Hochtemperatur-Wärmepumpen

Hochtemperatur-Wärmepumpen (HT-WP) heben die Temperaturen kostenfreier Umweltwärmequellen auf ein besonders hohes Niveau. Während konventionelle Geräte häufig bei Vorlauftemperaturen von 55–65 °C enden, liefern Hochtemperatur-Systeme sogar 80–100 °C – und erschließen damit Anwendungen, in denen hohe Prozesstemperaturen oder saubere Trinkwarmwasserbereitung gefordert sind.

Der nachstehende Beitrag ordnet die Technik ein, zeigt typische Einsatzfelder und bewertet Kosten, Förderung sowie Vor- und Nachteile dieser Technologie.

Funktionsweise

Wie jede Wärmepumpe arbeitet auch die HT-WP nach dem Verdichtungsprinzip: Ein Kältemittel nimmt über den Verdampfer Umweltwärme auf, diese wird verdichtet (Temperatur steigt) und über den Verflüssiger an Heizung oder Prozess abgegeben; über das Expansionsventil beginnt der Kreis erneut. Um sehr hohe Vorläufe bereitzustellen, setzen Hersteller auf besondere Auslegungen.

Ein besonderes Konstruktionsprinzip bei Hochtemperatur-Wärmepumpen sind Zweikreis- bzw. Kaskadenprozesse. Dabei werden zwei Kältemittelkreise hintereinandergeschaltet, die jeweils mit speziell abgestimmten Arbeitsstoffen und Druckniveaus betrieben werden. Auf diese Weise lassen sich Vorlauftemperaturen von 80 bis 100 Grad Celsius effizienter erzielen, als es mit einem Einzelkreis möglich wäre. Untersuchungen des Fraunhofer-Instituts zeigen, dass für Temperaturen zwischen 75 und 85 Grad Celsius realistische Leistungszahlen (COP) im Bereich von etwa 2,5 bis 3,3 erreichbar sind – abhängig von Wärmequelle, Temperaturhub und der konkreten Auslegung.

Auch die Wahl des Kältemittels spielt eine zentrale Rolle. Kohlendioxid (R744) eignet sich besonders für Anwendungen mit hohen Temperaturspreizungen und bei der Nutzung von Abwärmequellen. Propan (R290) wiederum findet zunehmend in modernen Luft/Wasser-Geräten Einsatz, erreicht dort Vorlauftemperaturen von 70 bis 75 Grad Celsius und gilt zugleich als zukunftssicheres, natürliches Kältemittel.

Anwendungsmöglichkeiten und typische Beispiele

In älteren, unsanierten Gebäuden mit kleinen Heizkörperflächen oder hohen Verteilverlusten werden Vorlauftemperaturen von mindestens 65 °C benötigt. Hochtemperatur-Wärmepumpen können hier die Wärmeversorgung und Warmwasserbereitung teilweise auch allein sicherstellen, in vielen Fällen empfiehlt sich jedoch eine bivalente Lösung, bei der ein Spitzenlastkessel nur in sehr kalten Phasen zugeschaltet wird.

Für Mehrfamilienhäuser ist aus hygienischen Gründen bei der zentralen Trinkwarmwasserbereitung ein Temperaturminimum von 60 °C am Speicher vorgeschrieben. Hochtemperatur-Wärmepumpen können diese Anforderung zuverlässig erfüllen, in der Regel ohne zusätzlichen Heizstab, und sparen bei geeigneter Wärmequelle und sorgfältig geplanter Hydraulik spürbar Primärenergie. In Gewerbe und Industrie wiederum werden für Prozesse wie Trocknung, Pasteurisation, Reinigung oder Fernwärmeeinspeisung Temperaturen von 70 bis 100 °C benötigt. Großwärmepumpen, die Abwärme nutzen, erreichen dabei hohe Effizienzwerte und tragen deutlich zur Senkung von Emissionen bei, wie auch die Fraunhofer-Roadmap zeigt, die wachsende Potenziale in Quartiers- und Netzanwendungen hervorhebt.

Vorteile und Nachteile

Vorteile

Hochtemperatur-Wärmepumpen können Vorlauftemperaturen von bis zu 80 bis 100 Grad Celsius bereitstellen und eröffnen damit Einsatzmöglichkeiten, bei denen Standardgeräte an ihre Grenzen stoßen – etwa in unsanierten Altbauten, bei zentralen Trinkwarmwassersystemen oder in Prozessen mit hohem Temperaturbedarf. Durch die breite Auswahl an möglichen Wärmequellen wie Außenluft, Erdreich, Grundwasser oder auch Abwärme lässt sich die Systemeffizienz deutlich steigern. Gleichzeitig überzeugt die Klimabilanz: Im Vergleich zu fossilen Heizsystemen ermöglichen Hochtemperatur-Wärmepumpen erhebliche CO₂-Einsparungen, insbesondere wenn sie mit Ökostrom betrieben oder direkt mit einer Photovoltaikanlage gekoppelt werden.

Nachteile

Im Vergleich zu Niedertemperatur-Wärmepumpen arbeiten Hochtemperaturgeräte mit geringerer Effizienz. Bei angestrebten Vorlauftemperaturen ab 75 Grad Celsius sinken die Leistungszahlen typischerweise auf Werte zwischen 2 und 3, was den Strombedarf entsprechend erhöht. Umso wichtiger sind eine sorgfältige Auswahl der Wärmequelle und eine exakt geplante Hydraulik. Hinzu kommt, dass die Systeme technisch komplexer aufgebaut sind – etwa durch den Einsatz von Kaskaden, höhere Druckniveaus oder besonders belastbare Komponenten. Dies führt zu erhöhten Investitionskosten und einem deutlich größeren Planungsaufwand.

Kosten, Installation und Betrieb

Investitionen (Wohngebäude): Für Ein-/Zweifamilienhäuser liegen Geräte- und Installationskosten – abhängig von Leistung, Quelle und Hydraulik – grob im Bereich von 10.000 bis 30.000; Erdwärme/Grundwasser erfordern zusätzliche Erschließung (Genehmigungen, Bohrungen/Brunnen). In größeren MFH oder im Gewerbe steigen die Investitionen entsprechend der Leistung und Systemintegration. (Orientierungswerte; konkrete Angebote sind objektspezifisch.).

Installationsaufwand

Bei Luft/Wasser-Hochtemperatur-Wärmepumpen sind die baulichen Eingriffe im Vergleich zu anderen Systemen eher gering. Entscheidend ist hier vor allem ein durchdachtes Schall- und Aufstellungskonzept sowie eine passende hydraulische Einbindung mit geeigneten Heizflächen und Speichern. Ein hydraulischer Abgleich ist unerlässlich, um die Effizienz sicherzustellen. Sole/Wasser-Systeme hingegen erfordern eine deutlich höhere Planungstiefe, da die Erschließung der Wärmequelle über Erdsonden oder Brunnen erfolgen muss. Dafür profitieren sie von stabileren Quellentemperaturen und erreichen in der Regel bessere Jahresarbeitszahlen.

Im laufenden Betrieb dominieren die Stromkosten die Gesamtkostenbilanz. Je kleiner der erforderliche Temperaturhub ausfällt – etwa durch den Einsatz größerer Heizflächen, niedrigere Rücklauftemperaturen oder die Nutzung von Abwärmequellen – desto geringer sind die Vollkosten. Für Vorlauftemperaturen im Bereich von 75 bis 85 Grad Celsius lassen sich Leistungszahlen (COP) zwischen etwa 2,5 und 3,3 erreichen. Zusätzlich tragen ein intelligentes Lastmanagement sowie die Nutzung von Photovoltaik-Eigenstrom dazu bei, die Betriebskosten weiter zu senken.

Fördermöglichkeiten

Private Eigentümer, die im Bestand ihre alte Heizung austauschen möchten, können derzeit von der KfW-Heizungsförderung profitieren. Über das Programm mit der Zuschussnummer 458 sind Förderungen von bis zu 70 Prozent der förderfähigen Kosten möglich. Dabei gilt eine Obergrenze von 30.000 Euro pro Wohneinheit, wobei zusätzliche Boni – etwa für Einkommensgrenzen, Effizienzmaßnahmen oder einen besonders schnellen Umstieg – bereits in dieser Deckelung enthalten sind. Ergänzend besteht die Möglichkeit, einen zinsgünstigen Kredit in Anspruch zu nehmen. Entscheidend sind in jedem Fall die jeweils gültigen KfW-Programmbedingungen, zudem steht die Förderung immer unter dem Vorbehalt verfügbarer Haushaltsmittel. In der Praxis zeigt sich, dass Vermieter und bestimmte Antragstellergruppen abweichende Fördersätze erhalten können. Wichtig ist außerdem die richtige Reihenfolge: Der Antrag sollte in der Regel vor der Vergabe von Aufträgen gestellt werden. In den meisten Fällen empfiehlt sich eine Kombination aus Zuschuss und Ergänzungskredit, die zusammen eine deutliche Entlastung bei Investitionskosten bis zu 30.000 Euro pro Wohneinheit ermöglicht.

Fazit

Hochtemperatur-Wärmepumpen schließen eine wichtige Lücke: Sie ermöglichen Wärmepumpenbetrieb dort, wo hohe Vorläufe technisch oder hygienisch erforderlich sind – vom unsanierten Altbau (TWW/Heizung) bis hin zur Prozesswärme. Sie sind jedoch kein Allheilmittel: Gegenüber Niedertemperatur-Wärmepumpen liegen die Effizienz und damit die Betriebskosten höher; eine sorgfältige Planung von Quelle, Hydraulik und Lastmanagement ist entscheidend. Wirtschaftlich profitieren Projekte von der KfW-Heizungsförderung (bis zu 70 % Zuschuss auf maximal 30.000 € förderfähige Kosten) und von Effizienzmaßnahmen, die den Temperaturhub reduzieren. Wer eine HT-WP in Betracht zieht, sollte eine objektbezogene Auslegung (inkl. Lastprofilen und Quellkonzept) durchführen lassen – dann kann die Technik ökologisch wie ökonomisch überzeugen.