Natürliche Kältemittel in Wärmepumpen

Wichtige Unterscheidung: Ein natürliches Kältemittel ist keine erneuerbare Wärmequelle. Luft, Erdreich, Wasser und Abwärme stellen Umweltenergie bereit. Das Kältemittel überträgt diese Energie innerhalb der Wärmepumpe.

Was versteht man bei Wärmepumpen unter einem natürlichen Kältemittel?

Ein natürliches Kältemittel ist ein in natürlichen Stoffkreisläufen vorkommender Stoff, der innerhalb eines Kältekreislaufs seinen Druck, seine Temperatur oder seinen Aggregatzustand verändern kann. Aufgrund dieses Verhaltens kann der Stoff Wärme effizient aufnehmen und wieder abgeben.

Das Kältemittel zirkuliert in einem geschlossenen System. Während des Wärmepumpenbetriebs wird es normalerweise nicht verbraucht. Direkte Kältemittelemissionen entstehen nur, wenn der Stoff infolge einer Leckage, Reparatur, Wartung, eines Unfalls oder einer Außerbetriebnahme aus dem System entweicht.

Natürliche Kältemittel gehören verschiedenen chemischen Gruppen an:

• Kohlenwasserstoffe: Propan R290, Isobutan R600a, Propylen R1270
• Anorganische Kältemittel: Kohlendioxid R744, Ammoniak R717, Wasser R718
• Luftprozess-Kältemittel: Luft, die in der Kältemittelnomenklatur üblicherweise als R729 bezeichnet wird

„Natürliches Kältemittel“ ist ein branchenüblicher und technischer Begriff. Es handelt sich nicht um eine einheitliche Sicherheits- oder Effizienzklasse. Die verschiedenen natürlichen Kältemittel weisen sehr unterschiedliche Betriebseigenschaften auf.

Was natürliche Kältemittel nicht sind

Ein natürliches Kältemittel ist nicht automatisch:

• nicht entflammbar,
• ungiftig,
• für jedes Gebäude geeignet,
• unter allen Betriebsbedingungen effizienter,
• mit vorhandenen Verdichtern oder Rohrleitungen kompatibel,
• für eine Kältemittelumrüstung sicher geeignet,
• eine Garantie für einen niedrigen Stromverbrauch.

Die gesamte Wärmepumpe muss auf das ausgewählte Kältemittel ausgelegt sein. Verdichter, Wärmeübertrager, Expansionsorgan, Dichtungen, Schmierstoff, Rohrleitungen, Druckregelungen, elektrische Komponenten, Gehäuse und Sicherheitssystem müssen vollständig kompatibel sein.

Hauptaufgabe natürlicher Kältemittel

Die Hauptaufgabe eines natürlichen Kältemittels besteht darin, thermische Energie durch den Wärmepumpenkreislauf zu transportieren. Es ermöglicht der Wärmepumpe, Wärme auf niedrigem Temperaturniveau aufzunehmen und sie auf einem nutzbaren Temperaturniveau bereitzustellen.

Natürliche Kältemittel erfüllen dieselbe grundlegende thermodynamische Funktion wie fluorierte Kältemittel. Die wesentlichen Unterschiede liegen in ihrer chemischen Zusammensetzung, Klimawirkung, ihren Sicherheitseigenschaften, Betriebsdrücken und ihrer regulatorischen Behandlung.

Funktionsweise des natürlichen Kältemittelkreislaufs

1. Die Verdampfung nimmt Wärme auf.
   Das Kältemittel tritt bei niedrigem Druck in den Verdampfer ein. Dort nimmt es Energie aus der Außenluft, dem Erdreich, dem Grundwasser oder aus Abwärme auf.
2. Die Verdichtung erhöht die Temperatur.
   Der Verdichter erhöht den Druck des Kältemittels. Dabei steigt auch seine Temperatur.
3. Die Wärmeübertragung gibt nutzbare Energie ab.
   Das Kältemittel überträgt Wärme auf das Heizungswasser oder das Trinkwarmwasser des Gebäudes. Die meisten Wärmepumpen verwenden hierfür einen Verflüssiger. Transkritische Kohlendioxidsysteme arbeiten stattdessen häufig mit einem Gaskühler.
4. Die Expansion senkt den Druck.
   Das Expansionsorgan reduziert Druck und Temperatur des Kältemittels. Anschließend beginnt der Kreislauf erneut.

Die Verdampfung erfordert die Zufuhr von Wärme, während die Verdichtung das Kältemittel auf ein Temperaturniveau anhebt, das zur Versorgung des Gebäudes geeignet ist. Dieses Prinzip gilt sowohl für natürliche als auch für fluorierte Kältemittel.

Umweltbezogener Zweck

Natürliche Kältemittel ermöglichen den Umstieg von fluorierten Gasen mit hohem Treibhauspotenzial auf klimaverträglichere Alternativen. Ihre geringe direkte Klimawirkung ist insbesondere dann relevant, wenn Kältemittel aus dem System entweicht.

Regulatorischer Zweck

Natürliche Kältemittel helfen Herstellern und Gebäudeeigentümern, sich auf Einschränkungen für fluorierte Kältemittel vorzubereiten. Sie können die langfristige Produktverfügbarkeit und die Planung langlebiger Anlagen unterstützen.

Betriebstechnischer Zweck

Jedes natürliche Kältemittel eignet sich für unterschiedliche Betriebsbedingungen. R290 wird häufig in Gebäudewärmepumpen eingesetzt. R744 kann bei hohem Trinkwarmwasserbedarf vorteilhaft sein. R717 ist in großen Industrieanlagen etabliert.

Warum natürliche Kältemittel benötigt werden

Das Problem direkter Emissionen

Eine Wärmepumpe überträgt Umweltwärme, ohne dass im Gebäude eine Verbrennung stattfindet. Eine Kältemittelleckage kann jedoch direkte Treibhausgasemissionen verursachen.

Das Ausmaß dieser Emissionen hängt von folgenden Faktoren ab:

• Kältemittelart
• Kältemittelfüllmenge
• GWP-Wert
• Leckagerate
• Verluste bei Wartungsarbeiten
• Kältemittelrückgewinnung am Ende der Nutzungsdauer

Bereits eine kleine Leckage eines Kältemittels mit hohem GWP kann einer erheblichen Menge an Kohlendioxidäquivalenten entsprechen. Natürliche Kältemittel haben in der Regel ein GWP nahe null oder – im Fall von Kohlendioxid – ein Referenz-GWP von eins.

Das regulatorische Problem

Die Verordnung (EU) 2024/573 trat am 11. März 2024 in Kraft. Sie führte eine stärkere schrittweise Reduzierung von HFKW sowie einen gestaffelten Zeitplan mit Beschränkungen für neue Kälte-, Klima- und Wärmepumpenanlagen ein. Die Regelungen gelten unmittelbar in Österreich, Deutschland, Italien, Spanien, Polen, Finnland und den übrigen EU-Mitgliedstaaten.

Zu den wichtigen Fristen für Wärmepumpen gehören:

Diese Fristen betreffen das Inverkehrbringen neuer Geräte. Sie bedeuten nicht automatisch, dass jede bereits installierte Wärmepumpe zum jeweiligen Datum außer Betrieb genommen werden muss. Einschränkungen für Wartung und Instandhaltung, die Verfügbarkeit von Kältemitteln, der Zustand der Anlage und nationale Verpflichtungen müssen gesondert bewertet werden. Die Verordnung enthält außerdem sicherheitsbezogene Ausnahmen unter genau definierten Voraussetzungen.

Da natürliche Kältemittel nicht fluoriert sind, unterliegen sie nicht der schrittweisen HFKW-Quotenreduzierung. Die Wärmepumpe unterliegt jedoch weiterhin Anforderungen an Produktsicherheit, elektrische Sicherheit, Druckfestigkeit, Brandschutz, Bauausführung, Installation und Wartung. Die EU-Zertifizierungsvorschriften erfassen inzwischen auch relevante Alternativen zu F-Gasen, einschließlich natürlicher Kältemittel.

Der regulatorische Rahmen in der Schweiz

Die Schweiz unterliegt nicht unmittelbar der EU-F-Gas-Verordnung. Kältemittel werden dort durch Anhang 2.10 der Chemikalien-Risikoreduktions-Verordnung geregelt, die als ChemRRV beziehungsweise auf Englisch als ORRChem bezeichnet wird.

Der schweizerische Rechtsrahmen zielt darauf ab, Emissionen ozonschichtabbauender und stark klimaschädlicher Kältemittel zu reduzieren. Er wird regelmäßig an den technischen Fortschritt und an Entwicklungen im europäischen Regelungsumfeld angepasst. Ein Projekt in der Schweiz muss daher anhand der jeweils aktuellen schweizerischen Vorschriften geprüft werden und darf nicht automatisch wie ein EU-Projekt behandelt werden.

Das wirtschaftliche Problem

Eine Wärmepumpe ist ein langlebiges technisches Wirtschaftsgut eines Gebäudes. Die Entscheidung für ein bestimmtes Kältemittel kann die Verfügbarkeit von Wartungsleistungen, Reparaturkosten, die Regelkonformität eines Immobilienportfolios, Beschaffungskriterien und die zukünftige Ersatzplanung beeinflussen.

Ein ungeeignet ausgewähltes System kann Gebäudeeigentümer folgenden Risiken aussetzen:

• eingeschränkte zukünftige Produktauswahl,
• höhere Kältemittelkosten,
• begrenzte Wartungs- und Servicekapazitäten,
• erschwerter Austausch von Komponenten,
• vorzeitiger Austausch der gesamten Anlage,
• sicherheitsbedingte Änderungen an der Installation,
• Nichterfüllung umweltbezogener Beschaffungsanforderungen.

Natürliche Kältemittel können einige dieser Risiken reduzieren. Sie ersetzen jedoch nicht die sachgerechte Auslegung des Gesamtsystems.

Das Problem der Gesamtsystemleistung

Ein Kältemittel mit niedrigem GWP kann eine falsche Dimensionierung, hohe Vorlauftemperaturen, übermäßiges Takten, eine unzureichende Wärmedämmung oder ineffiziente Regelungen nicht ausgleichen. Der Stromverbrauch der Wärmepumpe muss gemeinsam mit den direkten Kältemittelemissionen bewertet werden.

Das richtige Ziel besteht nicht lediglich darin, das Kältemittel mit dem niedrigsten GWP auszuwählen. Ziel ist vielmehr ein sicheres, effizientes, wartbares und langfristig regelkonformes Wärmepumpensystem.

Wesentliche Merkmale natürlicher Kältemittel

Ausführliche Erläuterung der Eigenschaften natürlicher Kältemittel

Nicht fluorierte Zusammensetzung

Definition:
Ein nicht fluoriertes Kältemittel enthält kein Fluor als Bestandteil eines HFKW- oder HFO-Kältemittelmoleküls. Zu den natürlichen Kältemitteln gehören Kohlenwasserstoffe und anorganische Stoffe.

Zweck:
Die Zusammensetzung unterscheidet diese Kältemittel von Gasen, die der schrittweisen EU-HFKW-Quotenreduzierung unterliegen.

Vorteile:
Das System ist weniger von der zukünftigen Verfügbarkeit von HFKW und vom quotenbedingten Marktdruck abhängig. Zudem werden direkte Emissionen fluorierter Gase mit hohem GWP vermieden.

Beispiel:
R290 ist ein Kohlenwasserstoff-Kältemittel. Es wird in werkseitig entwickelten Wärmepumpen für Wohngebäude und gewerbliche Anwendungen eingesetzt.

Sehr niedriges Treibhauspotenzial

Definition:
Das Treibhauspotenzial vergleicht die Erwärmungswirkung eines freigesetzten Stoffes über einen festgelegten Zeitraum mit der Wirkung von Kohlendioxid.

Zweck:
Mithilfe des GWP können Planer direkte Kältemittelemissionen als Kohlendioxidäquivalente berechnen.

Vorteile:
Ein Kältemittel mit niedrigem GWP reduziert die direkten Klimafolgen einer Leckage. Es kann außerdem umweltorientierte Beschaffungskriterien und die CO₂-Berichterstattung unterstützen.

Beispiel:
Nach den GWP-Werten, welche die Europäische Kommission für die Verordnung (EU) 2024/573 verwendet, besitzt R290 über einen Zeitraum von 100 Jahren ein GWP von 0,02. R744 hat ein GWP von 1. In älteren Dokumenten können andere Werte angegeben sein, da diese auf früheren wissenschaftlichen Sachstandsberichten beruhen.

Ozonabbaupotenzial von null

Definition:
Das Ozonabbaupotenzial beschreibt die Fähigkeit eines Stoffes, die stratosphärische Ozonschicht zu schädigen.

Zweck:
Diese Kennzahl unterscheidet moderne Kältemittel von älteren FCKW- und HFCKW-Stoffen wie R12 und R22.

Vorteile:
Natürliche Kältemittel wie R290, R744, R717, R600a und R718 haben keine ozonschädigende Wirkung.

Beispiel:
Mit der Auswahl einer R290-Wärmepumpe werden sowohl die Ozonwirkung älterer Kältemittel als auch die hohe direkte Klimawirkung vieler herkömmlicher HFKW vermieden.

Sicherheitsklassifizierung

Definition:
ISO 817 klassifiziert Kältemittel nach ihrer Toxizität und Entflammbarkeit. Der Buchstabe gibt die Toxizitätsklasse an, die Zahl die Entflammbarkeitsklasse.

• A: geringere Toxizität
• B: höhere Toxizität
• 1: keine Flammenausbreitung im standardisierten Prüfverfahren
• 2L: geringere Entflammbarkeit mit niedriger Brenngeschwindigkeit
• 2: geringere Entflammbarkeit
• 3: höhere Entflammbarkeit

Zweck:
Die Sicherheitsklasse bildet eine einheitliche Grundlage für die Geräteauslegung, Füllmengenbegrenzungen, Raumvolumenberechnungen, Installationsbedingungen und Wartungsverfahren.

Vorteile:
Eine eindeutige Klassifizierung ermöglicht Herstellern und Installateuren, die richtigen Maßnahmen zur Risikobeherrschung anzuwenden.

Beispiel:
R290 ist als A3 klassifiziert, da es eine geringere Toxizität, aber eine höhere Entflammbarkeit aufweist. R744 gehört zur Klasse A1. R717 ist als B2L klassifiziert, weil Ammoniak eine höhere Toxizität und eine geringere Entflammbarkeit besitzt. Die Klassifizierung A1 bedeutet nicht, dass keine Risiken bestehen. Gefahren durch hohen Druck, Erstickung oder enge Räume können weiterhin auftreten.

Druck-Temperatur-Verhalten

Definition:
Jedes Kältemittel weist einen spezifischen Zusammenhang zwischen Druck, Temperatur, Dichte und Aggregatzustand auf.

Zweck:
Dieser Zusammenhang bestimmt die Auslegung des Verdichters, die Größe der Wärmeübertrager, die Festigkeit der Rohrleitungen, die Expansionsregelung und den zulässigen Betriebsbereich.

Vorteile:
Ein auf die Anwendung abgestimmtes Kältemittel kann Wärme über den erforderlichen Temperaturhub effizient übertragen.

Beispiel:
R744 arbeitet bei deutlich höheren Drücken als die meisten in Gebäudewärmepumpen verwendeten Kältemittel. R718 kann unter Vakuum betrieben werden und erfordert einen hohen Kältemittelvolumenstrom. Diese Eigenschaften machen speziell entwickelte Komponenten erforderlich und schließen einen einfachen Austausch des Betriebsmediums aus.

Temperaturfähigkeit

Definition:
Die Temperaturfähigkeit beschreibt die Quellen- und Abgabetemperaturen, innerhalb derer der Kältekreislauf sicher und effizient betrieben werden kann.

Zweck:
Sie bestimmt, ob die Wärmepumpe Fußbodenheizungen, Heizkörper, Trinkwarmwassersysteme, industrielle Prozesswärme oder Wärmenetze versorgen kann.

Vorteile:
Eine korrekte Abstimmung verhindert eine übermäßige Belastung des Verdichters und eine schlechte saisonale Leistung.

Beispiel:
R290 wird in Gebäudewärmepumpen eingesetzt, die in geeigneter Systemausführung erhöhte Vorlauftemperaturen erreichen können. R744 ist in Trinkwarmwasser- und gewerblichen Anwendungen etabliert. R717 wird häufig in mittleren und großen Industrieanlagen eingesetzt. Die tatsächlichen Temperaturgrenzen sind stets produktspezifisch.

Energieeffizienz

Definition:
Die Energieeffizienz gibt an, wie viel nutzbare Wärme eine Wärmepumpe je Einheit eingesetzter elektrischer Energie bereitstellt.

Zweck:
Die Effizienz bestimmt die Betriebskosten, die Belastung des Stromnetzes und den größten Teil der indirekten Klimawirkung.

Vorteile:
Eine gut ausgelegte Wärmepumpe mit natürlichem Kältemittel kann geringe direkte Emissionen mit einem niedrigen Stromverbrauch verbinden.

Beispiel:
Zwei R290-Wärmepumpen können unterschiedliche saisonale Effizienzen aufweisen, weil sie verschiedene Verdichter, Wärmeübertrager, Abtaustrategien, Regelungen und hydraulische Konzepte verwenden. Das Kältemittel allein bestimmt nicht den SCOP.

Kältemittelfüllmenge und sichere Einschließung

Definition:
Die Kältemittelfüllmenge ist die Masse des Kältemittels, die sich im Wärmepumpenkreislauf befindet.

Zweck:
Die Begrenzung der Füllmenge reduziert die möglichen Folgen einer Leckage. Kompakte Wärmeübertrager, kurze Kreisläufe, werkseitige Verbindungen und hermetische Komponenten können die erforderliche Füllmenge verringern.

Vorteile:
Eine geringere und sicher eingeschlossene Füllmenge kann das Risikomanagement vereinfachen und potenzielle direkte Emissionen reduzieren.

Beispiel:
Bei einem außen aufgestellten R290-Monoblock verbleibt der geschlossene Kältemittelkreislauf normalerweise im Außengerät. Das Außengerät wird über Wasserleitungen und nicht über Kältemittelleitungen mit dem Gebäude verbunden. Dennoch muss der vom Hersteller festgelegte Sicherheitsbereich eingehalten werden.

Systemarchitektur

Definition:
Die Systemarchitektur beschreibt, wie Kältemittelkreislauf, Wasserkreislauf, Innenkomponenten und Außengerät angeordnet sind.

Zweck:
Die Architektur bestimmt, wo sich das Kältemittel befindet und an welchen Stellen eine Leckage auftreten könnte.

Vorteile:
Eine geeignete Konstruktion kann den Kältemittelkreislauf von Aufenthaltsbereichen trennen, die Zahl der vor Ort hergestellten Verbindungen reduzieren und die Inbetriebnahme vereinfachen.

Beispiel:
Eine in sich geschlossene Wärmepumpe wird werkseitig gefertigt und erfordert vor Ort keine Verbindung gasführender Komponenten. Bei einem Split-System müssen hingegen Kältemittelleitungen zwischen den Geräten hergestellt werden.

Material- und Schmierstoffverträglichkeit

Definition:
Materialverträglichkeit bedeutet, dass Kältemittel, Schmierstoff, Metalle, Dichtungen, Motorisolation und weitere Komponenten zusammen betrieben werden können, ohne schädliche chemische oder mechanische Auswirkungen hervorzurufen.

Zweck:
Die Verträglichkeit schützt die Dichtheit des Kreislaufs, die Wärmeübertragung, die Schmierung und die Lebensdauer des Verdichters.

Vorteile:
Zugelassene Komponenten reduzieren das Risiko vorzeitiger Ausfälle und ungeplanter Leckagen.

Beispiel:
Ein für R32 zugelassener Verdichter darf nicht automatisch als für R290 geeignet angesehen werden. Druckbereich, Schmierstoffverhalten, elektrische Schutzmaßnahmen, Hubvolumen und Sicherheitsregelungen können sich unterscheiden.

Qualifizierte Installation und Wartung

Definition:
Qualifizierter Umgang bedeutet, dass Installation, Instandhaltung, Reparatur, Rückgewinnung und Außerbetriebnahme von Personen durchgeführt werden, die für das jeweilige Kältemittel und die betreffende Anlage geschult sind.

Zweck:
Die Schulung umfasst den Umgang mit entflammbaren oder toxischen Gasen, Hochdrucksystemen, Evakuierung, Dichtheitsprüfung, Rückgewinnung und Notfallverfahren.

Vorteile:
Qualifizierte Wartungsarbeiten verringern das Unfallrisiko und schützen Garantieansprüche, Leistung und Lebensdauer der Anlage.

Beispiel:
Die Durchführungsverordnung (EU) 2024/2215 der Kommission legt Zertifizierungsanforderungen für ortsfeste Wärmepumpenanlagen fest, die F-Gase oder relevante Alternativen, einschließlich natürlicher Kältemittel, enthalten.

Arten natürlicher Kältemittel in Wärmepumpen

Die folgenden Werte beruhen auf der aktuellen GWP-Berechnungsgrundlage der Europäischen Kommission für die Verordnung (EU) 2024/573. In älterer technischer Literatur können abweichende GWP-Werte angegeben sein.

Die Europäische Kommission nennt R290 und R744 als Alternativen für in sich geschlossene Wärmepumpen im Wohnbereich. Für industrielle Wärmepumpen werden außerdem R290, R744 und R717 genannt. R600a ist vor allem in kompakten, geschlossenen Kältesystemen etabliert, während R718 eine Speziallösung bleibt.

Propan R290

R290 ist derzeit für viele europäische Wärmepumpen im Wohnbereich das bedeutendste natürliche Kältemittel. Es besitzt günstige thermodynamische Eigenschaften und kann in geeigneten Systemkonstruktionen hohe Abgabetemperaturen ermöglichen.

Aufgrund der Klassifizierung A3 muss das Gesamtsystem Zündrisiken sicher beherrschen. Hersteller setzen hierzu Kältekreisläufe mit geringer Füllmenge, geschlossene Komponenten, geschützte elektrische Bauteile, Lüftungskonzepte, Außenaufstellung und festgelegte Sicherheitsbereiche ein.

R290 ist nicht dasselbe Produkt wie Propan-Brenngas für Grill- oder Heizzwecke, auch wenn das zugrunde liegende Molekül Propan ist. Wärmepumpen benötigen Material in Kältemittelqualität mit der vorgeschriebenen Reinheit. Gebäudeeigentümer dürfen eine R290-Wärmepumpe keinesfalls aus einer Brenngasflasche nachfüllen.

Isobutan R600a

R600a ist ein Kohlenwasserstoff mit sehr geringer direkter Klimawirkung. Es wird seit Langem in Kühlschränken und kleinen geschlossenen Geräten verwendet.

Seine volumetrische Heiz- oder Kälteleistung ist geringer als die von R290. Für dieselbe Leistung kann daher ein Verdichter mit größerem Hubvolumen erforderlich sein.

R600a ist deshalb häufiger in kompakten Anwendungen als in leistungsstarken Gebäudeheizungssystemen anzutreffen. Wie R290 gehört es zur Sicherheitsklasse A3.

Kohlendioxid R744

R744 ist nicht entflammbar und als A1 klassifiziert. Sein GWP beträgt eins, weil Kohlendioxid das Referenzgas der GWP-Kennzahl ist.

Kohlendioxidsysteme arbeiten bei hohen Drücken. Viele Anlagen werden transkritisch betrieben. Das bedeutet, dass die Wärme während eines Teils des Kreislaufs über einen Gaskühler statt durch eine konventionelle Verflüssigung abgegeben wird.

R744 kann besonders wirksam sein, wenn Wasser über einen großen Temperaturbereich erwärmt werden muss. Es wird in Trinkwarmwasser-Wärmepumpen, gewerblichen Kälteanlagen, Wärmerückgewinnungssystemen und ausgewählten Industrieanlagen eingesetzt.

Ammoniak R717

R717 wird seit vielen Jahren in der industriellen Kältetechnik eingesetzt. In entsprechend ausgelegten großen Anlagen bietet es eine hohe thermodynamische Leistungsfähigkeit.

Die Klassifizierung B2L weist auf eine höhere Toxizität und eine geringere Entflammbarkeit hin. Maschinenraumplanung, Gaswarnanlagen, Lüftung, Notfallverfahren, Materialauswahl und Qualifikation des Betriebspersonals erfordern besondere Aufmerksamkeit.

Ammoniak ist in der Regel für industrielle Wärmepumpen, Lebensmittelproduktion, große Gewerbeanlagen, Abwärmerückgewinnung und Fernwärmeanwendungen relevanter als für einzelne Wohnhäuser.

Wasser R718

Wasser kann in spezialisierten Anlagen als Kältemittel eingesetzt werden. Es ist nicht entflammbar, weist eine geringere Toxizität auf und hat als Kältemittel keine direkte Treibhauswirkung.

Seine physikalischen Eigenschaften stellen jedoch besondere technische Anforderungen. Der niedrige Dampfdruck kann einen Vakuumbetrieb erforderlich machen, während die geringe volumetrische Leistung Verdichter für sehr große Volumenströme erfordert.

R718 ist deshalb ein Spezialkältemittel und keine verbreitete Wahl für Wärmepumpen in Wohngebäuden.

Luft

Luft kann in einer Luftprozess-Wärmepumpe als Arbeitsmedium dienen. Sie ist allgemein verfügbar, nicht fluoriert und verursacht bei einer Leckage keine konventionelle kältemittelbedingte Klimawirkung.

Die Luftprozesstechnik unterscheidet sich von den üblichen Dampfkompressionssystemen wassergeführter Gebäudewärmepumpen. Sie wird hauptsächlich in spezialisierten Verkehrs-, Luftfahrt-, Tieftemperatur- oder Prozessanwendungen eingesetzt.

Wärmepumpenmodelle und Systemarchitekturen mit natürlichen Kältemitteln

Monoblock-Wärmepumpe

Definition:
Bei einem Monoblock befindet sich der wesentliche Kältemittelkreislauf in einer einzigen werkseitig montierten Einheit.

Zweck:
Die Bauweise reduziert vor Ort herzustellende Kältemittelverbindungen und kann das Kältemittel außerhalb des bewohnten Gebäudes halten.

Vorteile:
Der Installateur schließt normalerweise Heizungswasserleitungen und keine Kältemittelleitungen an. Dies kann die sichere Einschließung des Kältemittels vereinfachen.

Beispiel:
Ein außen aufgestellter R290-Luft/Wasser-Monoblock überträgt Wärme auf Wasserleitungen, die in das Gebäude geführt werden.

Split-Wärmepumpe

Definition:
Ein Split-System besteht aus getrennten Innen- und Außengeräten, die durch Kältemittelleitungen miteinander verbunden sind.

Zweck:
Es trennt die Systemkomponenten räumlich und kann das Risiko des Einfrierens außen liegender Wasserleitungen reduzieren.

Vorteile:
Die Architektur bietet Flexibilität bei der Installation.

Beispiel:
Bei einem Split-System können Verdampfer und Verdichter außen angeordnet sein, während sich der Verflüssiger oder das Hydraulikmodul im Gebäude befindet. Die Kältemittelverbindungen müssen von entsprechend qualifizierten Fachkräften hergestellt werden.

Indirektes System oder Sekundärkreissystem

Definition:
Ein indirektes System hält das Kältemittel innerhalb einer kompakten Einheit und überträgt Heiz- oder Kühlenergie über Wasser, Sole oder ein anderes Sekundärmedium.

Zweck:
Es verhindert, dass das Kältemittel durch das gesamte bewohnte Gebäude zirkuliert.

Vorteile:
Die Konstruktion kann die Kältemittelfüllmenge begrenzen und den Einsatz von Kohlenwasserstoffen oder Ammoniak in größeren Gebäuden ermöglichen.

Beispiel:
Ein R290-Kaltwassersatz kann Kaltwasser für Gebläsekonvektoren erzeugen, anstatt Kältemittel in jeden Raum zu leiten.

Kaskaden- und Mehrgerätesysteme

Definition:
Ein Kaskaden- oder Mehrgerätesystem kombiniert zwei oder mehr Wärmepumpenstufen beziehungsweise Einzelgeräte.

Zweck:
Die Anordnung kann die Leistung erhöhen, Redundanz schaffen oder einen größeren gesamten Temperaturhub ermöglichen.

Vorteile:
Betreiber können die Leistung bedarfsgerecht stufen und während Wartungsarbeiten einen Teilbetrieb aufrechterhalten.

Beispiel:
Ein Hotel oder eine Wohnanlage kann mehrere Wärmepumpen mit Führungs-/Folgeschaltung einsetzen, um Raumheizung und Trinkwarmwasser bereitzustellen.

Einsatzbereiche natürlicher Kältemittel

Neue Einfamilienhäuser

Ein Neubau verfügt häufig über eine Niedertemperatur-Fußbodenheizung und eine geringe Heizlast. Diese Bedingungen eignen sich gut für einen effizienten Wärmepumpenbetrieb.

Eine R290-Luft/Wasser- oder erdgekoppelte Wärmepumpe kann eine geringe direkte Kältemittelwirkung mit niedrigen Vorlauftemperaturen verbinden. Die Dimensionierung sollte dennoch auf einer Heizlastberechnung des Gebäudes beruhen.

Wirtschaftliche Relevanz: Der Eigentümer erhält eine Heizungsanlage, die mit der langfristigen Abkehr von fluorierten Kältemitteln im Einklang steht.

Sanierungen mit vorhandenen Heizkörpern

Ältere Gebäude können höhere Vorlauftemperaturen erfordern als Neubauten. Eine Wärmepumpe mit natürlichem Kältemittel kann dennoch geeignet sein, wenn Gebäudeheizlast, Heizkörperleistung, hydraulischer Abgleich und Temperaturanforderungen korrekt bewertet werden.

Einige R290-Wärmepumpen können erhöhte Vorlauftemperaturen bereitstellen. Die höchstmögliche Temperatur sollte jedoch nicht als normaler Auslegungswert verwendet werden. Eine Senkung der erforderlichen Vorlauftemperatur verbessert üblicherweise die Effizienz.

Praktische Umsetzung: Wärmedämmung verbessern, ausgewählte Heizkörper austauschen, das System hydraulisch abgleichen und die Heizkurve optimieren, bevor dauerhaft sehr hohe Vorlauftemperaturen eingeplant werden.

Mehrfamilienhäuser

Mehrfamilienhäuser verbinden größere Raumheizlasten mit einem erheblichen Trinkwarmwasserbedarf. Häufig sind außerdem Redundanz und getrennte Temperaturzonen erforderlich.

Systeme mit natürlichen Kältemitteln können mehrere Wärmepumpen, zentrale Speicher, dezentrale Übergabestationen oder eine Kaskadenregelung nutzen.

Wirtschaftliche Relevanz: Wohnungsunternehmen können die direkten kältemittelbezogenen Risiken eines großen Immobilienportfolios reduzieren und den Anlagenaustausch an den EU-Markt­beschränkungen ausrichten.

Hotels und Gebäude mit hohem Warmwasserbedarf

Hotels benötigen den ganzen Tag über zuverlässig Trinkwarmwasser. Spitzenbedarf, Speichertemperatur, Zirkulationsverluste, Hygienekonzept und Wiederaufheizzeit beeinflussen die Systemauslegung.

Abhängig von Leistung und Temperaturprofil kommen R290, R744 oder größere industrielle Wärmepumpensysteme infrage.

Praktische Umsetzung: Eine Wärmepumpe lädt einen Schichtenspeicher in Zeiten geringer Nachfrage und bereitet sich mithilfe einer intelligenten Regelung auf erwartete Belegungsspitzen vor.

Gewerbegebäude

Büros, Schulen, Einzelhandelsgebäude und gemischt genutzte Immobilien können sowohl Heizung als auch Kühlung benötigen. Eine kompakte Wärmepumpe oder ein Kaltwassersatz mit natürlichem Kältemittel kann ein wassergeführtes Verteilnetz versorgen.

Der indirekte Kreislauf hält das Kältemittel an einem kontrollierten Ort. Gebläsekonvektoren, Kühldecken, Fußbodensysteme oder Lüftungsgeräte werden mit Heiz- oder Kühlwasser versorgt.

Wirtschaftliche Relevanz: Der Eigentümer kann dezentrale Kältemittelkreisläufe durch ein zentrales System mit niedrigem GWP ersetzen.

Industrielle Abwärmerückgewinnung

Industriebetriebe geben häufig nutzbare Wärme aus Kälteanlagen, Produktionsprozessen, Druckluftsystemen, Abwasser oder Datenverarbeitungsanlagen ab. Eine Wärmepumpe kann diese Wärme auf ein für Prozesse oder Wärmenetze nutzbares Temperaturniveau anheben.

R717, R744, R290 und weitere anwendungsspezifische Kältemittel können berücksichtigt werden. Die richtige Auswahl hängt von der Wärmequellentemperatur, der Abgabetemperatur, der erforderlichen Leistung und den Sicherheitsanforderungen des Standorts ab.

Großwärmepumpen mit R290, R744, R717 und verwandten nicht halogenierten Kältemitteln werden bereits in europäischen Industrieanwendungen eingesetzt.

Fern- und Nahwärme

Ein Fern- oder Nahwärmesystem kann Abwasser, Grundwasser, Geothermie, industrielle Abwärme oder Umgebungsluft als Wärmequelle nutzen.

Natürliche Kältemittel können zentrale Wärmepumpenanlagen unterstützen, insbesondere wenn eine hohe Leistung den Aufwand für spezielle Druck-, Maschinenraum- und Sicherheitstechnik rechtfertigt.

Praktische Umsetzung: Mehrere Geräte werden stufenweise betrieben und laden abhängig vom Wärmebedarf und von der Stromverfügbarkeit einen Netzpufferspeicher.

Anwendungen in kaltem Klima

In Österreich, Deutschland, der Schweiz, Polen und Finnland treten längere Perioden mit niedrigen Außentemperaturen auf. Eine Luftwärmepumpe muss deshalb für die örtliche Auslegungstemperatur bewertet werden.

Das Kältemittel ist dabei nur ein Faktor. Betriebsgrenzen des Verdichters, Abtauregelung, Ventilatorleistung, Strategie der Zusatzheizung, Entwässerung und Temperatur des Wärmeabgabesystems beeinflussen das Ergebnis.

Auswahlregel: Vergleichen Sie die deklarierte Leistung und den COP beim tatsächlichen Auslegungspunkt und nicht nur beim üblichen Prüfpunkt A7/W35.

Heizen und Kühlen in warmem Klima

Spanien, Norditalien und andere wärmere Regionen Europas können einen höheren Kühlbedarf und höhere sommerliche Außentemperaturen aufweisen.

Das System muss sowohl im Heiz- als auch im Kühlbetrieb bewertet werden. Verflüssigungs- beziehungsweise Gaskühlerbedingungen, Teillastleistung, Feuchteregelung und Wärmeabfuhr gewinnen an Bedeutung.

Auswahlregel: Verwenden Sie saisonale Heiz- und Kühldaten für die jeweilige Klimazone.

Vorteile natürlicher Kältemittel

Geringere direkte Klimawirkung

Natürliche Kältemittel besitzen nach der derzeitigen EU-Berechnungsgrundlage normalerweise GWP-Werte zwischen null und eins. Eine Leckage verursacht daher deutlich weniger Kohlendioxidäquivalente als bei HFKW-Kältemitteln mit hohem GWP.

Eine Studie des deutschen Umweltbundesamtes kam zu dem Ergebnis, dass Wärmepumpen mit natürlichen Kältemitteln in den modellierten Vergleichen die gesamten Treibhausgasemissionen gegenüber konventionellen HFKW-Wärmepumpen um bis zu 17 % reduzieren könnten. Das genaue Ergebnis hängt von Systemeffizienz, Leckagerate, Strommix und Lebenszyklusannahmen ab.

Höhere regulatorische Zukunftssicherheit

Natürliche Kältemittel unterliegen nicht der HFKW-Quotenreduzierung. Ein Produkt mit natürlichem Kältemittel kann daher die Abhängigkeit von EU-Beschränkungen verringern, die neue F-Gas-Wärmepumpen schrittweise betreffen.

Geringere Abhängigkeit von der Kältemittelversorgung

HFKW-Quoten und Produktverbote können die langfristige Verfügbarkeit und den Preis fluorierter Kältemittel beeinflussen. Ein nicht fluoriertes System reduziert die Abhängigkeit von diesem Markt.

Geringeres kältemittelbezogenes CO₂-Risiko

Unternehmen, die ihre direkten betrieblichen Emissionen berechnen, können Kältemittelverluste als Kohlendioxidäquivalente erfassen. Ein Kältemittel mit sehr niedrigem GWP begrenzt die Größe dieser Emissionsquelle.

Langfristige Anlagenplanung

Gebäude werden häufig über Jahrzehnte genutzt. Ein Wärmepumpensystem, das der langfristigen regulatorischen Entwicklung entspricht, kann das Risiko eines vorzeitigen Austauschs aufgrund einer Veralterung des Kältemittels reduzieren.

Hochtemperaturlösungen

Einige Wärmepumpen mit natürlichen Kältemitteln können erhöhte Vorlauf- oder Warmwassertemperaturen bereitstellen. Diese Eigenschaft kann bei Sanierungen, Hotels, Mehrfamilienhäusern und ausgewählten Industrieprozessen von Vorteil sein.

Die Fähigkeit, hohe Temperaturen bereitzustellen, garantiert jedoch keine hohe Effizienz. Das System sollte immer mit der niedrigsten Temperatur betrieben werden, die den Anforderungen des Gebäudes entspricht.

Gute Ausgangsposition für eine umweltorientierte Beschaffung

Öffentliche Auftraggeber, Wohnungsunternehmen, Projektentwickler und Unternehmen berücksichtigen zunehmend sowohl den Kältemitteltyp als auch die Energieeffizienz. Ein natürliches Kältemittel kann Beschaffungskriterien für niedrige GWP-Werte und Umweltbewertungen von Gebäuden unterstützen.

Potenzial für einen effizienten Betrieb

Natürliche Kältemittel können eine hohe thermodynamische Leistung bieten, wenn das Gerät für die jeweilige Anwendung entwickelt wurde. Die tatsächliche Effizienz hängt dennoch vom vollständigen Produkt und Gesamtsystem ab.

Einschränkungen und Zielkonflikte

Natürliche Kältemittel dürfen nicht als risikofreie Stoffe dargestellt werden. Jede Option verlagert die technische Herausforderung, statt sie vollständig zu beseitigen.

Entflammbarkeit

R290 und R600a gehören zur Sicherheitsklasse A3. Gerätedesign und Installation müssen verhindern, dass ein austretendes Kältemittel in gefährlicher Konzentration eine Zündquelle erreicht.

Typische Schutzmaßnahmen sind:

• geringe Kältemittelfüllmenge,
• werkseitig geschlossene Kreisläufe,
• geschützte elektrische Komponenten,
• kontrollierte Lüftung,
• definierte Sicherheitsbereiche im Außenraum,
• ausreichender Abstand zu Öffnungen, Abläufen, Schächten und Zündquellen,
• kältemittelspezifische Wartungsverfahren.

Die genauen Abstände müssen der aktuellen Herstellerdokumentation und den jeweils geltenden örtlichen Vorschriften entnommen werden.

Toxizität

Bei R717 sind Maßnahmen zur Beherrschung der Toxizität erforderlich. Größere Anlagen können Gaswarnsysteme, Notlüftung, Zugangsbeschränkungen für Maschinenräume, Alarmanlagen und festgelegte Störfallverfahren benötigen.

Hoher Druck

R744-Systeme erfordern Komponenten, Werkzeuge und Wartungsverfahren, die für hohe Drücke ausgelegt sind. Die A1-Klassifizierung beseitigt keine druckbedingten Risiken.

Einschränkungen bei der Aufstellung

Ein R290-Außengerät ist möglicherweise nicht für jeden engen Innenhof, Lichtschacht, Fassadenbereich, Standort nahe einer Grundstücksgrenze oder Bereich in der Nähe von Türen und Fenstern geeignet. Vor der endgültigen Produktauswahl muss eine Standortprüfung durchgeführt werden.

Bedarf an spezialisierten Servicekapazitäten

Systeme mit natürlichen Kältemitteln erfordern Techniker mit geeigneten Kenntnissen und Werkzeugen. Bei gewerblichen und industriellen Projekten muss vor der Beschaffung geprüft werden, ob vor Ort ausreichende Servicekapazitäten verfügbar sind.

Produktspezifische Leistung

Die Verwendung von R290, R744 oder R717 beweist für sich allein keine hohe Effizienz. Saisonale Leistung, Betriebsbereich, Geräuschentwicklung, Abtauverhalten, Modulation und hydraulische Einbindung bleiben produktspezifisch.

Auswahl einer Wärmepumpe mit natürlichem Kältemittel

Schritt 1: Wärmeversorgungsaufgabe definieren

Legen Sie fest, ob das System folgende Funktionen erfüllen muss:

• Raumheizung
• Trinkwarmwasserbereitung
• aktive Kühlung
• passive Kühlung
• Poolheizung
• Prozesswärme
• gleichzeitiges Heizen und Kühlen

Die Leistungsdefinition bestimmt die erforderlichen Temperaturen und Betriebszeiten.

Schritt 2: Gebäudeheizlast berechnen

Verwenden Sie eine anerkannte raumweise oder gebäudebezogene Heizlastberechnung. Dimensionieren Sie die Wärmepumpe nicht ausschließlich anhand der Wohnfläche, der bisherigen Kesselleistung oder des historischen Brennstoffverbrauchs.

Eine korrekte Dimensionierung reduziert Takten, den Einsatz der Zusatzheizung, Geräusche und unnötige Investitionskosten.

Schritt 3: Erforderliche Vorlauftemperatur bestimmen

Messen oder berechnen Sie die Vorlauftemperatur, die beim örtlichen winterlichen Auslegungspunkt erforderlich ist. Bewerten Sie Heizkörperleistung, Fußbodenheizkreise, Lüftungsregister und Trinkwarmwassertemperatur getrennt.

Die niedrigste praktisch mögliche Vorlauftemperatur ermöglicht in der Regel die beste Wärmepumpeneffizienz.

Schritt 4: Wärmequelle auswählen

Vergleichen Sie:

• Außenluft
• Erdsonden oder Erdkollektoren
• Grundwasser
• Oberflächenwasser
• Abwasser
• industrielle Abwärme
• Abluft
• hybride Wärmequellen

Die Wärmequelle beeinflusst saisonale Effizienz, Investitionskosten, Genehmigungen, Geräusche, Abtauverhalten und verfügbare Leistung.

Schritt 5: Kältemittel auf die Anwendung abstimmen

Eine erste praktische Vorauswahl kann wie folgt aussehen:

• R290: Wärmepumpen für Wohn- und Gewerbegebäude
• R744: hoher Trinkwarmwasserbedarf und große Temperaturerhöhung des Wassers
• R717: große Industrie- und Wärmenetzanlagen
• R600a: kleine geschlossene Systeme
• R718: Spezialsysteme mit großen Volumenströmen

Diese Vorauswahl muss anschließend anhand der tatsächlichen Geräteleistung überprüft werden.

Schritt 6: Systemarchitektur auswählen

Entscheiden Sie, ob das Projekt eine der folgenden Lösungen erfordert:

• außen aufgestellter Monoblock,
• innen aufgestelltes Kompaktgerät,
• Split-System,
• sekundärer Wasser- oder Solekreislauf,
• Mehrgeräteinstallation,
• Kaskadensystem.

Die Architektur beeinflusst den Aufenthaltsort des Kältemittels, das Frostrisiko, die Standortgestaltung und die Wartungsanforderungen.

Schritt 7: Sicherheits- und Aufstellungsbewertung durchführen

Prüfen Sie:

• Sicherheitsklasse des Kältemittels
• Kältemittelfüllmenge
• Außen- oder Innenaufstellung
• Raumvolumen
• Lüftung
• Öffnungen und Lufteinlässe
• Abläufe, Schächte und Lichtschächte
• Zündquellen
• Fluchtwege
• öffentlich zugängliche Bereiche
• Brandschutzanforderungen
• vom Hersteller festgelegter Sicherheitsbereich

Diese Bewertung muss vor der endgültigen Festlegung des Gerätestandorts erfolgen.

Schritt 8: Saisonale Leistung vergleichen

Vergleichen Sie Produkte unter gleichwertigen Bedingungen. Berücksichtigen Sie:

• SCOP für die betreffende Klimazone
• COP bei winterlichen Auslegungsbedingungen
• verfügbare Leistung bei niedriger Quellentemperatur
• Leistung bei der erforderlichen Vorlauftemperatur
• Teillastleistung
• minimale Modulationsleistung
• Abtaustrategie
• Hilfsstromverbrauch
• Effizienz der Trinkwarmwasserbereitung
• Schallleistung

Ein hoher Prospekt-COP bei A7/W35 belegt keine gute Leistung bei A−7/W55.

Schritt 9: Regulatorische und servicebezogene Einsatzbereitschaft prüfen

Bestätigen Sie:

• Produktkonformität
• geltende nationale Vorschriften
• Qualifikation des Installateurs
• örtliche Serviceabdeckung
• Ersatzteilstrategie
• Verfahren zur Kältemittelrückgewinnung
• Garantiebedingungen
• Überwachung und Störungsunterstützung

Schritt 10: Das vollständige Energiesystem planen

Die Wärmepumpe muss mit Wärmeabgabesystemen, Speichern, Pumpen, Ventilen, Trinkwarmwasserbereitung, Kühlung, Photovoltaik, Regelung und elektrischem Anschluss abgestimmt werden.

Das Kältemittel ist nur eine Komponente dieses Systems. Es kann eine mangelhafte hydraulische Auslegung oder Regelungsstrategie nicht ausgleichen.

Beschaffungscheckliste für natürliche Kältemittel

Vor der Produktauswahl sollten dem Lieferanten folgende Fragen gestellt werden:

5. Welches Kältemittel verwendet die Wärmepumpe?
6. Welche Sicherheitsklasse hat das Kältemittel?
7. Wie hoch ist die gesamte Kältemittelfüllmenge?
8. Ist der Kreislauf werkseitig hermetisch geschlossen?
9. Werden Kältemittelverbindungen vor Ort hergestellt?
10. Welcher Sicherheitsbereich ist bei Außen- beziehungsweise Innenaufstellung erforderlich?
11. Welche Heizleistung steht bei der örtlichen Auslegungstemperatur zur Verfügung?
12. Welcher COP wird bei der erforderlichen Vorlauftemperatur erreicht?
13. Wie hoch ist die maximale dauerhaft mögliche Vorlauftemperatur?
14. Wie wird das Trinkwarmwasser erzeugt?
15. Wie steuert das System den Abtauvorgang?
16. Wie niedrig ist die minimale Verdichtermodulation?
17. Welche Servicequalifikationen sind erforderlich?
18. Ist vor Ort entsprechend geschultes Servicepersonal verfügbar?
19. Wie wird das Kältemittel am Ende der Nutzungsdauer zurückgewonnen?
20. Kann die Regelung Photovoltaik, Speicher, Stromtarife oder Gebäudeleittechnik einbinden?
21. Erfüllt das Produkt die aktuellen Markt- und Sicherheitsanforderungen?
22. Sind die angegebenen Werte durch ein aktuelles technisches Datenblatt belegt?

Vergleich natürlicher und fluorierter Kältemittel

Natürlich bedeutet nicht automatisch sicherer

R290 hat ein deutlich niedrigeres GWP als R32, besitzt aber eine höhere Entflammbarkeitsklasse. R744 ist nicht entflammbar, arbeitet jedoch bei hohem Druck. R717 kann in großen Anlagen effizient sein, weist aber ein Toxizitätsrisiko auf.

Ein sachgerechter Vergleich muss daher Klimawirkung, Sicherheit, Leistung, Architektur und Service gemeinsam berücksichtigen.

Vergleich von R290 und R32

R290 besitzt eine deutlich geringere direkte Klimawirkung. R32 ist weniger entflammbar, bleibt jedoch ein fluoriertes Treibhausgas mit einem GWP von 675 nach der aktuellen EU-Berechnungsgrundlage.

Keines der beiden Kältemittel garantiert eine höhere saisonale Effizienz. Vollständige Produkte müssen unter denselben Quellen- und Wassertemperaturbedingungen verglichen werden.

Vergleich von R290 und R744

R290 ist häufig die direktere Wahl für konventionelle wassergeführte Gebäudeheizungen. R744 kann attraktiv sein, wenn kaltes Wasser über einen großen Temperaturbereich erwärmt werden muss.

Vergleich von R290 und R717

R290 eignet sich in der Regel besser für kompakte Gebäudeprodukte. R717 ist dort gut etabliert, wo die Projektgröße eine spezialisierte industrielle Auslegung und Betriebsführung rechtfertigt.

Natürliches Kältemittel im Verhältnis zu hoher Effizienz

Ein natürliches Kältemittel und eine hohe Effizienz sind voneinander getrennte Produkteigenschaften. Eine Wärmepumpe kann ein Kältemittel mit sehr niedrigem GWP verwenden und dennoch aufgrund falscher Dimensionierung, hoher Vorlauftemperaturen, schlechter Regelung oder ungeeigneter hydraulischer Einbindung ineffizient arbeiten.

Die Auswahl sollte in folgender Reihenfolge erfolgen:

23. Bestätigen, dass das Produkt die erforderliche Last und Temperatur bereitstellen kann.
24. Bestätigen, dass die Installation sicher durchgeführt werden kann.
25. Die saisonale Effizienz unter relevanten Bedingungen vergleichen.
26. GWP und regulatorische Zukunftssicherheit des Kältemittels bewerten.
27. Service, Regelung, Geräuschentwicklung und Unterstützung über den Lebenszyklus prüfen.

Das beste Umweltergebnis verbindet:

• ein natürliches Kältemittel oder ein Kältemittel mit sehr niedrigem GWP,
• hohe saisonale Effizienz,
• geringe Kältemittelfüllmenge,
• zuverlässige Dichtheit,
• niedrigen Wärmebedarf des Gebäudes,
• niedrige Vorlauftemperatur,
• erneuerbaren oder CO₂-armen Strom,
• intelligenten Betrieb,
• ordnungsgemäße Kältemittelrückgewinnung.

Integration mit anderen Wärmepumpensystemen

Integration mit der Wärmequelle

Definition:
Die Wärmequelle stellt dem Verdampfer Umwelt- oder Abwärme auf niedrigem Temperaturniveau bereit.

Zweck:
Sie bestimmt Temperatur und Stabilität der Energie, die in den Kältemittelkreislauf eintritt.

Vorteile:
Eine stabile und vergleichsweise warme Quelle reduziert den erforderlichen Temperaturhub des Verdichters.

Beispiel:
Eine erdgekoppelte R290-Wärmepumpe kann im Winter stabilere Quellentemperaturen erhalten als eine Luftwärmepumpe.

Integration mit der Wärmeverteilung

Definition:
Die Wärmeverteilung überträgt die Energie der Wärmepumpe über Fußbodenheizungen, Heizkörper, Gebläsekonvektoren oder Luftsysteme in die Räume.

Zweck:
Das Wärmeverteilsystem definiert die erforderliche Vorlauftemperatur und den benötigten Wasservolumenstrom.

Vorteile:
Groß dimensionierte Heizflächen und hydraulisch abgeglichene Kreise ermöglichen niedrigere Temperaturen und eine höhere Effizienz.

Beispiel:
Durch den Austausch ausgewählter Heizkörper kann die Auslegungsvorlauftemperatur von 65 °C auf 50 °C gesenkt werden.

Integration der Trinkwarmwasserbereitung

Definition:
Bei der Trinkwarmwasserintegration wird die Wärmepumpe mit einem Speicher, einer Frischwasserstation oder einem anderen Warmwassersystem verbunden.

Zweck:
Sie versorgt Duschen, Waschbecken, Küchen und andere sanitäre Anwendungen.

Vorteile:
Ein richtig bemessenes Speichervolumen und eine geeignete Regelung reduzieren den Einsatz elektrischer Zusatzheizung und unnötigen Hochtemperaturbetrieb.

Beispiel:
Die Regelung lädt den oberen Speicherbereich für den unmittelbaren Bedarf, während im unteren Bereich Wasser mit niedrigerer Temperatur für einen effizienten Wärmepumpenbetrieb erhalten bleibt.

Integration mit einem Pufferspeicher

Definition:
Ein Pufferspeicher speichert Heiz- oder Kühlwasser zwischen Wärmepumpe und Verteilsystem.

Zweck:
Er kann eine hydraulische Entkopplung, ein Mindestwasservolumen, Energie für die Abtauung oder eine Lastverschiebung bereitstellen.

Vorteile:
Ein richtig ausgelegter Speicher kann den Betrieb stabilisieren und eine flexible Stromnutzung unterstützen.

Beispiel:
Die Wärmepumpe erhöht die Puffertemperatur geringfügig, wenn Photovoltaikstrom zur Verfügung steht.

Ein Pufferspeicher sollte ein klar definiertes hydraulisches oder regelungstechnisches Problem lösen. Ein überdimensionierter oder falsch eingebundener Speicher kann Wärmeverluste und Betriebstemperaturen erhöhen.

Integration der Kühlung

Definition:
Eine reversible Wärmepumpe kehrt den Kältemittelkreislauf um, um dem Gebäude Wärme zu entziehen.

Zweck:
Sie stellt über dasselbe thermische System sommerlichen Komfort bereit.

Vorteile:
Ein System kann Heizung, Kühlung und Trinkwarmwasser bereitstellen.

Beispiel:
Eine R290-Luft/Wasser-Wärmepumpe versorgt Gebläsekonvektoren mit Kaltwasser und berücksichtigt gleichzeitig die Grenzen zur Vermeidung von Kondensation.

Integration mit Photovoltaik

Definition:
Die PV-Integration koordiniert den Wärmepumpenbetrieb mit der vor Ort erzeugten Solarenergie.

Zweck:
Geeignete Heiz-, Kühl- oder Warmwasserlasten werden in Zeiten hoher Solarstromerzeugung verschoben.

Vorteile:
Das Gebäude kann seinen Eigenverbrauch erhöhen und den Strombezug aus dem Netz reduzieren.

Beispiel:
Bei überschüssigem PV-Strom erwärmt die Regelung das Trinkwarmwasser oder einen Pufferspeicher vor.

Integration mit einem Energiemanagementsystem

Definition:
Ein Energiemanagementsystem koordiniert die Wärmepumpe mit Wetterdaten, Stromtarifen, Speichern, Zonen und weiteren Energieanlagen.

Zweck:
Es wählt effiziente Betriebszeiten aus, ohne den Komfort zu beeinträchtigen.

Vorteile:
Das System kann die Betriebskosten reduzieren, ohne dass Kältemittel oder Wärmepumpenhardware verändert werden müssen.

Beispiel:
Eine vorausschauende Regelung verschiebt eine flexible Speicherladung auf einen Zeitpunkt, zu dem günstigere Strompreise oder Solarstrom erwartet werden.

Integration mit Gebäudeleittechnik

Definition:
Eine Gebäudeleittechnik überwacht und steuert mehrere Heizkreise, Pumpen, Ventile, Zähler, Alarme und Wärmeerzeuger.

Zweck:
Sie koordiniert die Wärmepumpe mit dem gesamten Gebäude.

Vorteile:
Facility-Manager erhalten eine zentrale Überwachung, Störungsmeldungen und Energiedaten.

Beispiel:
Die Gebäudeleittechnik eines Hotels schaltet Wärmepumpenstufen abhängig von Speichertemperaturen, Raumbedarf und verfügbarer elektrischer Anschlussleistung frei.

Integration von Kaskadensystemen

Definition:
Eine Kaskadenintegration koordiniert mehrere Wärmepumpen oder Temperaturstufen.

Zweck:
Sie erhöht Leistung, Effizienz, Redundanz oder den möglichen Temperaturhub.

Vorteile:
Die Regelung kann Betriebsstunden gleichmäßig verteilen und während Wartungsarbeiten einen Teil der Leistung aufrechterhalten.

Beispiel:
Drei Wärmepumpen mit natürlichen Kältemitteln werden nacheinander zugeschaltet, wenn eine Wohnanlage vom geringen nächtlichen Bedarf in die morgendliche Warmwasserspitze übergeht.

Umsetzung einer Wärmepumpe mit natürlichem Kältemittel

Projektbedingungen ermitteln

Dokumentieren Sie Gebäudeheizlast, Wärmequellentemperatur, Vorlauftemperatur, Trinkwarmwasserbedarf, Kühlbedarf, verfügbare elektrische Leistung und den vorhandenen Installationsraum.

Speziell entwickeltes Gerät auswählen

Wählen Sie eine Wärmepumpe, die für das betreffende natürliche Kältemittel entwickelt und zugelassen wurde. Das Kältemittel darf nicht getrennt vom Gerät ausgewählt werden.

Installationsort bestätigen

Prüfen Sie Geräuschentwicklung, Luftströmung, Wartungszugang, Entwässerung, Schnee, Überflutungsrisiko, Öffnungen, Zündquellen und den vom Hersteller vorgeschriebenen Kältemittel-Sicherheitsbereich.

Hydraulische Auslegung durchführen

Legen Sie Volumenströme, Rohrdurchmesser, Pumpen, Ventile, Pufferspeicheranordnung, Wärmeabgabesysteme, Trinkwarmwasserbereitung, Frostschutz und Wasserqualität fest.

Elektrische und regelungstechnische Integration planen

Prüfen Sie Anschlussleistung, Schutzeinrichtungen, Zusatzheizung, Smart-Grid-Signale, PV-Schnittstellen, Zähler und Kommunikation mit der Gebäudeleittechnik.

Qualifizierte Installateure einsetzen

Der Installateur muss das Kältemittel, die Gerätearchitektur, Druckprüfung, Leckagekontrolle, Evakuierung, Einschränkungen beim Befüllen und den Inbetriebnahmeprozess beherrschen.

Gesamtsystem in Betrieb nehmen

Bei der Inbetriebnahme sollten folgende Punkte geprüft werden:

• Integrität des Kältemittelkreislaufs, sofern relevant
• Heizungswasservolumenstrom
• Heizkurve
• Verdichtermodulation
• Abtaubetrieb
• Einstellungen der Trinkwarmwasserbereitung
• Regelung der Zusatzheizung
• Funktion von Pumpen und Ventilen
• Sicherheitseinrichtungen
• Alarmmeldungen
• Energieüberwachung
• Einweisung der Nutzer

Betrieb überwachen

Überprüfen Sie Stromverbrauch, Wärmeabgabe, Vorlauftemperatur, Verdichterstarts, Betriebsstunden der Zusatzheizung, Störungen und saisonale Leistung.

Sicherheitsbereich freihalten

Bauliche Veränderungen können die Konformität einer bestehenden Installation beeinträchtigen. Eigentümer sollten keine Einhausungen, Schuppen, Abläufe, elektrischen Geräte, Lufteinlässe oder andere Hindernisse im Bereich des Geräts ergänzen, ohne zuvor die Produktanforderungen zu prüfen.

Rückgewinnung am Ende der Nutzungsdauer planen

„Natürlich“ bedeutet nicht, dass eine absichtliche Freisetzung des Kältemittels fachgerecht wäre. Die Außerbetriebnahme muss nach den Vorgaben des Herstellers und den geltenden Vorschriften für Rückgewinnung, Transport und Entsorgung erfolgen.

Eine bestehende Wärmepumpe darf nicht auf R290, R744 oder ein anderes Kältemittel umgerüstet werden, sofern der Hersteller die Umrüstung nicht ausdrücklich genehmigt hat. Kältemittel sind keine beliebig austauschbaren Betriebsmedien.

Normen und technischer Referenzrahmen

Zu den häufig verwendeten technischen Bezugspunkten gehören:

• ISO 817:2024: Bezeichnung und Sicherheitsklassifizierung von Kältemitteln
• EN 378-1:2016+A1:2020: Grundlegende sicherheitstechnische und umweltrelevante Anforderungen an Kälteanlagen und Wärmepumpen
• IEC 60335-2-40:2024: Besondere Sicherheitsanforderungen für elektrische Wärmepumpen, Klimageräte und Luftentfeuchter
• Verordnung (EU) 2024/573: EU-Vorschriften über fluorierte Treibhausgase
• Durchführungsverordnung (EU) 2024/2215 der Kommission: Zertifizierungsanforderungen für Anlagen, die F-Gase oder relevante Alternativen enthalten

ISO 817 legt das Klassifizierungssystem fest. EN 378 behandelt sicherheitstechnische und umweltrelevante Anforderungen auf Systemebene. IEC 60335-2-40 behandelt Produktgefahren für die betreffenden Wärmepumpen- und Klimageräte. Die Anwendbarkeit hängt vom Produkt, der nationalen Umsetzung, dem gesetzlichen Rahmen und den jeweiligen Projektbedingungen ab.

Normen ersetzen nicht die Installationsdokumentation des Herstellers. Überschneiden sich verschiedene Anforderungen, ist die strengere anwendbare Vorgabe einzuhalten.

iDM betrachtet das Kältemittel als Bestandteil eines vollständigen thermischen Energiesystems. Die richtige Lösung beginnt mit der Gebäudeheizlast, der Wärmequelle, der Vorlauftemperatur, dem Trinkwarmwasserbedarf, dem Verteilsystem und der Regelungsstrategie.

Die Baureihe iDM iPUMP A ONE verwendet R290 und kombiniert Heizung, aktive Kühlung und Trinkwarmwasserbereitung. Nach aktuellen Produktinformationen sind Vorlauftemperaturen von bis zu 70 °C sowie ein integrierter 320-Liter-Warmwasserspeicher vorgesehen. Die iPUMP T7 ONE nutzt R290 in Verbindung mit Geothermie oder Grundwasser und kann ebenfalls Vorlauftemperaturen von bis zu 70 °C erreichen. Produktverfügbarkeit und technische Daten können je nach Modell und Markt variieren.

Die Entscheidung für das Kältemittel sollte anschließend durch einen intelligenten Betrieb ergänzt werden. Die Energiemanagement-Umgebung NAVIGATOR von iDM kann Heizung, Kühlung, Trinkwarmwasser, Photovoltaikerzeugung, Zonen und weitere Systemfunktionen koordinieren. Eine vorausschauende Regelung kann außerdem Wetterbedingungen, Strompreise, PV-Ertrag und Nutzerverhalten berücksichtigen.

Daraus ergibt sich eine vollständige Entscheidungskette:

Natürliches Kältemittel → korrekt dimensionierte Wärmepumpe → Niedertemperatur-Wärmeverteilung → intelligente Regelung → Integration erneuerbarer Elektrizität → geringere Umweltwirkung über den Lebenszyklus

Häufig gestellte Fragen zu natürlichen Kältemitteln

Sind natürliche Kältemittel sicher?

Natürliche Kältemittel können in Geräten, die speziell für sie entwickelt wurden, sicher eingesetzt werden. Ihre Risiken unterscheiden sich jedoch. R290 ist entflammbar, R717 ist toxisch und geringfügig entflammbar, und R744 arbeitet bei hohem Druck. Die Sicherheit hängt von Geräteauslegung, Füllmenge, Aufstellung, Installation, Regelung und qualifiziertem Service ab.

Ist R290 dasselbe wie Propan?

R290 ist Propan, das als Kältemittel verwendet wird. Wärmepumpen benötigen Propan in Kältemittelqualität mit kontrollierter Reinheit. Propanflaschen in Brenngasqualität dürfen nicht zur Wartung oder Befüllung einer Wärmepumpe verwendet werden.

Ist ein natürliches Kältemittel immer besser als R32?

R290 hat ein deutlich niedrigeres GWP als R32, besitzt jedoch eine höhere Entflammbarkeitsklasse. Der vollständige Vergleich muss Sicherheit, saisonale Leistung, Standort, Architektur, Service und regulatorische Anforderungen umfassen.

Kann eine bestehende R32- oder R410A-Wärmepumpe auf R290 umgerüstet werden?

Im Allgemeinen nicht. Verdichter, elektrische Schutzmaßnahmen, Wärmeübertrager, Regelungen, Rohrleitungen, Schmierstoff und Sicherheitskonzept können inkompatibel sein. Eine Umrüstung darf nur im Rahmen eines vom Hersteller ausdrücklich genehmigten Verfahrens erfolgen.

Reduzieren natürliche Kältemittel den Stromverbrauch?

Nicht automatisch. Der Stromverbrauch hängt von der vollständigen Wärmepumpenkonstruktion und ihrer Einbindung in das Gebäude ab. Verglichen werden sollten SCOP, COP am Auslegungspunkt, Modulationsfähigkeit, Vorlauftemperatur, Regelung und Hilfsenergieverbrauch.

Welches natürliche Kältemittel eignet sich am besten für eine Wärmepumpe in einem Wohngebäude?

R290 ist derzeit für viele wassergeführte Wärmepumpen in europäischen Wohngebäuden die am weitesten verbreitete natürliche Kältemitteloption. Das am besten geeignete Produkt hängt dennoch vom Gebäude, Standort, der Wärmequelle und den Temperaturanforderungen ab.

Welches natürliche Kältemittel eignet sich am besten für Trinkwarmwasser?

Sowohl R290 als auch R744 können für Trinkwarmwasseranwendungen eingesetzt werden. R744 kann besonders interessant sein, wenn Wasser über einen großen Temperaturbereich erwärmt werden muss. Die Produkteffizienz muss unter den tatsächlich vorgesehenen Wasserbedingungen geprüft werden.

Welches natürliche Kältemittel eignet sich am besten für die Industrie?

R717, R744 und R290 gehören zu den häufigsten Kandidaten. Die richtige Auswahl hängt von Leistung, Wärmequellentemperatur, Prozesstemperatur, vorhandener Sicherheitsinfrastruktur und Fachkompetenz am Standort ab.

Sind Wärmepumpen mit fluorierten Kältemitteln bereits verboten?

Es besteht kein sofortiges pauschales Verbot sämtlicher Wärmepumpen mit fluorierten Kältemitteln. Die Verordnung (EU) 2024/573 führt unterschiedliche Fristen für das Inverkehrbringen ein, die von Gerätekategorie, Leistung, Architektur, GWP und Sicherheitsbedingungen abhängen.

Kann eine R290-Wärmepumpe in einem kalten Klima betrieben werden?

Ja, sofern das Produkt für das örtliche Klima ausgelegt ist. Prüfen Sie Leistung, COP, Betriebsgrenzen, Abtaustrategie, Zusatzheizung und Geräuschentwicklung bei der tatsächlichen winterlichen Auslegungstemperatur.

Enthält ein R290-Monoblock Kältemittel im Gebäude?

Bei einem außen aufgestellten Monoblock verbleibt der Kältemittelkreislauf normalerweise im Außengerät. In das Gebäude werden Heizungswasserleitungen geführt. Die genaue Architektur und die Sicherheitsanforderungen müssen anhand der Produktdokumentation bestätigt werden.

Müssen Wärmepumpen mit natürlichen Kältemitteln gewartet werden?

Ja. Die Wärmepumpe enthält weiterhin Verdichter, Pumpen, Ventile, Wärmeübertrager, Regelungen, Filter, Wasserkreisläufe, Sicherheitseinrichtungen und elektrische Komponenten. Die Wartungsanforderungen hängen vom jeweiligen Produkt und von der Installation ab.