S-Klima Luft-Luft-Wärmepumpen: Jahresaufwandszahlen und Kältekreisdynamik im Systemvergleich

Die Dekarbonisierung des Wärmesektors verlangt nach technologieoffenen, hochgradig effizienten Lösungen sowohl im Wohnungsneubau als auch bei anspruchsvollen Bestandsmodernisierungen. Während wassergeführte Luft-Wasser-Wärmepumpen im mitteleuropäischen Markt traditionell stark vertreten sind, gewinnen dezentrale sowie multizonale Luft-Luft-Wärmepumpen rasant an Bedeutung. S-Klima – als exklusiver Vertriebs- und Systempartner von Mitsubishi Heavy Industries in Deutschland – setzt hierbei auf hochentwickelte Direktverdampfungssysteme (DX-Systeme), die das thermodynamische Potenzial des Kältekreises unmittelbar im Raum nutzen. Doch wie verhalten sich Jahresarbeitszahl (JAZ), Seasonal Coefficient of Performance (SCOP) und die energetische Jahresaufwandszahl ($e_g$) im realen Anlagenbetrieb im Vergleich zu wassergeführten Hydrauliken? Ein tiefer Blick in Thermodynamik, Regelungstechnik und Auslegungsnormen liefert die Antworten.

Thermodynamische Grundlagen: Direkte Wärmeübertragung versus Kaskadierungsverluste

Das Kernprinzip jeder Kompressionswärmepumpe beruht auf dem thermodynamischen Kreisprozess nach Carnot bzw. dem realen linksdrehenden Dampfkompressionsprozess im Druck-Enthalpie-Diagramm (log p,h-Diagramm). Das flüssige Kältemittel nimmt bei niedrigem Druck im Verdampfer durch Phasenwechsel Umgebungswärme auf, wird im dampfförmigen Zustand durch den Verdichter auf ein höheres Druck- und Temperaturniveau komprimiert und gibt die Verflüssigungsenthalpie am Kondensator ab, bevor es im elektronischen Expansionsventil (EEV) wieder entspannt wird.

Der theoretische Carnot-Gütegrad bestimmt die maximal erreichbare Leistungszahl: $$\text{COP}{\text{Carnot}} = \frac{T{\text{warm}}}{T_{\text{warm}} - T_{\text{kalt}}}$$ wobei alle Temperaturen in Kelvin angegeben werden.

Genau an dieser Schnittstelle zeigt sich der fundamentale Unterschied zwischen Luft-Luft- und Luft-Wasser-Systemen:

1. Luft-Wasser-Wärmepumpen erfordern einen doppelten Wärmeübertragungs-Schritt. Das verdichtete Kältemittel kondensiert zunächst in einem Plattenwärmetauscher und überträgt die Wärme auf das zirkulierende Heizungswasser. Dieses Wasser fließt anschließend durch Rohrleitungen zum Raumheizkörper oder zur Flächenheizung, wo der Wärmeübergang an die Raumluft erfolgt. Jeder Plattenwärmetauscher erfordert eine logarithmische Temperaturdifferenz (Grädigkeit) von meist 3 bis 5 Kelvin. Hinzu kommen Druckverluste und hydraulische Pumpenleistungen.
2. Luft-Luft-Systeme (Direktverdampfung) leiten das Kältemittel direkt in die Innengeräte des Raumes. Das Kältemittel kondensiert unmittelbar im Lamellenwärmetauscher der Raumklimaeinheit und erwärmt die Raumluft ohne sekundären Wärmeträger. Durch den Wegfall des Zwischenkreislaufs kann die Verflüssigungstemperatur ($T_c$) bei gleicher Ziel-Raumtemperatur ($21^\circ\text{C}$) signifikant niedriger gehalten werden – typischerweise bei $32^\circ\text{C}$ bis $38^\circ\text{C}$ statt der bei Heizkörpern oft notwendigen $45^\circ\text{C}$ bis $55^\circ\text{C}$.

Jede Absenkung der Verflüssigungstemperatur um 1 Kelvin senkt das Druckverhältnis des Verdichters und steigert die Leistungszahl (COP) erfahrungsgemäß um rund 2 bis 3 Prozent.

Gegenüberstellung der Systemkonzepte nach energetischen Parametern

| Kriterium | S-Klima Luft-Luft-Wärmepumpe (DX) | Standard Luft-Wasser-Wärmepumpe (Hydraulik) | | :--- | :--- | :--- | | Wärmeübertragungsmedium | Kältemittel (R32 / R410A) direkt an Luft | Kältemittel an Wasser, Wasser an Raumluft | | Typische Verflüssigungstemperatur ($T_c$) | $32^\circ\text{C} - 38^\circ\text{C}$ | $38^\circ\text{C} - 55^\circ\text{C}$ (je nach Heizfläche) | | Wärmeverteilungsverluste | Nahezu null (gedämmte Kältemittelleitungen) | Rohrleitungsverluste, Speicherverluste, Zirkulation | | Hilfsenergiebedarf | Sehr gering (Gleichstromlüftermotor) | Umwälzpumpe (Hocheffizienz) + Raumlüfter falls Fancoil | | Reaktionszeit / Dynamik | Hochdynamisch (wenige Minuten) | Träge (Aufheizung des Wasservolumens und Estrichs) | | Jahresaufwandszahl $e_g$ nach DIN V 4701-10 | Typisch 0,22 – 0,28 (sehr effizient) | Typisch 0,26 – 0,35 |

Kältekreiskomponenten und Inverter-Präzision in S-Klima-Systemen

Die von S-Klima vertriebenen Systeme aus der Fertigung von Mitsubishi Heavy Industries nutzen hochentwickelte Rollkolben- und Scrollverdichter mit Neodym-Permanentmagnet-Motoren. Die stufenlose Drehzahlregelung über feldorientierte Vektor-Inverter passt den Kältemittel-Massenstrom $(\dot{m})$ in Echtzeit an die thermische Gebäude- und Raumlast an: $$\dot{Q}_H = \dot{m} \cdot \Delta h$$

Durch das elektronische Expansionsventil (EEV) mit bis zu 500 feingetakteten Impulsschritten wird die Überhitzung am Verdampferausgang exakt im Bereich von 3 bis 5 K geregelt. Dies garantiert zwei entscheidende Betriebsvorteile:

• Verdichterschutz: Tropfenförmiges Kältemittel wird zuverlässig vor dem Eintritt in die Saugkammer verdampft (Vermeidung von Flüssigkeitsschlägen).
• Effizienzoptimierung: Der Verdampfer wird maximal mit nasser Zweiphasenströmung benetzt, was den inneren Wärmeübergangskoeffizienten maximiert.

Im Teillastbereich – der gemäß DIN EN 14825 über 90 Prozent der mitteleuropäischen Heizperiode ausmacht – arbeitet der Inverter-Kältekreis mit reduzierten internen Strömungsverlusten. Die Wärmeübertragerflächen sind bezogen auf den verringerten Kältemittel-Massenstrom überdimensioniert. Dadurch nähert sich die Verdampfungstemperatur ($T_0$) der Außenlufttemperatur an, während die Kondensationstemperatur sinkt. Das Druckverhältnis $\Pi = p_c / p_0$ verringert sich drastisch, was in Teillast-Leistungszahlen (COP) von weit über 5,0 resultiert.

Praxisbeispiel zur Jahresaufwandszahl und Leistungszahlermittlung

Betrachten wir eine Gewerbeeinheit oder ein modernes Wohngebäude mit einer Heizlast von $8{,}0,\text{kW}$ bei der Norm-Außentemperatur von $-10^\circ\text{C}$. Der Jahreswärmebedarf ($Q_h$) betrage $16.000,\text{kWh/a}$.

Wird das Gebäude über ein modulierendes S-Klima Multi-Split- oder VRF-System versorgt, ergibt sich bei einer gewichteten saisonalen Leistungszahl (SCOP nach EN 14825) von $4{,}35$ folgender jährlicher elektrischer Endenergiebedarf ($W_{\text{el}}$): $$W_{\text{el}} = \frac{Q_h}{\text{SCOP}} = \frac{16.000,\text{kWh}}{4{,}35} \approx 3.678,\text{kWh/a}$$

Die anlagentechnische Jahresaufwandszahl $e_g$ des Erzeugersystems (definiert als Kehrwert der Jahresarbeitszahl unter Einbeziehung von Hilfsenergien) beziffert sich damit auf: $$e_g = \frac{W_{\text{el}} + W_{\text{Hilf}}}{Q_h} = \frac{3.678 + 95}{16.000} \approx 0{,}236$$

Verglichen mit einer konventionellen Luft-Wasser-Wärmepumpe im Bestandsbau mit Vorlauftemperaturen von $50^\circ\text{C}$ (typischer SCOP ca. $3{,}2$, $e_g \approx 0{,}32$) verbraucht das Direktverdampfungssystem rund 26 Prozent weniger elektrische Antriebsenergie.

Normative Einordnung: DIN EN 14511, DIN EN 14825 und GEG 2026

Für Planer und TGA-Fachingenieure ist die normative Einordnung der Luft-Luft-Wärmepumpen essenziell. Die Laborprüfung erfolgt standardmäßig nach DIN EN 14511 (Bedingungen A7/L20 bzw. A2/L20), während die jahreszeitliche Effizienz im Heizbetrieb nach DIN EN 14825 über das Referenzklima (Klimazone 'Average' / Straßburg) berechnet wird. Hierbei fließen Teillastzustände bei $-7^\circ\text{C}$, $2^\circ\text{C}$, $7^\circ\text{C}$ und $12^\circ\text{C}$ gewichtet in den SCOP ein.

Im Rahmen des Gebäudeenergiegesetzes (GEG) und der aktuellen Förderrichtlinien der Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) erfüllen moderne Inverter-Luft-Luft-Wärmepumpen von S-Klima die geforderten Mindesteffizienzen mühelos. Wichtig für die Förderpraxis: Luft-Luft-Wärmepumpen müssen gemäß BEG-Vorgaben netzdienlich ansteuerbar sein (z. B. über SG-Ready-Schnittstellen oder übergeordnete BACnet/Modbus-Gateways) und als primäres Heizsystem für die Raumtemperierung dimensioniert werden.

Darüber hinaus verlangt die überarbeitete EU-F-Gase-Verordnung strenge Dichtheits- und GWP-Grenzwerte. S-Klima forciert daher kontinuierlich Systeme mit dem Sicherheitskältemittel R32 (GWP 675), das gegenüber dem früheren R410A (GWP 2088) eine um ca. 68 Prozent geringere Treibhausgaswirkung sowie eine um bis zu 8 Prozent höhere thermodynamische Kältekreis-Effizienz aufweist.

Hydraulik entfällt: Bauliche und raumklimatische Vorteile im Bestand

Ein wesentliches Hindernis bei der Sanierung von Mehrfamilienhäusern, Bürokomplexen oder Arztpraxen ist die hydraulische Verteilung. Veraltete Rohrdimensionierungen, korrodierte Steigstränge oder fehlende Flächenheizungen limitieren oft den Einsatz von Niedertemperatur-Wasserwärmepumpen. Bei Luft-Luft-Wärmepumpen entfällt dieses Problem vollständig:

• Kein hydraulischer Abgleich erforderlich: Wo bei wassergeführten Systemen aufwendige Berechnungen nach DIN EN 12831 und VDI 2073 nötig sind, arbeitet das DX-System autark über den Kältemittel-Massenstrom.
• Keine Einfriergefahr: Monoblock-Außeninstallationen mit Wasserleitungen im Freien erfordern Frostschutzventile oder Glykolgemische (die wiederum die Wärmekapazität senken und Druckverluste erhöhen). Kältemittelleitungen im Außenbereich sind bis tief in den zweistelligen Minusbereich frostsicher.
• Entfeuchtungsfunktion im Sommer: Während reversible Luft-Wasser-Systeme bei stiller Kühlung über Fußböden stets durch den Raumtaupunkt (Taupunktüberwachung nach DIN 1946-6 / VDI 6022) begrenzt sind, kühlen und entfeuchten Direktverdampfungs-Innengeräte aktiv. Die Enthalpieabnahme der Raumluft sorgt auch bei feucht-warmen Sommerbedingungen für ein physiologisch optimales Wohlfühlklima.

Fazit und Planungsempfehlung für das Fachhandwerk

Luft-Luft-Wärmepumpen haben das Image einfacher Klimasplitgeräte längst abgestreift. Die modernen Inverter-Direktverdampfungssysteme von S-Klima repräsentieren vollwertige, hochgradig effiziente Ganzjahres-Heizsysteme mit thermodynamischen Systemvorteilen gegenüber wassergeführten Wärmepumpen. Durch den Verzicht auf sekundäre Wärmeübertrager und die Fähigkeit zur exakten Teillastmodulation erreichen sie herausragende Jahresaufwandszahlen und minimale Betriebskosten.

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