Wärmepumpe bei Kälte: Effizienz unter −15 °C

Der häufigste Einwand lautet, Wärmepumpen würden „bei richtiger Kälte nicht funktionieren“. Die Verbreitungszahlen sagen etwas anderes. Spitzenreiter in Europa sind Norwegen, Schweden und Finnland, wo der Januar im Mittel deutlich unter null liegt. Die Technik muss bei Kälte aber anders gedacht werden. Die Leistung sinkt genau dann, wenn der Wärmebedarf am höchsten ist, die Effizienz geht zurück, am Außengerät bildet sich Reif, und Auslegungsfragen, die in mildem Klima kaum eine Rolle spielen, entscheiden plötzlich darüber, ob die Anlage funktioniert. Dieser Ratgeber erklärt, was unter 0 °C passiert und wie du eine Anlage planst, die auch bei einer Kältewelle mit −20 °C effizient bleibt.

Warum Kälte die Effizienz senkt

Die Effizienz hängt vom Temperaturhub ab, also vom Abstand zwischen Wärmequelle und Heizwasser. Die theoretische Grenze (Carnot) lautet:

Kälte trifft die Wärmepumpe doppelt. Mit sinkender Außentemperatur wächst der Hub. Gleichzeitig braucht das Gebäude mehr Wärme, also hebt die witterungsgeführte Regelung die Vorlauftemperatur an. Von +7 °C außen und 35 °C Vorlauf auf −15 °C und 50 °C verdoppelt sich der Hub ungefähr, und der COP kann sich dadurch halbieren.

Was Geräte für kaltes Klima tatsächlich leisten

Hersteller veröffentlichen Leistungstabellen an den Normprüfpunkten nach EN 14511. Die Werte unten sind typisch für aktuelle invertergeregelte Luftwärmepumpen für kaltes Klima (R290, R32 oder Verdichter mit Dampfeinspritzung). Einzelne Produkte weichen um ±15 % ab.

Gibb, Rosenow und Kollegen haben 2023 in einer Übersichtsarbeit in Joule Feld- und Labordaten zusammengetragen. Luftwärmepumpen hielten bei −10 bis −15 °C einen COP um 2 und lagen in den meisten Tests auch bei −20 °C und darunter über 1,5. Selbst in den schlechtesten Stunden schlägt eine Wärmepumpe also die Direktheizung, und davon gibt es nicht viele.

Warum die Jahresbilanz trotzdem stimmt

Strenge Kälte ist selten. In Oslo, Helsinki oder Montréal liegen die meisten Stunden der Heizperiode zwischen −5 °C und +8 °C. Ein Gerät mit COP 1,8 bei −20 °C verbringt vielleicht nur 50–150 Stunden im Jahr bei dieser Temperatur. Die Jahresarbeitszahl (JAZ) gewichtet nach der bei jeder Temperatur gelieferten Wärme, deshalb liegt ein kalter Standort meist nur 0,3–0,7 Punkte unter einem milden. Einbrechen tut sie nicht.

Abtauen: der versteckte Verlust zwischen −7 °C und +5 °C

Läuft der Außenverdampfer bei feuchter Luft unter 0 °C, bildet sich Reif und behindert den Luftstrom. Das Gerät kehrt dann für 2–10 Minuten den Kreislauf um und schmilzt den Reif mit Wärme aus dem Haus ab. Am stärksten vereist es nicht bei −20 °C, wenn die Luft trocken ist, sondern bei etwa −3 °C bis +3 °C und hoher Luftfeuchte, ganz normalem Winterwetter in maritimem und kontinentalem Klima. In diesem Bereich kostet das Abtauen meist 2–10 % der gelieferten Energie. Bewährt hat sich:

• Das Außengerät auf einen Sockel oder eine Wandkonsole 30–50 cm über die erwartete Schneehöhe setzen.
• Das Kondensat frostfrei ableiten. Eis, das sich unter dem Gerät aufbaut, ist eine häufige Störungsursache.
• Abstand zu Schneeverwehungen und Dachtraufen halten; ein kleines Schutzdach hilft.
• Ein Gerät mit bedarfsgeführter (sensorgesteuerter) Abtauung wählen, keine zeitgesteuerten Zyklen.

Auslegung auf die Normaußentemperatur

Die Normaußentemperatur ist der Kältewert, den die Anlage bewältigen muss und der meist nur an wenigen Tagen im Jahr unterschritten wird. Sie liegt in Berlin bei etwa −12 °C, in Bukarest bei −14 °C bis −16 °C, in Oslo bei −20 °C, in Helsinki bei −26 °C und in Montréal oder Minneapolis bei etwa −23 °C bis −30 °C. Den genauen Wert liefern nationale Normen und die Klimadaten der ASHRAE.

Es gibt zwei Ansätze:

1. Monovalente Auslegung: Die Wärmepumpe deckt allein 100 % der Heizlast am Auslegungspunkt. Das ist einfach und effizient, aber das Gerät ist den größten Teil der Saison überdimensioniert.
2. Bivalente Auslegung: Die Wärmepumpe deckt die Last bis zu einem Bivalenzpunkt (oft −5 °C bis −10 °C). Darunter hilft ein Heizstab oder der vorhandene Kessel.

Die kältesten Stunden sind selten. Eine Wärmepumpe, die für 80–90 % der Spitzenlast ausgelegt ist, liefert deshalb in den meisten Fällen trotzdem 95–99 % der Jahreswärme. Die letzten paar Prozent aus dem Heizstab kosten wenig.

Rechenbeispiel: 160-m²-Haus bei Oslo

• Heizlast: 9 kW bei −20 °C (in den 1990er-Jahren saniertes Haus); Jahreswärmebedarf 21.000 kWh.
• Variante A: Luft-Wasser-Wärmepumpe für kaltes Klima mit 9 kW. Bei −20 °C liefert sie ~70 %, also 6,3 kW, und der 6-kW-Heizstab springt unterhalb von etwa −12 °C ein. Eine stündliche Wettersimulation ergibt einen Heizstabanteil von ≈ 3 % und eine JAZ von ≈ 2,8. Strombedarf: 21.000 / 2,8 ≈ 7.500 kWh.
• Variante B: Erdwärmepumpe mit 120 m Erdsonde (zwei Bohrungen à 60 m im typischen norwegischen Festgestein), JAZ ≈ 3,8. Strombedarf ≈ 5.530 kWh.
• Bei 1,5 NOK/kWh (~0,13 €) spart Variante B ~2.000 kWh, also etwa 260 € im Jahr, kostet aber 10.000–15.000 € mehr. Das ergibt eine lange Amortisationszeit und erklärt, warum in Norwegen trotz der Kälte überwiegend Luftwärmepumpen eingebaut werden.
• Gegenüber einer elektrischen Direktheizung, die 5.000–20.000 kWh mehr verbrauchen würde, sind beide Varianten ein großer Fortschritt.

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Luft-Luft: das Arbeitspferd im kalten Klima

In Skandinavien und Japan ist die typische Wärmepumpe kein wassergeführtes System, sondern ein einfaches Luft-Luft-Splitgerät an der Wohnzimmerwand. Modelle für den nordischen Markt erreichen im „kälteren“ EU-Referenzklima SCOP-Werte von 4,5–5,5 und laufen bis −25 °C oder −30 °C. In einem Haus mit elektrischer Direktheizung kann ein einziges Gerät für 2.000–3.500 €, das den offenen Wohnbereich versorgt, den Heizstrom um 30–50 % senken. Die Grenzen: kein Warmwasser, und geschlossene Schlafzimmer bekommen wenig Wärme ab.

Erdwärme und andere Alternativen

Unterhalb von etwa 2 m bleibt der Boden nahe der mittleren Jahreslufttemperatur: rund +5 bis +8 °C in Skandinavien und +9 bis +12 °C in Mitteleuropa. Eine Erdsonde liefert die Sole selbst im Februar mit etwa 0–5 °C zurück. Die Wärmepumpe arbeitet daher gegen einen fast konstanten Hub und muss nie abtauen. Die Nachteile sind die Kosten und die langfristige Auslegung: Bohrungen kosten in Europa 40–80 € pro Meter, und die Sonden müssen groß genug sein, damit sie den Untergrund über Jahrzehnte nicht auskühlen.

Weitere Optionen:

• Hybridwärmepumpen kombinieren eine Luftwärmepumpe mit dem vorhandenen Gas- oder Ölkessel, der die kältesten Stunden übernimmt. Das lohnt sich, wo das Stromnetz knapp ist oder sich die Heizkörper nicht tauschen lassen.
• CO₂-Wärmepumpen (R744) erzeugen effizient Wasser mit 65–90 °C und eignen sich so für die Warmwasserbereitung in kaltem Klima.
• Abluftwärmepumpen holen die Wärme aus der Lüftungsabluft luftdichter nordischer Häuser zurück.

Kältewellen und das Stromnetz

Heizen Millionen Haushalte mit Wärmepumpen, bestimmen die kältesten Stunden die Spitzenlast im Stromnetz. Eine Wärmepumpe mit COP 2 zieht für dieselbe Wärme nur halb so viel Leistung wie eine Direktheizung. Ersetzen Wärmepumpen elektrische Direktheizungen (verbreitet in Norwegen, Schweden, Frankreich und Quebec), sinken die Winterspitzen also. Ersetzen sie Gas, steigen sie. Gut gedämmte Häuser mit Speichermasse überstehen eine Spitzenstunde mit abgeschalteter Heizung, und zeitvariable Tarife vergüten das zunehmend. Den Strommix der einzelnen Länder vergleichst du auf der Weltenergiekarte.

Checkliste für eine Anlage in kaltem Klima

• Mach eine ordentliche Heizlastberechnung für die örtliche Normaußentemperatur. Übernimm nicht einfach die Größe des alten Kessels.
• Wähl ein Modell mit veröffentlichten Leistungs- und COP-Daten bei −15 °C und −20 °C. In Nordamerika ist die Cold-Climate-Liste der NEEP ein guter Filter.
• Ziel auf die niedrigstmögliche Vorlauftemperatur: 35–45 °C am Auslegungspunkt, soweit die Heizkörper das zulassen.
• Dämme zuerst, kauf dann. In kaltem Klima spart jedes kW vermiedene Heizlast Gerätekosten und Strom (siehe Dämmungsrechner).
• Montiere das Außengerät über der Schneehöhe, geschützt vor der Hauptwindrichtung, mit beheiztem oder frostgeschütztem Ablauf.
• Stell den Heizstab so ein, dass er erst unterhalb des Bivalenzpunkts zuschaltet, und protokolliere seinen Verbrauch.
• Vergleich die Gesamtkosten im Heizkostenvergleich und rechne den Gas-Grundpreis ein, der wegfällt.

Fazit

Mit sinkender Temperatur verlieren Wärmepumpen an Leistung und Effizienz. Moderne Geräte für kaltes Klima liefern bei −15 °C aber immer noch rund zwei Einheiten Wärme pro Einheit Strom, und gute Anlagen im nordischen Klima erreichen Jahresarbeitszahlen deutlich über 2,5. Den Unterschied macht die Planung: Auslegung auf die echte Normaußentemperatur, niedrige Vorlauftemperaturen, ein gut platziertes Außengerät und ein Heizstab, der wirklich nur Reserve ist. Die Grundlagen zu COP und Betriebskosten erklärt Wärmepumpen erklärt.

Die Zahlen in diesem Ratgeber sind typische Bandbreiten aus den genannten Quellen. Deine eigenen Werte hängen von Standort, Preisen und Ausstattung ab. Für standortgenaue Schätzungen nutzt du am besten die verlinkten Rechner.