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Kältemittel in Wärmepumpen

Die Wärmepumpe liegt voll im Trend: Im Jahr 2018 wurden insgesamt 84.000 Heizungswärmepumpen abgesetzt, das entspricht einem Marktwachstum von 8% im Vergleich zum Vorjahr.1 Mit der steigenden Beliebtheit von Wärmepumpen rückt auch das benötigte Kältemittel in den Fokus. Problematisch ist dabei vor allem das hohe Treibhauspotenzial der gängigen Kältemittel. Erfahren Sie in diesem Artikel mehr über die Bedeutung von Kältemitteln, welche gesetzlichen Verordnungen für diese gelten und zwischen welchen Kältemittelarten Sie wählen können.

Inhaltsverzeichnis

  1. Nicht nur in der Wärmepumpe: Kältemittel für den Energietransport
  2. Basiswissen zur Wärmepumpe
  3. Der Unterschied zwischen Kältemittel und Kühlmittel
  4. Welche Kältemittel gibt es für die Wärmepumpe?
  5. Gesetzliche Verordnungen zu Kältemitteln für Wärmepumpen
  6. Kosten und Wartung von Kältemitteln für Wärmepumpen
  7. Welches Kältemittel lohnt sich für die Wärmepumpe?

Nicht nur in der Wärmepumpe: Kältemittel für den Energietransport

Ein Kältemittel ist ein spezielles Fluid, das in Wärmepumpen oder Kälteanlagen für den Transport von Wärmeenergie verantwortlich ist. Dabei wird jeweils ein Kreislaufprozess durchlaufen, bei dem Wärme auf einem geringen Temperatur- und Druckniveau aufgenommen und auf einem höheren wieder abgegeben wird.

Kältemittel kommen in vielen verschiedenen Anwendungsbereichen wie eben in der Wärmepumpe, im heimischen Kühlschrank, in der Gefriertruhe und im industriellen Kühlprozess zum Einsatz. Die jeweilige Beschaffenheit des Kältemittels hängt daher stark davon ab, wofür es Anwendung findet. Folgende Eigenschaften weisen jedoch alle Kältemittel auf:

  • Niedrige Siedetemperatur
  • Geringes Dampfvolumen
  • Geringer Verflüssigungsdruck (Druck, bei dem das Kältemittel verflüssigt wird), dadurch hohe Leistungszahl
  • Hohe chemische Stabilität

Um die Bedeutung des Kältemittels in der Wärmepumpe zu verstehen, ist zunächst ein kleiner Exkurs in die Grundlagen der Wärmepumpentechnik hilfreich.

Basiswissen zur Wärmepumpe

Eine Wärmepumpe ist eine technische Anlage, die frei verfügbare Umweltwärme aus der Umgebung oder dem Erdreich auf ein höheres Temperaturniveau „pumpt“ und dadurch für die Gebäudebeheizung nutzbar macht. Wärmepumpen können nicht nur die Energie der Außenluft, sondern auch das Grundwasser oder das oberflächennahe Erdreich als Wärmequellen verwenden.

Um das Arbeitsprinzip einer Wärmepumpe zu verstehen, dient häufig der haushaltsübliche Kühlschrank als Beispiel: Der Kühlschrank transportiert Wärme aus dem Inneren nach außen und hält somit Lebensmittel kühl. Die Wärmepumpe folgt genau dem umgekehrten Prinzip und transportiert Wärme aus dem Außenbereich ins Gebäudeinnere.

  1. Verdampfung

    Die Energiezufuhr erfolgt dabei auf Seite des Verdampfers (siehe Schaubild). Hier nutzt die Wärmepumpe die Wärme der Umgebung, um das Kältemittel zu verdampfen. Das Kältemittel muss für diesen Prozess also einen niedrigen Siedepunkt aufweisen, um selbst bei dem geringen Temperaturniveau der Umgebung in den gasförmigen Aggregatzustand überzugehen.

  2. Verdichtung

    Im nächsten Schritt verdichtet sich nun das gasförmige Kältemittel mithilfe eines elektrisch angetriebenen Kompressors. Dabei erhöht sich nicht nur der Druck, sondern auch die Temperatur des Kältemittels. Eine Wärmepumpe wird so ausgelegt, dass das Temperaturniveau zum Bedarf der Gebäudeheizung passt.

  3. Verflüssigung

    Im Verflüssiger wird die Wärme der Gebäudeheizung zugeführt. Dies ist möglich, da das Kältemittel nun ein höheres Temperaturniveau als der Heizkreislauf aufweist. Durch die Energieentnahme kühlt das Kältemittel wieder ab, bis es schließlich in den flüssigen Zustand übergeht.

  4. Entspannung

    Bevor der Wärmepumpen-Kreislauf wieder von vorne beginnen kann, muss sich das Kältemittel noch auf den Anfangsdruck entspannen. Dadurch fließt es durch eine Düse, die den Druck gezielt auf das Anfangsniveau absenkt.

Wärmepumpen erfreuen sich vor allem bei Gebäuden mit modernen Flächenheizungen großer Beliebtheit. Flächenheizungen erfordern im Vergleich zu konventionellen Heizkörpern ein geringeres Temperaturniveau (Vorlauftemperatur) und erzielen daher in Kombination mit einer Wärmepumpe eine hohe Energieeffizienz.

Die Effizienz einer Wärmepumpe bewerten Fachleute üblicherweise mit der Kennzahl COP (Coefficient of Performance). Diese gibt das Verhältnis von Wärmeleistung zur erforderlichen elektrischen Leistung an.

Rechenbeispiel

  • Eine Wärmepumpe weist bei einer Heizleistung von 10 kW eine elektrische Energieaufnahme von 2,22 kW auf

  • Es ergibt sich folglich ein COP von 4,5.

Der Unterschied zwischen Kältemittel und Kühlmittel

Auch wenn Kältemittel und Kühlmittel in der Umgangssprache fälschlicherweise häufig gleichgestellt werden: Es gibt einen entscheidenden Unterschied zwischen beiden Fluiden. Eine Wärmepumpe würde mit einem Kühlmittel beispielsweise nicht funktionieren.

Per Definition (DIN 8960 Abs. 3.1) handelt es sich bei einem Kältemittel um ein Fluid, das „in einem Kältemaschinenprozess bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck Wärme aufnimmt und bei höherer Temperatur und höherem Druck Wärme abgibt“. Das bedeutet, dass ein Kältemittel auch dann Wärme transportieren kann, wenn die Temperatur der Umgebung höher als der zu kühlende Gegenstand ist – es handelt sich also um einen dem Temperaturgradienten entgegengesetzten Wärmetransport.

Einem Kühlschrank gelingt es beispielsweise, den Inhalt auf eine Temperatur zu kühlen, die unter der Umgebungstemperatur liegt. Mit einem Kühlmittel wäre das nicht möglich: Das Kühlmittel kann Wärme nur von einem Gegenstand abtransportieren, dessen Umgebung kälter ist. Der Kühlkreislauf eines Autos funktioniert beispielsweise mit einem Kühlmittel, das sich durch den Motor aufheizt und die Wärme so an die kühlere Umgebung abgibt.

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Welche Kältemittel gibt es für die Wärmepumpe?

In Wärmepumpen kommen als Kältemittel heute überwiegend teilfluorierte Kohlenwasserstoffe (HFKW) zum Einsatz. Diese weisen ein hohes Treibhauspotenzial auf und sind beim Entweichen oder bei der Entsorgung der Anlage bis zu mehrere tausend Mal klimaschädlicher als CO2. Im Oktober 2016 hat die internationale Staatengemeinschaft daher beschlossen, HFKW-Kältemittel schrittweise aus Kälteanlagen zu verbannen, um somit den Einfluss auf die Klimaerwärmung zu reduzieren.

Als Alternative zu HFKW-Kältemitteln werden vor allem natürliche Kältemittel mit einem geringen Treibhauspotenzial gehandelt. Der Marktanteil dieser Kältemittel ist zwar noch gering, es zeichnet sich auf Seiten der Hersteller jedoch eine klare Tendenz zu umweltfreundlichen Alternativen ab.

So gilt besonders das Kältemittel R290 (Propan) als zukunftssicherer Ersatz für HFKW-Kältemittel. Auch die natürlichen Stoffe Ammoniak (NH3) oder Kohlendioxid (CO2) kommen als Alternativen infrage, eignen sich aber für Wärmepumpen, die ausschließlich privaten Anwendungszwecken dienen, nur bedingt.

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Gesetzliche Verordnungen zu Kältemitteln für Wärmepumpen

Bei der umweltpolitischen Diskussion zu Kältemitteln steht vor allem die sogenannte F-Gas-Verordnung (F-Gas-V) im Fokus. Diese EU-Verordnung zielt darauf ab, den Industriesektor durch die schrittweise Senkung der Emissionen durch teilfluorierte Treibhausgase (F-Gase) umweltfreundlicher zu gestalten. Darüber hinaus will die Verordnung Anreize für die Verwendung alternativer Kältemittel wie R290 mit einem geringeren Treibhauspotenzial schaffen.

Die F-Gas-V trat am 1. Januar 2015 in Kraft und beinhaltet im Wesentlichen drei Regelungsansätze:

  1. Schrittweise Beschränkung der verfügbaren Mengen an teilfluorierten Kohlenwasserstoffen (HFKW) – im Jahr 2030 sollen die Verkaufsmengen nur noch ein Fünftel des Wertes von 2015 betragen.

  2. Verbot der Verwendung, wenn sich klimafreundlichere Alternativen technisch ebenfalls nutzen lassen.

  3. Weitere Regeln zu Dichtheitsprüfungen, Entsorgung und Kennzeichnung.

Neben den oben genannten Regeln enthält die Verordnung weitere Bestimmungen zu besonders umweltschädlichen Kältemitteln wie R404A. Dieses Kältemittel weist einen sehr hohen GWP-Wert (GWP = Global Warming Potential, übersetzt Treibhauspotenzial) von 3.922 auf. Es ist also 3.922 Mal schädlicher als CO2, wenn es in die Atmosphäre entweicht. Ab dem Jahr 2020 gilt ein maximal zulässiger GWP-Wert von 2.500.

Die F-Gas-V wird in der näheren Zukunft dazu führen, dass alternative Kältemittel wie Propan (R290), Ammoniak oder CO2 mehr und mehr in den Fokus der Hersteller rücken.

Kältemittel für Wärmepumpen im Detail

Kältemittel lassen sich grundsätzlich in folgende Kategorien einteilen:

  • FCKW (chlorhaltig, perhalogeniert)
  • HFCKW (chlorhaltig, teilweise halogeniert)
  • FKW/HFKW (chlorfrei; FKW = Fluorkohlenwasserstoffe)
  • Natürliche Kältemittel
  • HFO (teilhalogenierte Fluor-Olefine)

Die chlorhaltigen Kältemittel FCKW und HFCKW dürfen bei Neuauflagen aufgrund ihrer Ozonschädlichkeit schon seit vielen Jahren nicht mehr zum Einsatz kommen. FKW/HFKW-Kältemittel stellen den Stand der Technik dar und sind in den meisten Wärmepumpen zu finden. Natürliche Kältemittel sind für Neuanlagen, Erweiterungen und Umbauten gemäß der F-Gas-V anzustreben.

Die folgende Übersicht gibt Aufschluss über die wichtigsten heute verwendeten Kältemittel mit der zugehörigen Sicherheitsgruppe und dem Treibhauspotenzial (GWP).2

Kategorie
Kältemittel
Sicherheitsgruppe
GWP
FKW/HFKW
R134a
A1
1.430
FKW/HFKW
R410a
A1
2.090
FKW/HFKW
R407C
A1
1.770
FKW/HFKW
R32
A2L*
675
Natürliche Kältemittel
R290 (Propan)
A3
3
Natürliche Kältemittel
R717 (NH3)
B2L*
0
Natürliche Kältemittel
R744 (CO2)
A1
1
HFO
R1234yf
A2L*
4

*Neue Sicherheitsgruppe gemäß SN EN 378-1:2017

Legende Sicherheitsgruppe:

  • A = Geringe Giftigkeit
  • B = Größere Giftigkeit
  • 1 = Keine Flammenausbreitung
  • 2 = Geringe Brennbarkeit
  • 3 = Größere Brennbarkeit
  • L = Geringe Brenngeschwindigkeit

Die Übersicht zeigt im Wesentlichen zwei Unterschiede zwischen konventionellen FKW/HFKW-Kältemitteln und natürlichen Kältemitteln:

  1. Zum einen weisen FKW/HFKW-Kältemittel einen signifikant höheren GWP-Wert auf.
  2. Zum anderen sind natürliche Kältemittel – mit Ausnahme von CO2 – in der Regel brennbar.

Dennoch gehen Experten davon aus, dass natürlichen Kältemitteln wie R290 die Zukunft gehört.

Vorteile des Kältemittels R290

  • Hohe Vorlauftemperatur bis 70°C möglich

  • Extrem geringer Treibhauseffekt (GWP = 3) im Vergleich zu FKW/HFKW-Kältemitteln

  • Kostengünstig und verfügbar

  • Effizient und erprobt

  • Zukunftssicher

Konventionelle Kältemittel wie R410A, R134a und R407C zeichnen sich im Vergleich zu den natürlichen Kältemitteln vor allem durch eine höhere Sicherheitsstufe aus. Diese erprobten und ausgereiften Kältemittel sind weder toxisch noch brennbar und daher besonders leicht handhabbar. Umweltfreundliche Kältemittel wie R290 haben sich aber schon heute als nachhaltige Alternativen bewährt und erfreuen sich steigender Beliebtheit.

Kosten und Wartung von Kältemitteln für Wärmepumpen

Im Vergleich zu anderen Heizarten gelten Wärmepumpen als sehr wartungsarm. Aufgrund der umweltschädlichen Wirkung des Kältemittels schreibt der Gesetzgeber aber beispielsweise für Wärmepumpen, die mehr als 5 Tonnen CO2-Äquivalente fluorierte Treibhausgase (10 Tonnen  bei hermetisch geschlossenen Einrichtungen) enthalten, eine jährliche Dichtheitsprüfung in der F-Gas-V vor.

Wärmepumpen in Einfamilienhäusern weisen häufig eine Heizleistung von nicht mehr als 6 oder 7 kW auf und überschreiten die 10 Tonnen CO2-Äquivalente Grenze daher in der Regel nicht. Das bedeutet, dass es auch keine fest vorgeschriebenen Wartungsintervalle für diese Wärmepumpen gibt.

Grundsätzlich ist der Kältekreis hermetisch dicht, sodass generell ein Eingriff am Kältekreis über die gesamte Lebensdauer der Heizung nicht nötig ist. Voraussetzung ist natürlich, dass ein ausgebildeter Fachmann oder ein Werkskundendienst die Kältemittelleitung – etwa bei einer Split-Wärmepumpe – in Betrieb genommen hat. Bei Monoblock-Wärmepumpen ist der komplette Kältekreis in einem Außengerät untergebracht – hier entfällt die Installation der Kältemittelleitung ohnehin.

Wartung Wärmepumpe

Wartung der Wärmepumpe: Alle Infos

Wärmepumpen sind wartungsarm. Dennoch sollten Sie ein paar Dinge dazu wissen. Weiterlesen

Auch wenn Wärmepumpen – insbesondere als Monoblock-Ausführung ­im Vergleich zu anderen Heizarten sehr wartungsarm sind, ist es sinnvoll, die wichtigen Bauteile regelmäßig vor Beginn der Heizsaison einer Sichtprüfung zu unterziehen und von einem Fachmann begutachten zu lassen. Die Wartung einer Wärmepumpe kostet in der Regel um die 100 Euro, maximal 150 Euro. Auch die Kosten des Kältemittels selbst halten sich in Grenzen.

Welches Kältemittel lohnt sich für die Wärmepumpe?

Im Zuge der umweltpolitischen Bemühungen um klimafreundlichere Kältemittel wird deutlich, dass die Zukunft den natürlichen Kältemitteln gehört. Umweltbewusste Hersteller führen schon heute innovative Wärmepumpen mit einem umweltfreundlichen Kältemittel in ihrem Portfolio.

Der Hersteller WOLF bietet mit seiner modernen Luft/Wasser-Wärmepumpe CHA-Monoblock beispielsweise ein Modell an, das das innovative Kältemittel R290 mit einem sehr geringen Treibhauspotenzial nutzt. Dennoch werden uns bewährte Kältemittel wie R134a oder R410A noch eine ganze Zeit lang begleiten.

Wenn Sie wissen möchten, welches Kältemittel für Ihren individuellen Anwendungszweck optimal ist, empfehlen wir die fachgerechte Beratung durch einen erfahrenen Heizungsbauer. In unserer Postleitzahl-Suche unten können Sie im nächsten Schritt sogar nach dem Spezialgebiet "Wärmepumpe" filtern.

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1 Bundesverband Wärmepumpe e.V.: BWP Marktzahlen 2018

2 Bundesamt für Umwelt BAFU Schweiz: Übersicht über die wichtigsten Kältemittel

Andreas Wurm

Über den Autor

Andreas Wurm absolvierte seinen Bachelor of Science in Maschinenbau an der RWTH Aachen University und schloss einen Master in Energietechnik (Spezialisierung Erneuerbare Energien) an derselben Universität an. Nach seinem Studium war er von 2014 bis 2016 Projektingenieur in der Branche Heizungs- und Klimatechnik.

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