Daikin Altherma 4 Hydrosplit: R290-Wärmepumpentechnik

Dekarbonisierung im Wärmesektor: Herausforderungen und Kältemittelwandel

Die schrittweise Verschärfung der europäischen F-Gase-Verordnung (EU) 2024/573 stellt Planer, Fachhandwerker und Systemhersteller vor neue kältetechnische Randbedingungen. Bis zum Jahr 2027 müssen steckbare und geschlossene Monoblock- sowie Hydrosplit-Wärmepumpen mit Kältemitteln betrieben werden, deren Treibhauspotenzial (Global Warming Potential, GWP) unter dem Schwellenwert von 150 liegt. Während R32 (GWP 675, Sicherheitsklasse A2L) im Segment der Multi-Split-Klimasysteme und VRV-Anlagen weiterhin die zentrale Technologie darstellt, etabliert DAIKIN im Bereich der Luft-Wasser-Wärmepumpen das Kältemittel Propan (R290, GWP 0,02, Sicherheitsklasse A3).

Mit der Wärmepumpengeneration Daikin Altherma 4 begegnet der Hersteller den strengen Vorgaben des Gebäudeenergiegesetzes (GEG) und den Anforderungen der Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG). Die zentrale ingenieurtechnische Herausforderung besteht darin, das hochentzündliche Fluid R290 so in den Kältekreis einzubinden, dass maximale Vorlauftemperaturen für Bestandsradiatoren realisiert werden können, ohne dass im Gebäudeinneren Sicherheitsrisiken durch Kältemittelleckagen entstehen.

Das Konzept der Hydrosplit-Architektur

Im Gegensatz zu klassischen Split-Wärmepumpen, bei denen Kältemittelleitungen direkt bis in den Innenraum zum Plattenwärmetauscher geführt werden, setzt DAIKIN bei der Altherma 4 H auf eine sogenannte Hydrosplit-Bauweise. Hierbei verbleibt der vollständige hermetisch dichte Kältekreis im Außengerät. Der Übergang der thermischen Energie vom Kältemittel auf das Heizungswasser erfolgt innerhalb der Außeneinheit über einen integrierten Plattenwärmetauscher.

Die Verbindungsleitung zwischen Außeneinheit und der Inneneinheit (beispielsweise als reine Wandhydraulik Daikin Altherma 4 H W oder mit integriertem Edelstahl- bzw. Kunststoff-Wärmespeicher ECH2O) transportiert ausschließlich konditioniertes Heizungswasser bzw. ein Wasser-Glykol-Gemisch. Durch diese Bauweise entfallen aufwendige Sicherheitsvorkehrungen bezüglich des Kältemittelfüllvolumens im Innenbereich gemäß DIN EN 378 gänzlich. Der Aufstellort im Außenbereich muss jedoch definierte Schutzbereiche um Lichtschächte, Kellerfenster und elektrische Zündquellen berücksichtigen, da Propan schwerer als Luft ist und sich im Leckagefall am Boden ansammeln kann.

Kältekreis-Thermodynamik und Verdichterauslegung

Die thermodynamische Überlegenheit von R290 gegenüber herkömmlichen Kältemitteln zeigt sich vor allem in seiner hohen spezifischen Verdampfungsenthalpie und der niedrigen Drucklage bei vergleichbaren Verdampfungstemperaturen. DAIKIN setzt in der Altherma 4 H einen eigenentwickelten Scroll-Inverterverdichter ein, der speziell auf das Verhalten von Propan abgestimmt ist.

Im linkslaufenden Dampfkompressionsprozess verdampft das flüssige R290 im Lamellenrohr-Wärmetauscher unter Aufnahme von Umgebungswärme. Das elektronische Expansionsventil regelt dabei exakt die Überhitzung (typischerweise zwischen 3 und 5 Kelvin), um den Verdampfer maximal auszunutzen und gleichzeitig Flüssigkeitsschläge im Verdichter zuverlässig auszuschließen. Im Verdichter erfolgt die polytrope Kompression auf den Heißgasdruck. Aufgrund der physikalischen Eigenschaften von R290 bleibt die Heißgastemperatur am Verdichteraustritt moderat, was den Einsatz von aufwendigen Zwischeneinspritzungen (Flash-Gas Injection) in vielen Betriebspunkten erübrigt und den Kompressor thermisch schont.

Carnot-Gütegrad und Effizienzvergleich

Der theoretische Grenz-COP einer Kompressionswärmepumpe wird durch den Carnot-Wirkungsgrad bestimmt, der sich aus der Verdampfungstemperatur $T_0$ und der Verflüssigungstemperatur $T_c$ in Kelvin berechnet:

$$\text{COP}_{\text{Carnot}} = \frac{T_c}{T_c - T_0}$$

In der Praxis wird der reale Gütegrad (Carnot-Gütegrad $\eta_C$) durch Druckverluste im Lamellenwärmetauscher, isentrope und mechanische Verdichterwirkungsgrade sowie Wärmeübertragungsgrädigkeiten an den Wärmetauschern gemindert. Moderne R290-Scrollverdichter erreichen in Kombination mit invertergeregelten bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC) im Teillastbetrieb Gütegrade von über 50 Prozent.

| Betriebspunkt (EN 14511) | Vorlauftemperatur / Rücklauf | Typischer COP (Daikin Altherma 4 H) | Carnot-COP (theoretisch) | Gütegrad $\eta_C$ | | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | | A7 / W35 (Fußbodenheizung) | 35 °C / 30 °C | 4,95 | 9,94 | ~ 0,50 | | A2 / W35 (Normprüfpunkt) | 35 °C / 30 °C | 4,10 | 8,43 | ~ 0,49 | | A-7 / W35 (Winterteillast) | 35 °C / 30 °C | 3,15 | 6,55 | ~ 0,48 | | A-7 / W55 (Bestandsradiatoren) | 55 °C / 47 °C | 2,35 | 5,05 | ~ 0,47 | | A-15 / W65 (Extremer Frost) | 65 °C / 55 °C | 1,85 | 4,23 | ~ 0,44 |

Die Altherma 4 H realisiert durch diesen optimierten Kreisprozess Vorlauftemperaturen von bis zu 75 °C bei einer Außentemperatur von bis zu –15 °C. Damit eignet sich das System ohne den zwingenden Einsatz von elektrischen Zusatzheizstäben für die energetische Sanierung ungedämmter Ein- und Mehrfamilienhäuser mit konventionellen Glieder- oder Plattenheizkörpern.

Jahresarbeitszahl (JAZ) und Auslegung nach VDI 4650

Für die wirtschaftliche Bewertung und die Förderfähigkeit im Rahmen der BEG ist nicht der stationäre Momentan-COP nach EN 14511 entscheidend, sondern die über die gesamte Heizperiode ermittelte Jahresarbeitszahl (JAZ bzw. SCOP nach EN 14825). Die Berechnung nach VDI-Richtlinie 4650 Blatt 1 berücksichtigt:

1. Den standortspezifischen Temperaturverlauf (Klimazone).
2. Die minimale Norm-Außentemperatur nach DIN/TS 12831-1.
3. Die hydraulische Heizkurve (Vorlauftemperatur in Abhängigkeit von der Außentemperatur).
4. Den Warmwasseranteil und die Speichertemperatur (typischerweise 55 °C bis 60 °C zur thermischen Desinfektion).
5. Die Hilfsenergieaufnahme von Umwälzpumpen und Regelelektronik.

Beispielrechnung: Bestandsgebäude mit Radiatoren

Betrachtet wird ein teilsaniertes Einfamilienhaus (Baujahr 1982, beheizte Fläche 160 m², Heizlast 11 kW bei einer Norm-Außentemperatur von –12 °C). Die maximale Vorlauftemperatur bei Auslegungsfrost beträgt 55 °C, die Grenztemperatur für den Heizbetrieb liegt bei 15 °C.

$$\text{JAZ} = \frac{Q_{\text{Heiz}} + Q_{\text{Trinkwasser}}}{W_{\text{el, Verdichter}} + W_{\text{el, Hilfs}} + W_{\text{el, Heizstab}}}$$

Bei einem jährlichen Raumwärmebedarf von 16.500 kWh und einem Trinkwarmwasserbedarf von 3.200 kWh (Gesamtwärmebedarf: 19.700 kWh) erreicht die Daikin Altherma 4 H durch die Inverter-Leistungsanpassung und die hohe Effizienz im Übergangsbereich (Teillast COP > 4,2 bei Außenlufttemperaturen über 5 °C) eine berechnete Jahresarbeitszahl von:

• JAZ Raumwärme (55 °C max): ca. 3,85
• JAZ Trinkwarmwasser (60 °C): ca. 2,65
• Gesamt-JAZ des Systems: ca. 3,61

Mit einer JAZ von über 3,6 übertrifft die Anlage den für BEG-Fördermittel geforderten Mindestwert von 3,0 (für Bestandsbauten) deutlich und sichert niedrige Betriebskosten bei aktuellen Strompreisen.

Hydraulische Einbindung, Abtauung und Systemkomponenten

Ein wesentlicher Aspekt bei der Projektierung von Hydrosplit-Wärmepumpen ist die hydraulische Schaltung im Innenbereich. Propan-Wärmepumpen benötigen zur schnellen und effizienten Prozessumkehr beim Abtauen (Heißgas-Abtauung) eine minimale im System gespeicherte Wärmemenge.

Mindestvolumenstrom und Pufferanordnung

Fällt die Verdampfertemperatur unter den Taupunkt der Außenluft und liegt gleichzeitig die Lamellentemperatur unter 0 °C, schlägt sich Luftfeuchtigkeit als Reif auf dem Verdampfer nieder. Der Lamellenabstand und die Beschichtung des Daikin-Verdampfers minimieren die Vereisungsneigung. Dennoch muss das System in regelmäßigen Abständen über ein 4-Wege-Ventil in den Kühlbetrieb umschalten, um das Eis mit Heißgas abzutauen.

Um ein Takten des Verdichters zu verhindern und den notwendigen Abtau-Volumenstrom sicherzustellen, schreibt DAIKIN die Einhaltung eines systemspezifischen Mindest-Umlaufvolumens vor. Dies lässt sich auf zwei Wegen lösen:

1. Reihenspeicher mit Überströmventil: Ein Pufferbehälter im Rücklauf vergrößert das Systemvolumen. Ein differenzdruckgeregeltes Überströmventil stellt den Mindestdurchfluss sicher, falls Thermostatventile an den Heizkörpern schließen. Vorteil: Höchste Effizienz, da keine hydraulische Entkopplung mit Temperaturmischung erfolgt.
2. Trenn-Pufferspeicher mit zweiter Umwälzpumpe: Bei stark variierenden Heizkreisen oder komplexen Mischkreisen entkoppelt eine hydraulische Weiche bzw. ein 4-Rohr-Pufferspeicher den Erzeuger- vom Verbraucherkreis. Dies erfordert jedoch eine präzise Abstimmung der Förderströme zur Vermeidung von Rücklaufanhebungen, die den COP reduzieren würden.

Frostschutz der hydraulischen Verbindungsleitungen

Da bei Hydrosplit-Anlagen Heizwasser durch das Außengerät fließt, muss das Einfrieren der Leitungen bei Stromausfall im Winter verhindert werden. DAIKIN löst dies wahlweise über:

• Frostschutzventile: Diese mechanischen Ventile öffnen stromlos bei Wassertemperaturen unter 3 °C und entleeren den Außenkreis kontrolliert über einen Tropftrichter.
• Zwischenkreis mit Trennwärmetauscher und Glykol: Hierbei zirkuliert im Außenbereich ein frostsicheres Wasser-Glykol-Gemisch. Zwar bedingt der zusätzliche Plattenübertrager einen thermodynamischen Temperaturverlust von 1 bis 2 K, bietet jedoch absolute Betriebssicherheit bei extremen Witterungslagen.

Praxis-Check: Schalldruck und Abstandsflächen

Neben der Hydraulik ist die Akustik ein zentrales Kriterium bei der Genehmigung und Errichtung im urbanen Umfeld gemäß TA Lärm. Die Daikin Altherma 4 H nutzt einen großvolumigen Axialventilator mit aerodynamisch optimierten Sichelflügeln. Durch den Verzicht auf hohe Drehzahlen und eine schallgedämmte Verdichterkapselung liegt der Schallleistungspegel im Normalbetrieb bei unter 55 dB(A). Im zuschaltbaren Nacht-Flüsterbetrieb reduziert die Steuerung die Verdichter- und Ventilatordrehzahl, wodurch der Schallemissionswert um bis zu 6 bis 8 dB(A) sinkt. Damit lässt sich auch auf kleinen Grundstücken der geforderte Immissionsrichtwert von 35 dB(A) im reinen Wohngebiet bei Nacht problemlos einhalten.

Für Fachbetriebe, TGA-Planer und Endkunden, die moderne Luft-Wasser- oder Luft-Luft-Wärmepumpensysteme auslegen und beziehen möchten, bietet der Fachshop www.klimacorner.de eine herstellerunabhängige Fachberatung sowie maßgeschneiderte Systemlösungen für Neubau und Bestandssanierung.

Hersteller-Videos und Social Media

Passende Videos des Herstellers:

• DAIKIN Altherma 4 Product Launch Presentation

Aktuelle Beiträge des Herstellers in den sozialen Medien:

• LinkedIn – Daikin präsentiert neue Wärmepumpenlösungen mit R290 und zukunftsweisenden Kältekreisläufen für die europäische Dekarbonisierung.