Wärmepumpe Verflüssiger: Grädigkeit, Bauarten und COP-Optimierung durch Kondensationstemperatur

Was ist der Verflüssiger einer Wärmepumpe?

Der Verflüssiger ist der Wärmetauscher zwischen Verdichter und Expansionsventil, der die Wärme des heißen Kältemittels an das Heizungswasser überträgt. In der Kältetechnik heißt er auch Kondensator. Das vom Verdichter kommende, komprimierte Kältemittel tritt als überhitzter Dampf ein. Es kühlt zunächst ab (Enthitzung), kondensiert dann bei nahezu konstanter Temperatur (Kondensation) und wird abschließend leicht unter die Kondensationstemperatur abgekühlt (Unterkühlung). Die drei Zonen laufen im selben Bauteil hintereinander ab, ohne scharfe Trennung (energie-experten.org, Fachartikel „Verflüssiger der Wärmepumpe", Stand 2019).

Die abgegebene Wärmemenge im Verflüssiger entspricht ungefähr der Summe aus zwei Größen. Die erste ist die im Verdampfer aus der Umwelt aufgenommene Wärme. Die zweite ist die elektrische Antriebsleistung des Verdichters. „Die Wärmemenge, die der Verflüssiger auf das Heizmedium überträgt, ist daher in etwa die Summe der Wärme, die im Verdampfer aufgenommen wurde, plus der vom Verdichter aufgenommenen elektrischen Energie", beschreibt es energie-experten.org (2019). Diese Energiebilanz gilt für jede Kompressionswärmepumpe unabhängig vom Kältemittel.

Was bedeutet Grädigkeit beim Verflüssiger?

Die Grädigkeit ist die Temperaturdifferenz zwischen der Kondensationstemperatur des Kältemittels und der Heizwassertemperatur am wärmsten Punkt des Verflüssigers. Bei Wasser als Heizmedium liegt sie laut energie-experten.org (2019) meist zwischen 2 und 5 Kelvin. Bei Luft als Heizmedium, etwa am Verflüssiger einer Luft/Luft-Wärmepumpe, sind es rund 5 bis 10 Kelvin. Eine kleinere Grädigkeit bedeutet: Das Kältemittel muss nur wenig wärmer sein als das Wasser, das es aufheizt.

Für die Auslegung der Wärmetauscherfläche zählt zusätzlich die mittlere logarithmische Temperaturdifferenz (LMTD). Das Heizwasser durchläuft den Verflüssiger vom Rücklauf zum Vorlauf und wird dabei wärmer. Das Kältemittel kondensiert dagegen nahezu isotherm. Daraus ergeben sich zwei unterschiedliche Temperaturdifferenzen an den beiden Enden des Wärmetauschers. Die Grädigkeit ist die kleinere der beiden Differenzen, der sogenannte Pinch-Point am Vorlauf-Ende. Die LMTD ist der logarithmische Mittelwert aus beiden Enddifferenzen: LMTD = (ΔT₁ − ΔT₂) / ln(ΔT₁/ΔT₂). Gemeinsam mit Fläche und Wärmedurchgangskoeffizient bestimmt sie die übertragbare Heizleistung. Die Formel dafür lautet Q = k · A · LMTD (allgemeine Wärmeübertragungslehre, VDI-Wärmeatlas-Methodik). Beide Kennwerte beschreiben also unterschiedliche Aspekte desselben Wärmetauschers: den Engpass am Vorlauf und die mittlere Antriebskraft über die gesamte Fläche.

Wie hängen Grädigkeit und COP zusammen?

Eine kleinere Grädigkeit senkt die notwendige Kondensationstemperatur bei gleicher Vorlauftemperatur und verringert dadurch die Verdichterarbeit. Das erhöht den COP (Coefficient of Performance, das Verhältnis aus Heizleistung und elektrischer Leistungsaufnahme). Der Zusammenhang folgt aus der oberen thermodynamischen Grenze jeder Wärmepumpe, dem Carnot-COP. Die Formel lautet: COP_Carnot = T_Kondensation / (T_Kondensation − T_Verdampfung), jeweils in Kelvin (absolute Temperatur).

Ein Rechenbeispiel zeigt die Größenordnung. Eine Sole-Wasser-Wärmepumpe arbeitet mit 0 Grad Celsius Verdampfungstemperatur (273,15 Kelvin) und liefert eine Heizwasser-Mitteltemperatur von 40 Grad Celsius. Variante A nutzt einen großzügig dimensionierten Plattenwärmetauscher mit 3 Kelvin Grädigkeit, die Kondensationstemperatur liegt bei 43 Grad Celsius (316,15 Kelvin). Variante B nutzt einen kompakteren Wärmetauscher mit 8 Kelvin Grädigkeit, die Kondensationstemperatur liegt bei 48 Grad Celsius (321,15 Kelvin). Der Carnot-COP beträgt für Variante A rund 7,4, für Variante B rund 6,7. Das ist ein Unterschied von knapp 10 Prozent bei 5 Kelvin Grädigkeitsdifferenz, also rund 2 Prozent COP-Gewinn pro Kelvin.

Reale Wärmepumpen erreichen nur einen Teil des Carnot-COP. Das Verhältnis heißt Gütegrad und liegt in der Fachliteratur meist zwischen 0,4 und 0,6 (klimaschutznetzwerk-hexental.de, Glossareintrag „Gütegrad"). Mit einem Gütegrad von 0,5 ergeben sich reale COP-Werte von rund 3,7 für Variante A und rund 3,4 für Variante B. Der relative Vorteil von Variante A bleibt bei rund 10 Prozent, weil der Gütegrad beide Varianten gleich skaliert. Diese Modellrechnung ist eine vereinfachte Näherung. Sie bestätigt aber die in der Praxis genannte Größenordnung von rund 2 bis 4 Prozent COP-Verbesserung pro Kelvin Grädigkeitsreduktion. Mehr zur Berechnung liefert der Beitrag zum COP der Wärmepumpe.

Welche Verflüssiger-Bauarten gibt es?

Plattenwärmetauscher und Koaxialwärmetauscher erreichen bei Wasser als Heizmedium die kleinste Grädigkeit, luftgekühlte Lamellenwärmetauscher die größte. Aus physikalischer Sicht ist der Verflüssiger nichts anderes als ein Wärmetauscher. Die fünf gebräuchlichsten Bauformen sind Platten-, Koaxial-, Rohrbündel-, Register- und Lamellenwärmetauscher (energie-experten.org, 2019).

Plattenwärmetauscher dominieren bei Wärmepumpen für Wohngebäude. Dünne, geprägte Platten erzeugen eine große Austauschfläche auf kleinem Bauraum. Turbulenz im Wasserkanal verbessert zusätzlich den Wärmeübergang. Der Wärmeübergang zwischen zwei flüssigen beziehungsweise kondensierenden Medien ist dabei grundsätzlich wirksamer als der Übergang zwischen Kältemittel und vorbeiströmender Luft an einem Lamellenwärmetauscher. Das erklärt, warum wasserseitige Verflüssiger mit einer kleineren Grädigkeit auskommen als luftseitige. Größere Wärmetauscherflächen senken die Grädigkeit weiter, verlängern aber den Wärmetauscher und erhöhen dessen Materialeinsatz. Details zu Funktion und Wartung liefert der Beitrag zum Wärmetauscher der Wärmepumpe.

Welchen Einfluss haben R410A, R32 und R290 auf den Verflüssiger?

R290 (Propan) kondensiert bei gegebener Temperatur mit deutlich niedrigerem Druck als R32 und R410A. R32 erreicht unter den drei Kältemitteln den höchsten Druck. Das beeinflusst die Bauteilauslegung des Verflüssigers direkt: Höhere Drücke erfordern dickere Rohrwände und druckfestere Anschlüsse.

*Eigene Interpolation zwischen den 44-°C- und 46-°C-Werten der Dampfdrucktabelle (Schiessl Kältetechnik, Komponentenkatalog, Ausgabe 2016). Der GWP-Wert für R290 ist unter der aktuellen F-Gase-Verordnung (Verordnung (EU) 2024/573) auf Basis des 4. IPCC-Sachstandsberichts (AR4) mit 3 festgelegt. Nach dem methodisch neueren 6. Sachstandsbericht (AR6) läge er bei nur 0,02. Beide Werte kursieren in der Praxis; rechtlich bindend ist derzeit der AR4-Wert.

R32 ist reiner Stoff (Difluormethan), R410A ein Gemisch aus je 50 Prozent R32 und R125. „R32 hat zudem bessere thermodynamische Eigenschaften als Kältemittel wie R410A. Das kann zu einem höheren COP … führen", schreibt Mitsubishi Electric LES in seiner Kältemittel-Übersicht (2025). R290 ermöglicht laut Hersteller Vorlauftemperaturen bis 75 Grad Celsius und einen geringeren Verflüssigungsdruck als R32 (Mitsubishi Electric LES, 2025). Der niedrigere Druck erlaubt einfachere Bauteile, verlangt wegen der Entflammbarkeit aber Sicherheitsabstände bei der Aufstellung. Einen vertiefenden Vergleich bietet der Beitrag zum R32-Kältemittel.

Welche Rolle spielt die Vorlauftemperatur für die Grädigkeit?

Eine höhere Vorlauftemperatur zwingt den Verflüssiger zu einer höheren Kondensationstemperatur, unabhängig von der gewählten Grädigkeit. Die Grädigkeit selbst ist eine Eigenschaft des Wärmetauschers. Sie bleibt bei fester Bauart etwa gleich, ob die Anlage mit 35 Grad Celsius Fußbodenheizung oder mit 55 Grad Celsius Heizkörper-Vorlauf arbeitet. Die absolute Kondensationstemperatur steigt aber mit der Vorlauftemperatur. Nach der Carnot-Beziehung sinkt der COP dadurch zusätzlich zu diesem Effekt. Eine niedrige Vorlauftemperatur und eine kleine Grädigkeit wirken deshalb in dieselbe Richtung: Beide senken die Kondensationstemperatur und erhöhen den COP. Weitere Zusammenhänge erklärt der Beitrag zur Vorlauftemperatur der Wärmepumpe.

Wie lässt sich die Grädigkeit in der Praxis reduzieren?

Eine größere Wärmeübertragerfläche ist der wirksamste Weg, die Grädigkeit zu senken. Mehr Platten oder eine längere Rohrschlange verteilen dieselbe Wärmemenge auf mehr Fläche, wodurch die notwendige Temperaturdifferenz sinkt. Das vergrößert den Wärmetauscher und erhöht den Materialeinsatz. Zusätzlich braucht der Wasserkreislauf einen ausreichenden Volumenstrom. Ein zu geringer Durchfluss vergrößert die Temperaturspreizung zwischen Rücklauf und Vorlauf. Das verschlechtert die Grädigkeit am kritischen Vorlauf-Ende. Ablagerungen und Verschmutzung auf den Platten wirken wie eine zusätzliche Dämmschicht und verschlechtern den Wärmeübergang über die Betriebsjahre schleichend. Ein korrekter hydraulischer Abgleich und eine auf den Verdichter abgestimmte Wärmetauschergröße halten die Grädigkeit deshalb auch langfristig im Auslegungsbereich. Den Zusammenhang zwischen Auslegung und Effizienz insgesamt erläutert der Beitrag zum Wirkungsgrad der Wärmepumpe.

Häufige Fragen zum Verflüssiger und zur Grädigkeit

Was ist die Verflüssigerleistung?

Die Verflüssigerleistung ist die Wärmeleistung, die der Verflüssiger pro Zeiteinheit an das Heizungswasser abgibt. Sie entspricht näherungsweise der Summe aus der im Verdampfer aufgenommenen Wärme und der elektrischen Verdichterleistung.

Was bedeutet Unterkühlung im Verflüssiger?

Unterkühlung ist die Abkühlung des flüssigen Kältemittels unter die Kondensationstemperatur, bevor es das Expansionsventil erreicht. Sie verhindert Dampfblasen in der Flüssigkeitsleitung und sichert eine zuverlässige Kältemittelversorgung des Verdampfers (energie-experten.org, 2019).

Wie unterscheiden sich die Sättigungsdrücke von R410A, R32 und R290 bei 0 Grad Celsius?

Bei 0 Grad Celsius Verdampfungstemperatur liegt der Sättigungsdruck bei R32 rund 7,1 bar. Bei R410A sind es rund 7,0 bar, bei R290 rund 3,7 bar Überdruck (Schiessl Kältetechnik, Komponentenkatalog 2016). R290 arbeitet damit im gesamten Betriebsbereich auf einem deutlich niedrigeren Druckniveau als die beiden anderen Kältemittel.

Ist die Grädigkeit bei allen Wärmepumpentypen gleich hoch?

Nein. Die Grädigkeit hängt vom Verflüssiger-Wärmetauscher ab, nicht vom Wärmepumpentyp. Luft-Wasser-, Sole-Wasser- und Wasser-Wasser-Wärmepumpen nutzen für die Heizwasserseite überwiegend Platten- oder Koaxialwärmetauscher mit 2 bis 5 Kelvin Grädigkeit. Nur wenn Luft als Heizmedium dient, wie bei reinen Luft/Luft-Geräten, liegt die Grädigkeit mit 5 bis 10 Kelvin deutlich höher.