Wärmepumpen-Vereisung: Ursachen, Abtau-Techniken & Effizienz-Verluste

Der Verdampfer einer Luftwärmepumpe friert regelmäßig bei Temperaturen von ca. -2°C bis ca. 5°C bei hoher Luftfeuchtigkeit ein. Die Vereisung als auch Enteisung verschlechtert die Effizienz der Wärmepumpe. In unserem Ratgeber erklären Experten was passiert, wenn die Wärmepumpe vereist und was Sie dagegen tun können.

Nur die relative Luftfeuchtigkeit steigt mit abnehmender Temperatur, da kalte Luft weniger Wasserdampf lösen kann. Es hängt von der Luftfeuchte und den Temperaturverhältnissen ab, ob sich Kondensat an kritischen Stellen bildet. Am Taupunkt beträgt die relative Luftfeuchtigkeit 100 % und die Luft ist mit Wasserdampf (gerade) gesättigt.

Bei z. B. 80 % Luftfeuchtigkeit und +20° C Lufttemperatur trägt ein Kubikmeter Luft 13,83 Gramm Wasser. Sinkt nun die Zimmertemperatur auf +16°C ab, so kann ein Kubikmeter Luft bei maximaler Sättigung von 100 % Luftfeuchtigkeit nur noch 13,63 Gramm Wasser tragen.

Pro Kubikmeter Luft werden also 0,20 Gramm Wasser ausgeschieden, solange bis die relative Luftfeuchtigkeit ausgeglichen ist. Auf jedem Gegenstand der bei diesem Beispiel kälter wäre als +16°C (z. B. Fensterscheibe) kondensiert die Luftfeuchtigkeit permanent.

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Wenn im Herbst und Winter die Außenlufttemperaturen absinken und die Luft gleichzeitig eine hohe Luftfeuchtigkeit aufweist – z. B. Außenlufttemperatur beträgt 0 °C mit einer Luftfeuchtigkeit von 95% - kann die Luft soweit abgekühlt werden, dass Wasser ausfällt und an der kalten Oberfläche des Verdampfers gefriert.

Im Minusbereich wird der Taupunkt auch „Frostpunkt“ genannt. Auf Oberflächen bilden sich dann natürlich keine Tautropfen, sondern es lagert sich Reif ab. So bildet sich mit der Zeit eine Eisschicht auf dem Verdampfer, die – wie in einem alten Tiefkühlfach - immer weiter wächst. Die Wärmepumpe vereist und die Leistung bzw. Effizienz der Wärmepumpe sinkt ab. Mit zunehmender Vereisung kann sogar der eigentliche Kältemittelkreislauf („Kreisprozess“) gänzlich zum Erliegen kommen.

Die Vereisung des Verdampfers führt dazu, dass sich der Wärmewiderstand des Verdampfers erhöht und so der luftseitige Druckverlust des Verdampfers ansteigt. In der Folge sinkt der Luftvolumenstrom und der Wärmekapazitätsstrom nimmt entsprechend ab.

Um nun die benötigte Wärme weiterhin bereitstellen und den erhöhten Wärmewiderstand des Verdampfers und den verringerten Wärmekapazitätsstrom der Außenluft ausgleichen zu können, steigt die Temperaturdifferenz zwischen Kältemittel und Außenluft. Der vereiste Verdampfer weist dann eine geringere Verdampfungstemperatur bzw. einen geringeren Verdampfungsdruck auf.

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Im Sommer reichen häufig die Außentemperaturen, um das Eis zu entfernen. Einige Poolwärmepumpen schalten sich z. B. bei einem vereisten Verdampfer ab und gehen erst einige Stunden später wieder in Betrieb. Bei der natürlichen Abtauung laufen die Ventilatoren weiter, während die Wärmepumpe selbst ausgeschaltet wird. Die natürliche Umgebungsluft erledigt dann den Rest.

Um bei einer akuten Vereisung die Wärmepumpe im Winter wieder abzutauen, gibt es verschiedene „aktive“ Möglichkeiten – sogenannte Enteisungsstrategien. Dabei wird das Eis auf dem Verdampfer aufgetaut und das entstandene Wasser abgeführt.

Eine einfache Möglichkeit zum Abtauen der Wärmepumpe ist es, bei ausgeschaltetem Verdichter mit einem elektrischen Heizdraht auf der Verdampferoberfläche, die Eisschicht abzutauen. Das elektrische Abtauen ist allerdings nicht besonders energieeffizient, da hierzu elektrischer Strom 1:1 in Wärme umgewandelt werden muss.

Wieder andere Wärmepumpen tauen den Verdampfer ab, indem der Kältekreislauf mittels 4-Wege-Umschaltventil umgekehrt wird. Der Verdampfer wird dann zum Kondensator und umgekehrt. Der Verdampfer wird dann mit heißem Kältemittelgas aus dem Verdichter von innen beheizt.

Diese gebräuchliche Methode der „Heißgasabtauung“ ist etwas effizienter als das elektrische Abtauen, da die hierzu die benötigte Abtauenergie dem Pufferspeicher oder der Fußbodenheizung entnommen und zum Enteisen des Verdampfers herangezogen wird. Zur Erzeugung der Abtauwärme gehen Experten von einem COP von 2,5 aus.

Ist der Abtauprozess beendet, wird der Ventilator der Luftwärmepumpe wieder in Betrieb gesetzt, um die entstandene Feuchtigkeit vom Wärmetauscher in der Außeneinheit zu blasen.

Bei allen drei Abtaustrategien des Verdampfers fällt Wasser an, welches im dafür vorgesehen Schotterbett versickern bzw. über die Hausdrainage abgeführt werden soll.

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Die Abtauung in einer Wärmepumpe wird normalerweise durch Sensoren und Steuerungseinheiten gesteuert. Diese überwachen die Betriebsbedingungen wie Temperatur, Druck und Frostbildung und aktivieren die entsprechende Abtaumethode, wenn sie erforderlich ist.

Die Regelung erfasst dabei die Differenz zwischen Außentemperatur und Kältemitteltemperatur am Verdampferausgang. Unterschreitet diese einen voreingestellten Wert, geht die Regelung von einer Vereisung aus und der Abtauvorgang startet automatisch. Die Abtauung kann dabei automatisch oder zeitgesteuert erfolgen, abhängig von den spezifischen Anforderungen und Einstellungen der Wärmepumpe.

Um zu verhindern, dass die Wärmepumpe im Winter ständig im Abtauprogramm läuft, gibt es eine sogenannte Sperrzeit. Die Sperrzeit beginnt nach dem Abtauen und dauert je nach System und Aufstellungsort beispielsweise 30 Minuten an. In der Zwischenzeit gewinnt die Anlage Wärme aus der Umgebung, bevor die Wärmepumpe vereist und der Abtauvorgang erneut startet.

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Die Effizienz der Abtauung hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie z.B.

• der Methode,
• der Witterung,
• der Isolierung des Verdampfers und
• der Leistungsfähigkeit der Steuerungseinheiten.

Grundsätzlich lässt sich jedoch festhalten: Ist die Wärmepumpe nur geringfügig vereist, so führt dies zu keiner merklichen Leistungseinbuße der Wärmepumpe. Die Leistungszahl bleibt nahezu konstant.

Erst wenn sich größere Mengen Eis auf dem Verdampfer bilden, fällt der COP um häufig rund 25 % ab. Spätestens jetzt sollte die Wärmepumpe eine Enteisung des Verdampfers durchführen, um ein Zusammenbrechen des Kreislaufs zu verhindern.

Verschiedene Gründe können dazu führen, dass eine Wärmepumpe ständig vereist und mehr Strom verbraucht als üblich. Ist das der Fall, sollten Sie einen Installateur zurate ziehen.

Die Ursachen können typischerweise in einer Unterdimensionierung der Wärmepumpe („Die Wärmepumpe ist zu klein“) liegen. Oder es liegt ein technischer Fehler vor. Es kann sich z. B. zu wenig Kältemittel im System befinden.

Bei klimatisch ungünstigen Einsatzbedingungen kann es unter Umständen helfen, mit Hilfe eines zusätzlichen Schutzes durch z.B. Wände die Außeneinheit vor Wettereinflüssen abzuschirmen. Auch die Platzierung immergrüner Pflanzen in einem guten Abstand vor der Außeneinheit kann helfen. Weitere Ideen finden Sie in unserem „Ratgeber zum Verkleiden und Verschönern von Wärmepumpen“.

Aus technischer Sicht kann es zu guter Letzt helfen, die Sperrzeiten zu reduzieren oder einen Spitzenlastkessel zu installieren, der dann in den für die Luftwärmepumpe sehr ungünstigen Betriebszeitpunkten die Heizarbeit übernimmt.

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