Luft/Wasser-Wärmepumpe: verbesserte Hydraulik führt zu einem Gütegrad von 8,0

Vorweg: Der folgende Beitrag hält sich nicht sklavisch an die Normbezeichnungen. Der „Gütegrad“ steht hier als Synonym für Jahresarbeitszahl (JAZ), für saisonalen COP (SCOP), für Wirkungsgrad und für alle anderen Beschreibungen, die das Verhältnis von Output Wärme zu Input Strom direkt oder indirekt wiedergeben. Wie gesagt, ein Großteil der Fachwelt hält für die Altbausanierung von einer Wärmepumpe mit Außenluft als Energiequelle nichts und beruft sich dabei auf Carnot. Beinahe ungläubig, zumindest höchst erstaunt, hörten auf einem Stand auf der Frankfurter Messe ISH 2025 die Besucher von der Sanierung eines Vierfamilienhauses in Bischweier unweit von Karlsruhe, in dem sich die JAZ der 8,0 gerade nähern soll – keine punktuellen 8,0, vielmehr das Ergebnis nach einigen Monaten Betrieb und den Messungen mit dem Stromzähler einerseits und dem Wärmezähler andererseits. JAZ 2, 5, 8, 10, 20 oder mehr – vier Faktoren, neben dem aktuellen Tarif, bestimmen die Heizkosten: das Wetter, die Vorlauftemperatur, optimierte Komponenten der Wärmepumpe sowie ein intelligenter Anschluss der Luft/Wasser-Wärmepumpe an den Heizkreis. Planer und Energieberater Matthias Westermann hatte zu einem reklamierenden Kunden fahren müssen – weil es dem zu warm war und sich die Zimmertemperatur nicht weiter herunterregeln ließ. Der Fehler, berichtete er, sei relativ schnell gefunden worden: Er musste lediglich die Heizkurve herunterfahren. Der für die Installation verantwortliche Heizungsbauer hatte eine zu niedrige Außentemperatur angesetzt beziehungsweise als mittleren Standardwert für den Raum Karlsruhe ein Minimum von -4 °C im Februar. Tatsächlich fi el das Thermometer aber nicht so tief. Im Gegenteil, es kletterte an einigen Tagen auf 12-14 °C hoch, wie der Deutsche Wetterdienst (DWD) registrierte. In Bischweier, dem Standort der Wärmepumpen-Umrüstung von Erdgas auf Wärmepumpen-Strom, maßen die Sensoren eine Durchschnittstemperatur für die vergangene Heizsaison von 5 °C und damit einen der wärmsten Winter seit Beginn der Aufzeichnungen. Sollte der Klimawandel anhalten, spricht der DWD von winterlichen Hochtemperaturen in 2040 um 17-18 °C und einem Durchschnittswert (!) von 8 °C.

Carnot zieht keine Grenzen

Von solchen Verhältnissen profi tieren Luft/Wasser-Wärmepumpen natürlich erheblich. Ihr saisonaler COP nähert sich damit schon dem der geothermischen Anlagen, denen im späten Winter, gegen Februar und März, wegen des Wärmeentzugs ab Oktober das thermische Potential ausgeht – und folglich ihr SCOP fällt. Im langjährigen Mittel liegt die Bodentemperatur in der Region Karlsruhe im März bei etwa 4 °C. Das heißt generell, bei Entwürfen und Installationen mache man sich schlau, mit welchen Temperaturen beim Objekt zu rechnen ist. Der Gütegrad von 3,5 für die Außenluft-Modelle stimmt insofern, wenn man für Gesamtdeutschland quasi genormte winterliche Minusgrade von -10 °C (263 K) und Raumtemperaturen von 22 °C (295 K) ansetzt. Aber die Natur, siehe Karlsruhe, hält sich nicht an anthropogene Vorgaben. Sie folgt einem eigenen Willen. Die „Carnot-Formel“ enthält ferner nicht eine einzige Konstante, sondern ausschließlich die drei Variablen Außentemperatur, gewünschte Heizwasser-Vorlauftemperatur (Innentemperatur) und einen Verlustbeiwert für Mängel der Wärmepumpen-Technik und des Einbaus. Der Gütegrad als Ergebnis einer Berechnung dient nicht zur Dimensionierung einer Heizungsanlage, dafür sind Normen und VDI-Richtlinien zuständig. Er gibt Vermietern und Mietern eine Antwort auf die Frage, welchen Energiegewinn sie vorausesichtlich ansetzen können, wenn sie von Gas oder Öl auf eine stromverbrauchende Luft/Wasser-Wärmepumpe wechseln. Nochmal: Der Gütegrad kann 2 oder 20 betragen. Carnot zieht keine Grenzen. Die ziehen die genannten drei Faktoren: Außentemperatur, Vorlauftemperatur, Verlustbeiwert.

Das Hydraulikschema mit Warmwasser-Schichtenspeicher – auf einen Heizwasserpuffer wurde bewusst verzichtet.

Heizen mit Permafrost

Die Formel ist simpel, mit Temperaturangaben in Kelvin: Heizwasser-Vorlauftemperatur (für gewünschte Innentemperatur), geteilt durch die Differenz aus Vorlauftemperatur und angesetzter Außentemperatur, multipliziert mit dem Koeffi zient für den Verlustbeiwert. Ein erstes Beispiel: Vorlauftemperatur Fußbodenheizung 30 °C (303 K) für 22 °C Zimmertemperatur, Außentemperatur -10 °C (263 K), also eine Differenz innen/außen von 40 K, Verlustbeiwert für unter anderem Warmwasserbereitung, elektrisches Abtauen, schwache Wärmedämmung, klapprige Wärmepumpe 0,35: Die JAZ errechnet sich aus 303 geteilt durch 40 mal 0,35 = 2,65 – gleichgültig, ob Erdwärme, Wasser oder Luft als Energiequelle dienen. Ein zweites Beispiel: Im norwegischen Kautokeino nahe dem Nordkap stecken 16 Sonden im Permafrost von 271 K und beheizen einen gut isolierten Altenheim-Neubau auf 24 °C mit einem Vorlauf von 305 K: 305 geteilt durch 34 mal 0,3 (Stichwort: hoher Warmwasserbedarf) = 2,7. Diese „Hausnummer“ wird im Betrieb erreicht – der Autor hatte sich in Kautokeino die Zahlen angeschaut. Die zwei Wärmepumpen von Waterkotte tun dort heute, im Jahr 2025, immer noch Dienst, mittlerweile seit 25 Jahren. Zuvor hatte man vollelektrisch geheizt. Ein drittes Beispiel, Übergangszeit – Oktober eines x-beliebigen Jahres: Außentemperatur 13 °C (286 K), 20 °C Innentemperatur, Vorlauftemperatur 27 °C (300 K), Beiwert 0,55 = COP 11,8. Ein viertes Beispiel, Karlsruhe: Vorlauf-Fußbodenheizung 28-29 °C, an kältesten Wintertagen 30 °C – Tv folglich 303 K, Ta 278 K, Beiwert 0,5 ergibt eine JAZ oder einen Carnot-Gütegrad von 6,06.

„RTB“ statt Thermostatventile

Mit diesen 6,06 gab sich Berater Westermann für das Vierfamilienhaus seiner Schwester aber nicht zufrieden. Auf einer Veranstaltung vom Unternehmen HG Baunach GmbH & Co. KG hatte er von deren Entwicklung, den „RTB“-Regelventilen, gehört. Die ersetzen die üblichen Heizkörperthermostate und werden im Rücklauf eines Heizkreises verschraubt. Die Thermostatventile zur Einzelraumregelung an jedem Heizkörper entfallen. Der Vorteil: Die „RTB“ regeln das Durchfl ussvolumen, sie sperren nicht einzelne Radiatoren ab. Sie erfassen Wasser-, nicht Lufttemperaturen wie die gebräuchlichen „Klick-Klack“- Ventile, wie es Westermann ausdrückt. „Dort hämmert das stets konstante Zirkulationswasser mit konstanter Temperatur bei plötzlichen Solargewinnen gegen geschlossene Absperrorgane im Heizkreis, mit dem Ergebnis, dass die Wärmepumpe abschaltet und taktet. Dieses An/Aus geht zu Lasten des COP und strapaziert besonders den Verdichter dessen Lebensdauer von der Taktzahl abhängt. Besser, das Volumen reduzieren und die Wärmepumpe so lange wie möglich laufen lassen.“ „Bei den »RTB« stellen Sie auf der Skala am Drehknopf jene Rücklauftemperatur ein, die Ihrem Temperaturwunsch im Zimmer entspricht. Fällt Sonne ins Zimmer, steigt die Rücklauftemperatur. Das »RTB« schließt um einen Betrag beziehungsweise drosselt auf einen Durchfl uss, bis die vorgewählte Rücklauftemperatur und damit die gewünschte Zimmertemperatur wieder erreicht ist. Die Wärmepumpe bleibt in Betrieb. Alle Kreise einer Fußbodenheizung werden durchströmt. Ein Mindestumlauf von etwa 30 Prozent ist sichergestellt“, erklärt der Planer das Prinzip.

Vorausschauende Regelung

Nach seinen Aufzeichnungen fährt der Wärmeerzeuger im Einzelfall bis zu 14 Stunden durch. Auf die „RTB“ hatte er im Februar 2025 umgerüstet. Der SCOP sei in vier Monaten von 6,0 auf über 7,0 geklettert. „Wobei die 7,0 zum Teil noch die früheren Thermostatventile enthalten. Ich denke, wenn ich die abziehe, nähern wir uns den 8,0.“ Die ersten 7,0 führt Westermann auf den warmen Winter, auf die Qualität der Wärmepumpe, auf den Verzicht eines Pufferspeichers, auf die Regelung, die das Wetter am nächsten Tag abfragt und entsprechend berücksichtigt, sowie auf einen Warmwasser-Schichtenspeicher mit geringen Verlusten zurück. Die hier installierte Wärmepumpe kommt von Lambda aus Tirol. Nach Aussage der Lambda Wärmepumpen GmbH zeichnet sie unter anderem ein optimierter Wärmeübergang von der Energiequelle (Luft, Wasser, Erdwärme) auf das Kältemittel aus. Die Verdampfungstemperatur des Kältemittels (Propan, R 290) soll aufgrund einer patentierten Strömungsmechanik ganz dicht an der Energiequellentemperatur liegen, sodass sich der Wärmeentzug wesentlich erhöht. Man habe darüber hinaus noch weitere Maßnahmen zur Steigerung der Effi zienz ergriffen, teilt die Produktbeschreibung des Herstellers mit.

Das Verbesserungspotential

Den Punkt „Wärmeübertrager“ erwähnt auch Dr.-Ing. Marek Miara vom Fraunhofer ISE, der anerkannt führende Wissenschaftler in Deutschland für Wärmepumpen in Altbauten, in seiner Antwort auf eine Anfrage des Autors. Der hatte nach Größe und Möglichkeiten der Verbesserung des Verlustbeiwerts in der „Carnot-Formel“ gefragt. Nur an der Schraube lässt sich drehen, nicht an den Temperaturen, also etwa der örtlichen Außentemperatur. Es sei denn, die Luft/Wasser-Wärmepumpe füllt einen Pufferspeicher bei den täglichen Höchsttemperaturen – geringeres Delta T – statt bei den Tieftemperaturen in der Nacht. Allerdings kostet die Elektrizität des Nachts am wenigsten. Die Raumtemperatur respektive Vorlauftemperatur, der zweite Parameter in der „Carnot-Formel“, hängt in erster Linie von der Wärmeübergabe ab – Fußboden- oder Radiatorheizung – und ist objektbezogen; damit ebenfalls fast eine Konstante, sieht man von einem 1 oder 2 K höheren oder niedrigeren Temperaturwunsch ab. Den Koeffi zienten „Verlustbeiwert“ dagegen bestimmen die Wärmepumpen-Hersteller und der Heizungsbauer. „Die Maschine lässt sich verbessern“, schreibt Marek Miara, „wenn ich entweder einzelne Komponenten verbessere (Kompressoren mit weniger Verlusten, Wärmeübertrager, bessere Expansionsventile) oder den Kältekreis optimiere (bessere Verteilung des Fluids, weniger Überhitzung und/oder Unterkühlung, Zwischenkreise, zusätzliche interne Wärmeübertrager) sowie eine bessere Regelung des Kältekreises erreiche. Und am Ende eine bessere Anbindung an das Heizungssystem. Am besten ist es natürlich, wenn all diese Elemente auf einmal optimiert werden.“

Zwei Effizienz-Enthusiasten imGespräch auf der ISH 2025: Planer Matthias Westermann (re.) und Hans-Georg Baunach, Geschäftsführer der HG Baunach GmbH & Co. KG. (Foto: Genath)

Die Schwächen des Rückrechnens

Im Übrigen fände der Carnot-Gütegrad bei der Nicht-Fachwelt eher selten Verwendung. Selbst bei den Herstellern kaum. Die Erklärung liegt auf der Hand: Seine Größe basiert zum einen auf den Temperaturen am Einsatzort, zum anderen auf dem Installationsschema. Für beide Bereiche ist nicht die Industrie zuständig. Im Nachhinein sei es darüber hinaus schwierig, trotz der simplen Formel den integrierten Verlustbeiwert aus dem Monitoring zu berechnen, weil es „gar nicht so einfach ist, die korrekten Temperaturen zu erwischen.“ Soll heißen: Monitoring über einige Monate spiegelt zwar für diesen Zeitraum die JAZ auf eine oder zwei Stellen hinter dem Komma exakt wider, ob indes für die JAZ von beispielsweise 2,8 die Temperaturen oder der Koeffi zient nach der „Carnot-Formel“ maßgeblich waren, entzieht sich einer klaren Zuordnung. Das Fraunhofer ISE hat die JAZ von mehr als 100 Bestands-Wärmepumpen nachgerechnet. Die weitere Aufteilung dieses Gesamtwirkungsgrads nach Temperatur und Technik gibt eine spätere Betrachtung nicht her, weil die benötigten Temperaturdaten fehlen beziehungsweise nur mit erheblichem Aufwand zu beschaffen wären. Trotzdem wagten die Studienbearbeiter eine Abschätzung: „0,5 als Beiwert nach Carnot haben wir nicht gesehen, eher 0,3 bis 0,45. Aber die Technologie hat sich inzwischen verbessert. Doch mehr als 0,6 selbst in der Zukunft zu erreichen, dürfte sehr sportlich sein“, zweifelt Miara an einem Sprung in der technischen Entwicklung. Die Schwierigkeiten für die Industrie hatte er unter anderem mit der Aufl istung der Komponenten mit Verbesserungspotential genannt.

Die „RTB“-Regelventile sind imRücklauf eines jeden Heizkreises der Fußbodenheizung montiert.

Das Haus als Wärmespeicher

Der Partner der Hersteller, der Anlagenbauer, hat dagegen noch Luft nach oben, was seinen Einfl uss auf den Beiwert und damit auf den totalen Carnot-Gütegrad einer Luft-Wasser-Wärmepumpenanlage angeht. „Und am Ende eine bessere Anbindung an das Heizungssystem“, so drückte es eben Marek Miara aus. Mit den „RTB“ ist ein wesentlicher Weg erläutert. Dazu addiert sich in Bischweier der Verzicht auf einen Heizwasserpuffer. Das ganze Haus mit seiner Masse von 100 Tonnen und mehr wirke als Speicher. „Im Allgemeinen“, so Westermann, „belädt man einen Puffer zu günstigsten Tarifzeiten, wenn der Strom am billigsten ist. Dafür können Sie aber auch das Haus nehmen. Wenn Sie das via Regelung bei Niedrigsttarif für zwei Stunden um beispielsweise 1,5 K überheizen, reicht die Wärme für den ganzen Tag aus. Sie ersparen sich die Verluste, die bei der Zwischenlagerung in einem Puffer mit einem zusätzlichen Mischer entstehen. Sie müssen den Wasserbehälter ja auf mindestens 40 °C aufheizen, um dann den Inhalt für die Fußbodenheizung wieder auf 28 °C herunterzumischen. Das geht zu Lasten des COP. Sie müssen die Hydraulik vereinfachen, direkt modulierend von der Wärmepumpe auf die Heizkreise.“

Keine Heizkostenabrechnung

Ein hoher Gütegrad fließt nicht nur in die Stromrechnung, sondern an noch ganz anderer Stelle in die Jahresbilanz ein. Die Heizkostenabrechnung mit den Mietern darf in Gebäuden entfallen, die sich mit einem Wärmebedarf von unter 15 kWh/m2a begnügen. Das gestattet § 11 der Heizkostenverordnung. Die 400 m2 des Bischweier-Hauses kamen in den ersten vier Monaten nach Einbau der neuen Heizkreisregelung mit rund 1.000 Kilowattstunden Wärme aus, mit 2,5 kWh/m2. Ein strenger Winter darf diesen Minimalwert verdoppeln oder verdreifachen, der bürokratische Akt der Heizkostenverteilung bleibt dem Vermieter trotzdem erspart.

Echte Betriebsdaten aus dem Vierfamilienhaus: rechts im Bild – Carnot-Gütegrad (JAZ) ohne „RTB“-Regelventile, links im Bild – Carnot-Gütegrad nach der „RTB“-Installation im Februar 2025.

Mehr Komfort durch dynamischen Abgleich

Wird in einem Raum aufgrund von Sonneneinstrahlung oder anderer Fremdwärmequellen eine geringere Heizleistung benötigt, so steigt zunächst die Rücklauftemperatur aus der Fußboden-Heizfläche an. Daraufhin senkt das RTBVentil den Durchfluss automatisch ab, wodurch dieser an den tatsächlichen Bedarf angepaßt wird. Durch diesen einfachen Mechanismus wird ein angenehmes Raumklima bei hoher Heizeffizienz sichergestellt.

Was bedeutet die Jahresarbeitszahl (JAZ) von acht?

Eine JAZ von acht bedeutet, daß Sie eine kWh Strom kaufen und dafür acht kWh Wärme zum Heizen bekommen, wobei die Differenz von sieben kWh Wärme kostenlos aus der Umwelt gewonnen wird. Bei einem Strompreis von 36 Cent kostete Sie eine Kilowattstunde Heizwärme somit lediglich 4,5 Cent - ein unschlagbares Verhältnis! Ein langjähriger Vergleich der Brennstoff- und Strompreise zeigt, daß eine Wärmepumpe ab einer JAZ von drei beginnt wirtschaftlich zu werden. Eine JAZ von acht stellt also einen haushohen Vorsprung dar, so daß Sie der weiteren Steigerung der Energiepreise sehr viel gelassener entgegensehen können als andere.

Wie hoch sind JAZ von Wärmepumpen üblicherweise?

Das Heizungsjournal veröffentlichte im Frühjahr 2026 eine Studie des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE, welches vier Jahre lang detaillierte Messungen an 77 Wärmepumpen in Ein- bis Dreifamilienhäusern vorgenommen hatte. Das Ergebnis: Die Wärmepumpen erreichten Jahresarbeitszahlen von 2,6 bis 5,4. Eine JAZ von acht stellt ein schier unglaublich gutes und nie dagewesenes Ergebnis dar! Wie läßt sich das erklären?

www.ise.fraunhofer.de/de/forschungsprojekte/wp-qs-im-bestand.html

Was bedeutet „Hydraulik in Heizungsanlagen“?

Unter Hydraulik in Heizungsanlagen versteht man das gesamte Umlaufwassersystem, welches die Wärme von den Erzeugern - teilweise über Speicher - zu den verschiedensten Verbrauchern transportiert. Wir, die Firma Baunach, beschäftigen uns seit über 25 Jahren mit diesem Thema und sind dabei einer sehr grundsätzlichen Thematik auf die Spur gekommen, nämlich dem sogenannten Takten. Unter Takten versteht man das Ein- und Ausschalten von Wärmeerzeugern ebenso wie das von Wärmeverbrauchern. Eine Wärmepumpe verbraucht vom ersten Moment nach dem Einschalten an 100 Prozent Strom (Pe), während es bis zu 15 Minuten dauert, bis sie auch die Wärmeleistung (Q’H) liefert, die in ihrem Datenblatt angegeben ist. Die Wärmemenge, die dabei verloren geht und nicht in der Heizungsanlage ankommt, nennen wir Anlaufverluste (QA) und diese übersteigen die Nachlaufgewinne (QN) um ein Vielfaches. Fazit: Je öfter eine Wärmepumpe ein- und wieder ausgeschaltet wird, desto häufiger treten diese Anlaufverluste auf und gehen in die Gesamtjahresbilanz Ihrer Heizkosten ein, was leicht zwanzig und teilweise bis zu vierzig Prozent ausmachen kann. Das liegt daran, daß die Effizienzwerte der Wärmepumpen auf Prüfständen unter Normbedingungen gemessen werden, die in der Praxis sehr häufig nicht vorliegen.

Kann die falsche Hydraulik noch weitere Kosten verursachen?

Es kommt tatsächlich noch schlimmer, denn das Takten vermindert zusätzlich auch die Lebensdauer jedes Wärmeerzeugers. So hat eine Wärmepumpe bspw. ganz unabhängig von ihrer Betriebsstundenzahl eine zu erwartende Anzahl von etwa 60.000 Starts pro Lebensdauer. Im Durchschnitt liegt die jährliche Betriebsstundenzahl von Wärmepumpen zwischen zwei- und dreitausend Stunden, wobei die tägliche Laufzeit im Winter natürlich viel höher ist als im Sommer. Liefe eine Wärmepumpe nach ihrem Start im Durchschnitt eine Stunde lang, so entspräche dies einer Lebensdauer von 20 bis 30 Jahren, doch sobald die durchschnittliche Laufzeit nach einem Start diese Stunde unterschreitet, verkürzt sich auch die Lebensdauer der Maschine entsprechend, bspw. auf 5 bis 7½ Jahre, wenn die durchschnittliche Laufzeit pro Start nur noch 15 Minuten beträgt. Und das ist leider sehr viel häufiger der Fall, als man meint!

Was hat das mit den Einzelraum-Thermostaten der Fußbodenheizung zu tun?

Die allermeisten Einzelraumthermostate von Fußbodenheizungen arbeiten ebenfalls nach dem EIN/AUS-Verfahren (sog. Zweipunktregler), was bedeutet, daß entweder Heizungswasser durch die Fußbodenheizung fließt oder eben nicht. Auch in diesem Fall hat das negative Auswirkungen auf die Übertragung der Heizwärme, denn dadurch steht der Wärmeübertragung immer nur ein kleineres Zeitfenster zur Verfügung, in dem die gesamte Wärme übertragen werden muß. Dieses Verfahren führt zu stark schwankenden Durchflüssen, die die Wärmepumpe zwingen aus- und wieder einzuschalten.

Was ist der Unterschied zu Rücklauftemperaturbegrenzern (RTB)?

Die Rücklauftemperaturbegrenzer (RTB) messen die Temperatur des Heizungswassers aus dem Rücklauf jeder einzelnen Fußbodenheizkreisschleife. Wenn zuviel Heizungswasser durch diese Schleife fließt oder wenn der Raum bereits warm genug ist, dann steigt diese Temperatu kontinuierlich an und das Ventil schließt ebenso kontinuierlich und drosselt auf diese Weise den Durchfluß ohne ihn jedoch ganz abzustellen. Auf diese Weise wird der Volumenstrom der gesamten Heizungsanlage langsam aber stetig an den tatsächlichen Bedarf des Gebäudes angepaßt und alle Räume erhalten die gewünschte Temeratur, ohne daß es zu plötzlichen Schwankungen des Durchflusses kommt. Dadurch hat die Wärmepumpe ausreichend Zeit sich an den tatsächlichen Wärmebedarf anzupassen, was man modulieren nennt. Wie Sie dem Fachbeitrag in Abb. 5 entnehmen können, beträgt die durchschnittliche Laufzeit (834 Stunden ÷ 349 Starts) 2,4 Stunden pro Start bzw. (6.233 Stunden ÷ 1.42 Starts) 6 Stunden pro Start.

Welche Vorteile bietet der Rücklauftemperaturbegrenzer (RTB)?