Wärmepumpe im Winter: Frostschäden und Frostschutz

• Wie entstehen Frostschäden an Wärmepumpen im Winter? Frostschäden entstehen, wenn wasserführende Teile wie der Heizkreis-Wärmetauscher oder Leitungen bei Anlagenstillstand oder Stromausfall einfrieren und durch die Ausdehnung des Eises Risse oder Undichtigkeiten bekommen. Vereistes Eis am Verdampfer ist dagegen ein normaler Betriebsprozess und führt nicht zu Schäden, da es automatisch abgetaut wird.
• Wann können im Winter Schäden auftreten? Schäden durch Frost können auftreten, wenn eine außen aufgestellte Monoblock-Wärmepumpe ausfällt und sich das Heizungswasser abkühlt und gefriert. Stromausfall oder abgeschaltete Heizkreise bei Minusgraden erhöhen dieses Risiko zusätzlich.
• Wo treten Frostschäden an Wärmepumpen auf? Frostschäden betreffen fast ausschließlich die Wasserseite (Sekundärkreislauf) der Anlage, also insbesondere den Heizkreis-Wärmetauscher (Verflüssiger) und außen liegende Leitungen. Schäden im Kältekreis sind praktisch ausgeschlossen, da das Kältemittel im Verdampfer nicht gefrieren kann.
• Welche Schäden entstehen durch Frost an Wärmepumpen? Typisch sind Risse und Undichtigkeiten im Verflüssiger sowie Rohrplatzungen, Haarrisse oder Brüche an hydraulischen Bauteilen durch gefrorenes Wasser. Auch Kondensatabläufe können vereisen und blockieren, was zu Funktionsstörungen führt.
• Wie werden Wärmepumpen vor Frost geschützt? Frostschutz erfolgt durch Isolierung der wasserführenden Leitungen, integrierte Frostschutzfunktionen wie automatische Umwälzung und, falls nötig, durch Frostschutzmittel im Heizkreis. Zusätzliche Maßnahmen wie Heizstäbe zur Mindesttemperatur oder Entleerung der Leitungen sichern die Anlage bei Stillstand oder Stromausfall.
• Wie schützt man Wärmepumpen vor Propan-Austritt? Propan-Wärmepumpen besitzen spezielle Sicherheitswärmetauscher, die im Fehlerfall verhindern, dass Propan in den Heizkreislauf gelangt. Zusätzlich kommen sogenannte Propangasabscheider zum Einsatz, die bei Leckagen den Austritt des brennbaren Kältemittels gezielt unterbinden.

Minusgrade im Winter haben nicht nur Auswirkungen auf die Effizienz der Wärmepumpe. Gerade die Außeneinheiten von Luftwärmepumpen müssen im Winter vor Frost geschützt werden. Dies gilt insbesondere für Monoblock-Wärmepumpen.

Schäden durch Frost können insbesondere dann auftreten, wenn eine außen aufgestellte Monoblock-Wärmepumpe auf Störung geht. Dann fällt nicht nur der Heizbetrieb aus und das Haus kühlt ab, sondern auch die Wärmepumpe selbst kühlt sich auf Umgebungstemperatur ab.

Hält die Störung länger an, kann der Wärmetauscher (Verflüssiger) einfrieren und platzen. Dabei drückt gefrierendes Wasser die Verpressungen im Wärmetauscher auseinander, sodass Undichtigkeiten entstehen. Dies kommt einem Totalschaden der Wärmepumpe gleich.

Neben Störungen und Anlagenstillstand der Wärmepumpe können kritische Situationen auch bei Stromausfall oder abgesperrten Heizkreisen bei Minusgraden auftreten.

Das Einfrieren und Abtauen des Verdampfers ist hingegen ein normaler Betriebsprozess bei Luft-Wärmepumpen im Winter. Dabei bildet sich durch Luftfeuchtigkeit Eis am Verdampfer, das regelmäßig automatisch abgetaut wird. Es handelt sich nicht um Frostschäden, da keine wasserführenden Teile der Wärmepumpe einfrieren.

Frostschäden an Wärmepumpen treten nahezu ausschließlich auf der Wasserseite (Sekundärkreislauf) der Wärmeübertrager auf, nicht im Kältekreis selbst, da das Kältemittel im Verdampfer nicht gefrieren kann:

• Das größte Frostschadenrisiko besteht am Verflüssiger, da dieser häufig mit reinem Heizungswasser betrieben wird.
• Am Verdampfer sind Frostschäden bei Sole/Wasser-Wärmepumpen nur bei unzureichender Glykolkonzentration oder Fehlbetrieb zu erwarten.

Typische Schäden sind Risse in Plattenwärmetauschern oder Lötstellen, die zu Undichtigkeiten und Folgeschäden führen.

Friert das Heizungswasser bei Anlagenstillstand oder Stromausfall ein, kann es durch die Volumenzunahme zu Rissen in Wärmetauschern, Rohrleitungen oder Armaturen kommen.

• Besonders häufig betroffen ist der Plattenwärmetauscher (Verflüssiger), da er dünnwandig ist und bereits geringe Eismengen zu strukturellen Schäden führen können.
• Auch Hydraulikkomponenten wie Umwälzpumpen, Ventile oder Durchflussmesser sind frostgefährdet, da stehendes Wasser dort bevorzugt einfriert.
• Zusätzlich können Außenleitungen, Kondensatabläufe und Sicherheitsarmaturen durch Eisbildung blockiert oder zerstört werden.

Ohne geeignete Frostschutzmaßnahmen (z. B. Frostschutzfunktion, Frostschutzmittel wie Glykol, Notstrom oder Trennwärmetauscher) stellen Minusgrade daher ein reales und häufiges Schadensrisiko für Monoblock-Außenluftwärmepumpen dar.

[Zurück zur Übersicht]

Wärmepumpen werden im Winter vor Frost geschützt, indem wasserführende Teile gut isoliert und oft mit Frostschutzfunktionen wie integrierten Heizungen oder zirkulierendem Betrieb bei niedrigen Temperaturen ausgestattet sind. Zusätzlich schützen flexible Rohrleitungen, Begleitheizungen und korrektes Gefälle bei der Installation vor Frostschäden.

Die Isolierung der Wärmepumpen-Leitungen im Außenbereich oberirdisch bzw. im Erdreich einer Monoblock-Luftwärmepumpe ist entscheidend für die Vermeidung von Wärmeverlusten nach GEG (200%-Regel) vorgeschrieben und von Frostschäden empfehlenswert.

Zum Isolieren der oberirdischen Anbindeleitungen muss ein Dämmmaterial mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit und hohen Widerstandsfähigkeit gegen Witterungseinflüsse und UV-Strahlung verwendet werden. Geeignete Dämmstoffe sind Kautschuk- bzw. Elastomer-Dämmstoffe, Polyethylen- und PU-Hartschaum-Isolierungen.

Die empfohlene Verlegetiefe für Rohre im Erdreich liegt in der Regel zwischen 60 und 120 cm. In frostgefährdeten Regionen sollte die Rohre tiefer verlegt werden, mindestens 80 cm.

Flexible Wellrohre oder PVC-Schläuche gleichen temperaturbedingte Längenänderungen (z. B. durch Frost) aus, da sie sich mit ausdehnen oder zusammenziehen können, ohne zu brechen oder Druck auf starre Verbindungen auszuüben.

Dadurch verhindern sie, dass feste Rohrverbindungen reißen oder undicht werden, wenn sich das enthaltene Wasser bei Frost ausdehnt. Sie wirken also wie eine elastische Pufferzone, die Spannungen im Leitungssystem in einem gewissen Umfang abfedert.

Bei Unterschreitung einer Mindesttemperatur schalten Monoblock-Wärmepumpen in der Regel automatisch die Heizungsumwälzpumpen ein, um durch die permanente Umwälzung ein Gefrieren der wasserführenden Außenleitungen zu gewährleisten.

Lambda aus Österreich nutzt zur Stromversorgung überdies einen Akku, sodass die Ladepumpe (auch Speicherladepumpe), die das erwärmte Heizungswasser vom Wärmetauscher der Wärmepumpe in den Warmwasserspeicher oder Pufferspeicher fördert, in Intervallen stündlich für jeweils 5 Minuten eingeschaltet wird. So lassen sich auch Stromausfälle von 48 Stunden überbrücken.

Bei bestimmten Störungen der Wärmepumpe, etwa einem Ausfall des Verdichters, kann der elektrische Heizstab als Notheizung aktiviert werden – vorausgesetzt, er wurde zuvor in der Steuerung freigegeben.

Der Heizstab ist in der Regel im Pufferspeicher oder Hydraulikmodul verbaut und wird über die Systemregelung angesteuert, sofern diese noch funktioniert. Er dient in solchen Fällen vor allem dem Frostschutz, indem er das Heizungswasser auf eine Mindesttemperatur erwärmt.

Wichtig ist jedoch: Nicht jede Störung führt automatisch zur Aktivierung des Heizstabs - bei Fehlern in der Steuerung oder bei Stromausfall bleibt er inaktiv. Daher ist eine korrekte Konfiguration und regelmäßige Funktionskontrolle entscheidend für die zuverlässige Frostsicherung durch den Heizstab.

Fällt der Strom aus, so bleibt letztlich nur die Absperrung und Entleerung der Rohre. In der Regel kann man über die Wärmepumpe den Heizkreis oder den Wärmetauscher be- und entlüften, sodass die Rohrleitungen wenn nötig vollständig leerlaufen können.

Neben dem manuellen Entleeren der Sekundärseite gibt es thermostatische Frostschutzventile, die im Vor- und Rücklauf an der Wärmepumpe installiert werden und automatisch den Heizungskreislauf entleeren, wenn die Durchschnittstemperatur im Heizkreis unter eine bestimmte Temperatur (z. B. 3 °C) fällt.

Um den Frostschutz der Rohrleitungen und der Außen-Wärmepumpe zu gewährleisten, können die Wasserkreisläufe auch über einen Zwischenwärmetauscher getrennt werden.

Dann wird das Wasser im Wärmepumpen-Heizungskreislauf (Primärseite) mit Frostschutzmittel gemischt, sodass eine von Sole/Wasser-Wärmepumpen (Erdwärmeheizungen) bekannte Sole entsteht, die aufgrund des Glykol-Anteils selbst bei Minusgraden weit unter 0°C nicht einfriert.

Negativ schlägt allerdings zu Buche, dass das Sole-Wasser-Gemisch mit einem Glykolanteil von z. B. 25 % den Wärmeübergang am Verflüssiger um etwa 15 % verschlechtert. Dies liegt an der geringeren spezifischen Wärmekapazität 3,9 kJ/(kg·K) und der höheren Viskosität der Sole als Wasser als Wärmeträgermedium mit 4,186 kJ/(kg·K).

Selbstregelnde Rohrbegleitheizungen, wie sie für Außenleitungen bis zum Wärmetauscher genutzt werden, sind nur bedingt geeignet, um Wärmepumpen bei starkem Frost zuverlässig zu schützen.

Zwar gibt es im Handel vorgefertigte Heizbänder in verschiedenen Längen, Leistungen und Temperaturbereichen, doch ihre Schutzwirkung hängt stark vom Einbau ab – etwa davon, wie weit sie ins Gerät hineinreichen und welche Temperatur sie tatsächlich erzeugen.

Im Falle eines längeren Stromausfalls bieten sie jedoch keinen Frostschutz, da sie ohne Stromzufuhr nicht funktionieren.

[Zurück zur Übersicht]

Frostschäden können aber auch zu einer folgenschweren Kettenreaktion führen. Denn bei Wärmepumpen mit dem Kältemittel Propan (R290) besteht zudem die (theoretische) Gefahr, dass Propan über den Heizungskreislauf und das automatische Entlüftungsventil bzw. das Überdruckventil (Schnellentlüfter) ins Gebäude gelangt.

Konzentriert sich das Propangas im Haus kann dieses durch einen Zünd- bzw. Schaltfunken zur Verpuffung (Explosion) gebracht werden. Hersteller von R290-Wärmepumpen setzen verschiedene Sicherheitstechniken ein, um die Risken bei einer Undichtigkeit im Verflüssiger zu minimieren.

Doppelwandige Sicherheitswärmetauscher werden bei Propan-Wärmepumpen eingesetzt, um selbst im Fall einer Undichtigkeit eine Vermischung von Kältemittel und Heizungswasser zuverlässig auszuschließen. Sie bestehen aus zwei voneinander getrennten Wandungen zwischen Kältekreis und Heizkreis, die durch einen Zwischenraum voneinander isoliert sind.

Kommt es zu einer Undichtigkeit in einer der beiden Wandungen, tritt das jeweilige Medium zunächst in diesen Zwischenraum aus und nicht direkt in den anderen Kreislauf. Dieser Sicherheitsraum ist so ausgelegt, dass der Fehler erkennbar wird - etwa durch Druckabfall, Austritt des Mediums nach außen oder durch eine sensorische Überwachung. Auf diese Weise wird die Leckage frühzeitig erkannt, bevor es zu einer Gefährdung oder zum Kontakt von Propan mit dem Heizungswasser kommen kann.

Durch dieses rein konstruktive Sicherheitsprinzip erhöhen doppelwandige Wärmetauscher die passive Betriebssicherheit von R290-Wärmepumpen erheblich und gelten als besonders zuverlässige Maßnahme zur dauerhaften Trennung von Kälte- und Heizkreis.

Propangasabscheider sind zusätzliche, sicherheitstechnische Bauteile in Propan-Wärmepumpen, die im Leckagefall verhindern sollen, dass gasförmiges Kältemittel R290 in den Heizwasserkreislauf und damit in das Gebäude gelangt.

Gelangt durch eine Undichtigkeit Propan in den Heizkreis, nutzt der Abscheider die unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften von Gas und Wasser: Das leichtere, gasförmige Propan wird vom Heizwasser getrennt und entweder lokal zurückgehalten oder gezielt über eine gesicherte Leitung ins Freie abgeführt. So begrenzt der Abscheider die Ausbreitung des Kältemittels im System und reduziert das Risiko einer gefährlichen Gaskonzentration im Innenraum.

Propangasabscheider bieten eine zusätzliche Sicherheitsebene bei außenaufgestellten Wärmepumpen oder langen Leitungswegen, erfordern jedoch eine sorgfältige Planung, regelmäßige Wartung und ersetzen keine konstruktiven Maßnahmen zur Leckagevermeidung.

Luftabscheider dienen in Heizungsanlagen dazu, gelöste oder freie Luft sowie Gase aus dem Heizwasser zu entfernen, um Korrosion, Strömungsgeräusche und Betriebsstörungen zu vermeiden. Sie funktionieren rein passiv: Im Inneren wird die Strömungsgeschwindigkeit reduziert, sodass sich Gase an speziellen Einbauten sammeln und über ein Entlüftungsventil entweichen können.

Für sicherheitsrelevante Szenarien bei Propan-Wärmepumpen sind Luftabscheider jedoch ungeeignet, da sie sind nicht darauf ausgelegt, brennbares Kältemittel wie R290 gezielt zu erfassen oder sicher abzuleiten. Wird ein Luftabscheider im Innenraum installiert, besteht im Störfall sogar die Gefahr einer unkontrollierten Gasfreisetzung.

Gelangt Propan in den Heizkreislauf, liegt ein schwerwiegender Systemfehler vor - der nicht durch Entlüftungseinrichtungen kontrolliert, sondern durch konstruktive Sicherheitsmaßnahmen verhindert werden muss.

[Zurück zur Übersicht]