Effizienzvergleich Mitsubishi Electric Wärmepumpensysteme
Vergleichen Sie die Effizienz von Luft-Luft- und Luft-Wasser-Wärmepumpen. Der Beitrag erläutert JAZ-Werte und thermodynamische Grundlagen gemäß EU-F-Gase-Verordnung.
Thermodynamische Grundlagen und Effizienzkennzahlen moderner Wärmepumpen
Im Zuge der verschärften Vorgaben des Gebäudeenergiegesetzes (GEG) und der novellierten europäischen F-Gase-Verordnung (EU) 2024/573 steht die thermodynamische Güte von Wärmepumpenanlagen im Zentrum technischer Bewertungen. Sowohl Luft-Luft- als auch Luft-Wasser-Wärmepumpen basieren auf dem linkslaufenden Joule-Thomson- bzw. Rankine-Verdampfungskreislauf. Das theoretische Effizienzmaximum wird dabei über den Carnot-Gütegrad definiert, welcher das Verhältnis der absoluten Verdampfungstemperatur $T_0$ zur Verflüssigungstemperatur $T_c$ beschreibt:
$$COP_{Carnot} = \frac{T_c}{T_c - T_0}$$
In realen Anlagen wird dieser ideale Prozess durch irreversible Druckverluste in Sauggas- und Heißgasleitungen, mechanische und elektrische Motorverluste im Verdichter sowie exergetische Verluste im Expansionsorgan gemindert. Der reale Leistungskoeffizient (COP nach DIN EN 14511) misst den Quotienten aus abgegebener Heizleistung $\dot{Q}{Heiz}$ und aufgenommener elektrischer Leistung $P{el}$ unter stationären Laborbedingungen (etwa A2/W35 oder A7/W35 für Luft-Wasser bzw. A7/A20 für Luft-Luft-Wärmepumpen).
Für den Praxisbetrieb entscheidend ist jedoch die Jahresarbeitszahl (JAZ nach VDI 4650) beziehungsweise die jahreszeitbedingte Raumheizungs-Energieeffizienz $\eta_s$ (SCOP gemäß DIN EN 14825). Während der COP eine Momentaufnahme bei konstanter Temperaturdifferenz darstellt, bilanziert die JAZ sämtliche über das Kalenderjahr transferierten Wärmemengen inklusive der Hilfsenergien (z. B. für Abtauprozesse, Sole- oder Heizkreispumpen und Standby-Elektronik) im Verhältnis zur gesamten elektrischen Arbeit:
$$JAZ = \frac{\int \dot{Q}{ab} , dt}{\int P{el,gesamt} , dt}$$
Die Hersteller-Entwicklungen von Mitsubishi Electric demonstrieren in besonderem Maße, wie sich durch den gezielten Einsatz von Inverter-Scroll- und Rollkolbenverdichtern, variabler Flash-Injection-Technologie und optimierten Plattenwärmetauschern minimale Temperaturgrätschen und somit Jahresaufwandszahlen deutlich unter dem GEG-Referenzwert von 1,0 erreichen lassen.
Kältekreistechnik: Flash-Injection und Inverter-Rollkolbenverdichter
Ein physikalisches Kernproblem konventioneller Luft-Wärmepumpen ist das Absinken der Heizleistung bei sinkenden Außentemperaturen. Bei geringer Quellentemperatur fällt der Saugdruck im Verdampfer drastisch ab. Dies führt zu einer Zunahme des spezifischen Volumens des Kältemitteldampfes am Verdichtereintritt, wodurch der effektive Massenstrom sinkt. Parallel dazu steigen das Druckverhältnis $\Pi = p_c / p_0$ und die Heißgastemperatur am Verdichteraustritt stark an, was den Verdichter thermisch belastet.
Funktionsweise der Zubadan-Flash-Injection
Mitsubishi Electric begegnet diesem Phänomen mit dem patentierten Zubadan-Kältekreis. Bei diesem Verfahren wird der Hauptkältemittelmassenstrom nach der Verflüssigung durch einen internen Economizer (Plattenwärmetauscher als Unterkühler) geführt. Ein geringer Teilstrom expandiert über ein elektronisches Expansionsventil (EEV) auf Zwischendruckniveau und verdampft im Gegenstrom im Unterkühler. Dieser erzeugte Zweiphasen-Dampf wird über einen zusätzlichen Einspritzkanal direkt in die Verdichtungskammern des Scrollverdichters injiziert.
[Verdampfer] ---> (Saugdruck p0) ---> [Verdichterstufe 1]
^
(Zwischendruck p_int)
[Flash Injection / EEV]
|
[Heizkreis-Kondensator] <--- [Heißgas pc] <-- [Verdichterstufe 2]
Durch diese Zwischenkühlung wird die Heißgastemperatur begrenzt, während der Gesamtmassenstrom des Kältemittels durch den Kondensator auch bei Außenlufttemperaturen von bis zu -15 °C stabil gehalten wird. Ein bivalenter Zusatzheizer (Elektrostab) muss dadurch selbst in extremen Frostperioden nicht zugeschaltet werden, was die reale Jahresarbeitszahl im Altbau signifikant anhebt.
Luft-Luft vs. Luft-Wasser: Ein thermodynamischer Systemvergleich
Im Portfolio von Mitsubishi Electric decken Luft-Luft-Wärmepumpen (wie die M-Serie MSZ/MUZ oder die gewerblichen Mr. Slim- und City Multi VRF-Systeme) sowie Luft-Wasser-Systeme (Ecodan Serie, z. B. PUZ-Monoblöcke) unterschiedliche Anforderungsprofile ab. Aus thermodynamischer Sicht unterscheiden sich beide Prinzipien gravierend in ihren Übergangswiderständen und Verflüssigungstemperaturen.
| Kriterium | Luft-Luft-Wärmepumpe (z. B. M-Serie / Mr. Slim) | Luft-Wasser-Wärmepumpe (z. B. Ecodan PUZ) | | :--- | :--- | :--- | | Wärmeüberträger (Kondensator) | Direktverdampfung / Luftkühler im Raum (DX) | Plattenwärmetauscher Kältemittel / Heizwasser | | Typische Verflüssigungstemperatur | 30 °C bis 38 °C (direkt auf Raumluft) | 35 °C (Flächenheizung) bis 65 °C (Radiatoren) | | Temperaturspreizung $\Delta T$ | $\approx 8$ bis 12 K an der Luftausblasung | $\approx 5$ bis 7 K im Heizwasserkreis | | Abtauverfahren | 4-Wege-Ventil Umkehrung, teils Heißgasbypass | Kreislaufumkehr unter Nutzung des Heizungspuffers | | Hilfsenergie-Bedarf | Niedrig (lediglich DC-Ventilatormotoren) | Moderat bis hoch (Hocheffizienz-Heizkreispumpen) | | SCOP / JAZ (gemäß EN 14825) | SCOP Heizen typisch 4,6 bis 5,2 | SCOP 35 °C typisch 4,5 bis 5,1; SCOP 55 °C 3,4 bis 3,9 |
Luft-Luft-Wärmepumpen erzielen durch den Wegfall des Zwischenmediums Wasser exzellente momentane Wirkungsgrade. Die Wärme wird direkt über die Lamellen des Raumgerätes an die Raumluft abgegeben, wodurch die Verflüssigungstemperatur um 5 bis 10 Kelvin tiefer liegen kann als bei einem Heizwassernetz. Demgegenüber steht die Luft-Wasser-Wärmepumpe als hydraulisch integriertes Vollheizsystem, das über Pufferspeicher thermische Trägheit nutzt und die hygienische Trinkwassererwärmung zentral sicherstellt.
Hydraulische Einbindung, Druckverluste und Abtauenergien nach VDI 4645
Bei Luft-Wasser-Wärmepumpen wie der Ecodan-Serie entscheidet die hydraulische Verschaltung über den realen Betriebswirkungsgrad. Planungsfehler im hydraulischen Netz führen zu drastischen JAZ-Einbußen.
Mindestvolumenstrom und Überströmung
Moderne Inverter-Wärmepumpen modulieren ihre Leistung typischerweise zwischen 30 % und 100 %. Für den störungsfreien Betrieb und insbesondere die Kältekreisumkehr beim Abtauen muss stets ein definierter Mindestvolumenstrom $\dot{V}_{min}$ gewährleistet sein. Schließen raumweise Einzelraumregelungen (ERR) die thermoelektrischen Stellantriebe der Fußbodenheizung, bricht der Durchfluss zusammen. Ohne ausreichende Überström- oder Reihenpuffervolumina friert der Plattenwärmetauscher im Abtaumodus ein.
Für den Druckverlust $\Delta p$ im hydraulischen Kreis gilt:
$$\Delta p = \zeta \cdot \frac{\rho}{2} \cdot v^2 + R \cdot l$$
Ein zu klein dimensionierter Rohrdurchmesser treibt die Pumpenleistung der Hocheffizienzpumpe exponentiell nach oben. Um die Hilfsenergiebilanz nach DIN EN 14825 niedrig zu halten, empfiehlt Mitsubishi Electric für Ecodan-Systeme standardmäßig Rohrnennweiten von mindestens Cu 28 mm oder Verbundrohr 32 mm bis zum hydraulischen Verteiler.
[Außengerät Ecodan Monoblock]
|
|-- Vorlauf (isolierte Fernwärmeleitung, diffusionsdicht)
v
[Schlammabscheider mit Magnetitfilter] ---> [Reihen-Rücklaufpuffer (Abtaureserve)]
^ |
|-- Rücklauf <--- [Hocheffizienzpumpe] <------------+
Dimensionierungsbeispiel: JAZ-Berechnung nach VDI 4650
Ein modernisiertes Einfamilienhaus mit einer Normheizlast von $8\text{ kW}$ bei $T_{ne} = -12\text{ \textdegree C}$ verfügt über ein gemischtes Heizkörpersystem (Auslegung $50/42\text{ \textdegree C}$). Der jährliche Nutzwärmebedarf für Heizen beträgt $16.000\text{ kWh}$, für Trinkwarmwasserbereitung $3.000\text{ kWh}$ ($T_{WW} = 55\text{ \textdegree C}$).
- Heizbetrieb: Die mittlere Betriebstemperatur beträgt $42\text{ \textdegree C}$. Mit der modulierenden Zubadan-Technologie erreicht das System einen saisonalen Deckungsgrad im Heizbetrieb mit einem gewichteten COP von $3{,}95$.
- Warmwasserbetrieb: Aufgrund des höheren Temperaturniveaus liegt der mittlere Wirkungsgrad hier bei $COP_{WW} = 2{,}60$.
- Hilfsenergieverbrauch: Die Umwälzpumpe und Regelungseinheit verbrauchen ca. $180\text{ kWh/a}$.
$$\text{Elektrische Energie Heizen: } W_{el,H} = \frac{16.000\text{ kWh}}{3{,}95} \approx 4.050{,}6\text{ kWh}$$ $$\text{Elektrische Energie Warmwasser: } W_{el,WW} = \frac{3.000\text{ kWh}}{2{,}60} \approx 1.153{,}8\text{ kWh}$$ $$W_{el,gesamt} = 4.050{,}6 + 1.153{,}8 + 180 = 5.384{,}4\text{ kWh}$$ $$JAZ = \frac{16.000 + 3.000}{5.384{,}4} = \frac{19.000}{5.384{,}4} \approx 3{,}53$$
Mit einer errechneten JAZ von $3{,}53$ erfüllt die Anlage spielend die Fördervorgaben des BAFA / der BEG-Richtlinie (Mindest-JAZ $\ge 3{,}0$) und erzeugt pro Kilowattstunde Strom mehr als 3,5 Kilowattstunden Nutzwärme.
Kältemittel-Trends: Übergang zu R290 (Propan) und R32
Mitsubishi Electric forciert die Kältemittel-Transformation zweigleisig:
- Luft-Wasser-Monoblock: Hier setzt sich Propan ($R290$, $GWP = 0{,}02$) durch. Propan zeichnet sich durch ein sehr günstiges Druckverhältnis und eine hohe kritische Temperatur ($96{,}7\text{ \textdegree C}$) aus. Dies ermöglicht Vorlauftemperaturen von bis zu $75\text{ \textdegree C}$ ohne elektrische Nachheizung bei gleichzeitig geringer Verdichtungsendtemperatur.
- Luft-Luft- und Split-Systeme: Aufgrund der Sicherheitsanforderungen nach DIN EN 378 (A3-Kältemittel in Innenräumen) dominiert bei Split-Klimaanlagen und VRF-Systemen wie City Multi das schwer entflammbare Kältemittel $R32$ ($GWP = 675$, A2L), das gegenüber dem früheren R410A eine um rund 68 % verringerte Treibhauswirkung und eine um ca. 8 % höhere volumetrische Kälteleistung aufweist.
Fazit und Planungsempfehlung
Die Wahl zwischen Luft-Luft- und Luft-Wasser-Wärmepumpen hängt primär von den bauseitigen Rahmenbedingungen ab. Luft-Luft-Systeme glänzen durch unübertroffen schnelle Reaktionszeiten und hohe saisonale Heizeffizienzen bei minimalem Installationsaufwand in Hallen, Bürokomplexen oder der gezielten Wohnraumtemperierung. Luft-Wasser-Systeme wie die Ecodan-Reihe bieten im Zusammenspiel mit der Zubadan-Einspritzung und modernen Kältemitteln die universelle hydraulische Lösung für Sanierung und Neubau.
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Hersteller-Videos und Social Media
Passende Videos des Herstellers:
- Ecodan Luft/Wasser-Wärmepumpen von Mitsubishi Electric
- Funktionsprinzip der Zubadan Inverter-Technologie
Aktuelle Beiträge des Herstellers in den sozialen Medien:
Bildverweise
- 1.Quelle: Mitsubishi Electric Europe B.V., Fachkataloge Klima- und Wärmepumpensysteme; DIN EN 14825; VDI 4650.
- 2.Bild: Mitsubishi Electric Pressematerial.
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