dass die Pumpe an warmen Tagen heißer wird, obwohl man einen ähnlichen Druck beim Pumpen vorgenommen hat.

Vergleich aus der Praxis bei der Desinfektionsfunktion des Warmwassers

Um das Thema einmal in der Praxis zu verifizieren, habe ich mal zwei Tage heraus gesucht, an denen bei mir die Desinfektion im Moment läuft. Die Zieltemperatur habe ich hierbei auf 60 °C eingestellt. Weiterhin habe ich versucht, einen Tag bei kälteren Temperaturen zu finden, an dem die Ausgangstemperatur möglichst nahe an der Starttemperatur an dem heißen Tag lag. Damit können wir nun einmal die Effizienz prüfen, die Dauer bis das Warmwasser die Temperatur erreicht hat, sowie die verschiedenen Werte des Kältemittels.

Neben dem heutigen Tag, den 22.06. habe ich den 8.06. als Vergleichstag heraus gesucht. An beiden Tagen betrug die Ausgangstemperatur des Warmwasser etwa 39 °C. Die Außentemperatur zum Start der Desinfektion lag am 8. Juni bei knapp 16 °C und am 22. bei etwa 32 °C. Bis zum Laufzeitende stiegen die Außentemperaturen auf ca. 17 °C bzw. 35 °C. An dem kälteren Tag dauerte die Funktion etwa 1h50m und am warmen Tag 2h25m.

Vielleicht wurde der Prozess hier tatsächlich etwas verlängert, damit die Heißgastemperatur nicht zu hoch steigt. In den folgenden Grafiken sieht man dann auch den unterschiedlichen Strombedarf. Am kälteren Tag ist die Wärmepumpe quasi mit voller Leistung gestartet (ca. 2,9kWh), da sie die entsprechende Energie für die Temperaturerhöhung benötigte. Am warmen Tag wurde das Warmwasser durchgängig mit wesentlich niedrigerem Strombedarf erzeugt. Hier stieg der Stromverbrauch von etwa 1kWh bis 1,6kWh in der Spitze.

In den folgenden zwei Vergleichsgrafiken ist die Wärmeenergie dargestellt, die zur Warmwasseraufheizung benötigt wurde. Am 08.06. wurden 13,55kWh Wärme erzeugt und am 22.06. waren es 12,04kWh.

Nun noch der entsprechende Vergleich für den benötigten Strom an den beiden Tagen. Am kälteren Tag wurden 5,05kWh benötigt und am heißen Tag waren es 3,07kWh. Damit lagen die COP Werte bei 2,68 und 3,92.

In der folgenden Grafik habe ich mal versucht, die wesentlichen Werte des Kältekreislauf meiner Buderus-Anlage darzustellen. In der ersten Grafik findet ihr den Verlauf vom 08. Juni und die zweite Grafik zeigt die entsprechenden Werte vom 22.06., dem heißeren Tag.

Wenn man sich die einzelnen Verläufe und Temperaturwerte anschaut, dann wird man feststellen, dass diese nicht wirklich zu meiner Erläuterung der Probleme einer Wärmepumpe an heißen Tagen passt. Aus meiner Sicht liegt das wahrscheinlich an der Steuerung der Wärmepumpe, die versucht, mit der entsprechenden Problematik umzugehen. Ein weiterer Grund, warum wahrscheinlich am heißen Tag die Warmwasseraufbereitung etwas länger gedauert hat.

Ein paar Hinweise gibt es dann aber doch. So lagen die Temperaturen beim Eingang des Kompressors am kälteren Tag etwa 10-15 Kelvin niedriger (ca. 5-10 °C), als am heißen Tag (19-22 °C). Die Höchstemperatur am Ausgang des Kompressors lag am 08. Juni allerdings etwas höher (93 °C), als am 22.06. (87 °C).

Insgesamt sind die Werte des Kältekreises an beiden Tagen durchaus ähnlich. Meiner Einschätzung nach besteht der wesentlichen Unterschied in der Geschwindigkeit des Prozesses. An dem kälteren Tag wurden die Temperaturen insgesamt in kürzerer Zeit erreicht. Am wärmeren Tag sieht man, dass einige Temperaturen etwas länger gehalten wurden, was an den unterschiedlichen Ausprägungen der Stufen zu erkennen ist.

Fazit

Ob man also Probleme an sehr warmen Tagen mit der Warmwasseraufbereitung hat, liegt einmal an den Betriebsbereichen der jeweiligen Wärmepumpe und deren Steuerung bei der Aufheizung des Warmwassers. Meine Buderus Wärmepumpe scheint hier sehr gut zu funktionieren und sollte auch bei noch höheren Außentemperaturen keine Probleme bereiten.

Die einfachste Methode, solchen Problemen zu entgehen, ist es, die Warmwasseraufbereitung in die frühen Morgenstunden oder in die Nacht zu verlegen, wenn die Außentemperaturen noch niedriger sind. Damit hat man als PV-Betreiber aber nicht die Möglichkeiten, vom Sonnenstrom zu profitieren.

Eine weitere Variante ist es, die Wärmepumpe nicht dort zu platzieren, wo die Sonne zur Mittagszeit besonders drauf scheint. Bei mir helfen beispielsweise auch die Pflanzen drum herum, dass die Wärmepumpe nicht direkt der Sonne ausgesetzt ist.