CO2-Wärmepumpen für gewerbliches Warmwasser: Temperaturhub und Systemauslegung

Aktualisiert: Oktober 2026

CO2-Wärmepumpen nutzen Kohlendioxid als Kältemittel, auch R744 genannt, um Wärme auf Wasser zu übertragen. Für die gewerbliche Warmwasserbereitung sind sie eine gute Option, wenn kaltes Ergänzungswasser, hohe Speichertemperaturen und ein gut ausgelegtes Zirkulationssystem zusammenspielen. In Hotels, Wohnanlagen und Industriegebäuden kommt es darauf an, wie stark sich das eintretende Wasser erwärmt, wie viel Warmwasser das Gebäude zu Spitzenzeiten entnimmt und wie die gesamte Anlage die Heizlasten bewältigt.

Eine Anlage kann zwar die gewünschte Austrittstemperatur erreichen, im Winter aber trotzdem nicht genügend Heizleistung liefern. Auch ein sehr effizienter Verdichter kann Teil einer teuren Anlage sein, wenn eine elektrische Zusatzheizung eine hohe Zirkulationslast abdecken muss. Dieser Bericht zeigt, wie sich diese Faktoren in eine praxisnahe Auswahlmethode einbeziehen lassen, und enthält veröffentlichte Beispiele, darunter eine detaillierte Stromkostenberechnung.

Was sind CO2-Wärmepumpen und wie funktionieren sie?

Eine CO2-Wärmepumpe ist eine Wärmepumpe, deren Kältekreis R744 enthält. In einem Luft-Wasser-Warmwasserbereiter nimmt das Gerät Wärme aus der Umgebungsluft auf und überträgt sie auf einen separaten Wasserkreislauf. Der Strom treibt diese Wärmeübertragung an. Das Kohlendioxid bleibt im Kältekreis und wird nicht dem Trinkwarmwasser zugesetzt.

Das Kältemittel lässt sich als Wärmeträger verstehen, der Wärme zwischen zwei Wärmetauschern transportiert. Durch den Wärmeaustausch bleiben Wasser- und Kältemittelkreislauf voneinander getrennt. Der Wasserkreislauf transportiert die Wärme weiter zum Speicher oder ins Gebäude. Die Bezeichnung CO2 benennt das Arbeitsmedium, während Luftquelle, Wasserquelle und Erdreichquelle angeben, woher die Wärme stammt. Das sind voneinander unabhängige Entscheidungen: Die Wahl von Luft oder Wasser als Wärmequelle legt das Kältemittel nicht fest. Sole-Wärmepumpen werden ebenfalls über ihre Wärmequelle definiert. Unsere Grundlagen zu Luft-Wasser-Wärmepumpen erläutern die verschiedenen Anlagenkonfigurationen.

Wie funktionieren CO2-Wärmepumpen?

In einem transkritischen Kohlendioxidkreislauf erhöht der Verdichter Druck und Temperatur des Kältemittels. Das heiße Kältemittel gibt im Gaskühler Wärme ab, ein Expansionsventil senkt anschließend den Druck und im Verdampfer nimmt das Kältemittel wieder Wärme auf. In einem herkömmlichen System gibt das Kältemittel Wärme bei der Kondensation mit gleichbleibender Sättigungstemperatur ab. Hier ändert sich die Temperatur des Kältemittels, während die Wärme auf die andere Seite übertragen wird. Dieses Verfahren eignet sich gut, um einen kalten Wasserstrom über einen großen Temperaturhub zu erwärmen.

Eine zentrale Warmwasserbereitungsanlage mit Wärmepumpe nutzt diesen transkritischen CO2-Kreislauf in der Feldstudie von Banks und Kollegen. Der hohe Druck ist Teil der Geräteauslegung, die auf dieses Kältemittel abgestimmte Komponenten, Schutzvorrichtungen und Wartungsverfahren erfordert.

Compared with refrigerants that have high global warming potential, carbon dioxide has low global warming potential and zero ozone depletion potential. The U.S. Department of Energy’s CO2 water-heater project also notes its nonflammability. Refrigerant GWP and ODP describe particular environmental properties; the building’s carbon footprint also depends on electricity, energy use and the heating system being replaced.

Wassertemperatur bei CO2-Wärmepumpen: Eintritt, Austritt und Temperaturhub

Mitsubishi gibt für Heat2O eine maximale Austrittstemperatur von 176°F (80°C) an. Die tatsächliche Leistung hängt jedoch von der Eintrittstemperatur und dem Wasserkreislauf ab. Um die Leistungsfähigkeit des Geräts in einem Wasserkreislauf angemessen zu beschreiben, müssen drei Temperaturen gemeinsam angegeben werden: die Eintritts- und Austrittstemperatur des Wassers sowie die Eintrittstemperatur der Luft. Eine maximale Austrittstemperatur beantwortet nur eine dieser Fragen. CO₂-Wassererwärmer müssen auf die Wasser-Eintritts- und -Austrittstemperatur sowie die Lufteintrittstemperatur abgestimmt werden.

Kaltes Nachspeisewasser eignet sich für eine einstufige Erwärmung in einer Wärmepumpe. Dabei steigt die Temperatur auf der Wasserseite stark an. Warmes Rücklaufwasser aus einem Zirkulationskreislauf stellt einen anderen Auslegungspunkt dar: Der Temperaturhub ist geringer und das Wasser tritt wärmer in den Gaskühler ein. Die Wassereintrittstemperatur am Gaskühler beeinflusst die Leistung der Wärmepumpe, selbst wenn die endgültige Speichersolltemperatur gleich bleibt.

Wenn wenig Frischwasser gezapft wird, die Zirkulation aber weiterläuft, kann sich ein nominell kalter Eintritt erwärmen. Bei Leistungsvergleichen für Nachrüstungen müssen die Wasser-Eintritts- und -Austrittstemperaturen sowie die Lufteintrittstemperatur über den gesamten Betriebszyklus berücksichtigt werden. Der Leitfaden zur Auslegung zentraler Warmwasser-Wärmepumpen erläutert dieses Verhalten.

Der primäre Heizkreislauf muss von der Zapftemperatur getrennt betrachtet werden. Manche Systeme übertragen Wärme direkt auf einen Trinkwasserspeicher; andere nutzen einen sekundären Wärmetauscher zwischen einem geschlossenen Primärkreislauf und dem Trinkwasser. Die unterschiedlichen Temperaturen entstehen durch Speicherung, Verteilung und Mischung.

Im Demonstrationsbericht von 2024 der Association for Energy Affordability übertrug der Primärkreislauf von Heat2O Wärme mit 176°F auf einen sekundären Wärmetauscher. Der Trinkwasserspeicher erreichte typischerweise etwa 165°F (74°C). Dieser Unterschied wirkt sich darauf aus, welche Temperatur vor Verteilung und Mischung nutzbar ist.

Auch die 2022 veröffentlichte Feldstudie von Banks nennt unterschiedliche Temperaturen: Das eintretende Stadtwasser lag zwischen 50–72°F (10–22,2°C), wurde auf 147°F (63,9°C) erwärmt und trat mit etwa 125°F (51,7°C) in den Zirkulationskreislauf ein. Das sind Messwerte aus dieser Anlage und keine Vorgabe für den Umgang mit Wasser in anderen Gebäuden.

Kennzeichnen Sie die Temperatursensoren nach Kreislauf und Einbauort. Ersetzen Sie „Warmwasser: 80°C“ durch „Austritt aus dem Primärkreislauf: 80°C; Trinkwasserspeicherung und -verteilung: separat ausgelegt.“

Speicherung und Zirkulation: Kalten Eintritt kalt halten

Eine Schichtung im Speicher ermöglicht es einer CO2-Wärmepumpe mit einstufiger Erwärmung, kühleres Wasser aufzunehmen, während am oberen Austritt des Speichers weiterhin Warmwasser verfügbar ist. Häufig bereitet der warme Zirkulationsrücklauf Schwierigkeiten: Sein Anschlusspunkt und die Art der Nacherwärmung beeinflussen sowohl die Durchmischung im Speicher als auch den Stromverbrauch.

Trennen Sie die Last für die Erwärmung des Frischwassers von der Last zur Temperaturhaltung. Bei der ersten wird das Wasser ersetzt, das die Bewohner entnehmen. Bei der zweiten wird der Wärmeverlust des zirkulierenden Wassers ausgeglichen, auch wenn die Bewohner kein Wasser zapfen. Werden beide Lasten zusammengefasst, bleibt möglicherweise unklar, warum die Anlage mehr Strom als erwartet verbraucht.

Eignungsmatrix für kalten Wassereintritt

Geräte und Speicher werden auf Grundlage des Projektbedarfs ausgelegt. Die Auslegungsentscheidungen stützen sich auf eine Zusammenführung des Ecotope-Leitfadens und der AEA-Felddemonstrationen.

Ein Ausgleichsspeicher trennt die Nacherwärmung des Zirkulationswassers von der primären Speicheranordnung. Durch ihn entnommenes Warmwasser trägt zur Deckung der Heizlast bei; bei Bedarf liefert ein elektrischer Heizstab zusätzliche Wärme. Bei einer Anordnung mit parallelem Kreislauf wird für die Temperaturhaltung andere Ausrüstung eingesetzt. Beide Varianten wirken sich auf Platzbedarf, Regelung und zusätzlichen Energieverbrauch aus.

Die ersten, einwöchigen Anlagentests der AEA in Lassen ergaben einen COP von 2.7, wenn Zirkulationswasser in den kalten Primärspeicher zurückgeführt wurde, gegenüber einem Ausgangswert von 2.3. Bei der technisch ausgelegten Rückführung in den Primärspeicher wurde der Weg der Zirkulationswasser-Nacherwärmung verändert; der Ausgleichsspeicher blieb als Reserve verfügbar. Die Autoren vermuteten, dass eine mangelhafte Schichtung im bestehenden Speicher das Ergebnis beeinflusst hatte, und planten eine längere Validierung.

Kühles eintretendes Wasser und ein sicherer Trinkwasserbetrieb erfordern eine abgestimmte Auslegung. Ein geschlossener Primärkreislauf mit Nichttrinkwasser, eine Kaltwasser-Nachspeiseleitung und ein Trinkwasserspeicher erfüllen unterschiedliche Aufgaben. Die Leitlinien der CDC zur Gebäudewasserversorgung befassen sich mit Temperatur, Wasserverweildauer, Desinfektionsmittel-Restkonzentrationen und Verbrühungsschutz. Effizienzmaßnahmen müssen mit dem Wassermanagement des Gebäudes vereinbar sein.

Leistung von CO2-Wärmepumpen bei kalter Witterung

Die veröffentlichte Leistung von Heat2O beträgt 40 kW bei einer Umgebungstemperatur von 36°F (etwa 2°C). Bei −13°F (−25°C) sinkt die Leistung laut Pressemitteilung von Mitsubishi zu Heat2O auf 50 %, während weiterhin eine Wassertemperatur von 176°F erreicht werden kann. Luft-Wasser-Wärmepumpen mit CO2 können auch bei kalter Witterung Warmwasser erzeugen. Die verfügbare Heizleistung hängt jedoch vom Modell und den Betriebstemperaturen ab.

Für ein Hotel oder Wohngebäude ist das ein wichtiger Unterschied: Die Austrittstemperatur kann ausreichen, während die Wiederaufheizung länger dauert. Dieselbe Warmwassermenge pro Tag lässt sich leicht bereitstellen, wenn sie über den Tag verteilt abgenommen wird, und nur schwer, wenn sie sich auf eine morgendliche Spitze konzentriert. Außentemperatur, Abtauverhalten, verfügbares Speichervolumen und Reservebetrieb müssen bei der Winterauslegung berücksichtigt werden. Die Temperatur der Umgebungsluft bestimmt die Quellbedingungen für das Außengerät. Wie viel Heizleistung steht während dieser Wiederaufheizzeit zur Verfügung?

Bei der Dimensionierung für den Winter müssen sowohl die Speicherentnahme durch den Bedarf als auch die Wiederaufheizung durch das Gerät unter wechselnden Bedingungen berücksichtigt werden. Die Mehrfamilienhausstudie von Oak Ridge National Laboratory aus dem Jahr 2024 kombinierte die Dimensionierung für den Auslegungstag, ein Modell für einen Schichtspeicher und eine Leistungskarte für gewerbliche CO2-Wärmepumpen. Die simulierten Einsparungen gelten für die untersuchten Standorte und Tarife.

Nächtliche Lärmgrenzwerte können die für die Wiederaufheizung verfügbare Leistung ebenfalls verringern. Im AEA-Projekt in Lassen wurde der Nachtbetrieb reduziert, um Nachbarn vor Lärm zu schützen; die installierte Leistung erlaubte diese Entscheidung. Für ein anderes Gebäude könnte dieselbe Einschränkung ein größeres Speichervolumen oder einen anderen Wiederaufheizplan erfordern.

Wasser-Wasser-Wärmepumpen nutzen ein anderes Quelltemperaturprofil als Außengeräte. Bei der Auslegung einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe müssen die verfügbaren Wasserbedingungen und der damit verbundene Pumpaufwand berücksichtigt werden, einschließlich der Quellverfügbarkeit während der kältesten Stunden.

CO2- oder R290-Wärmepumpen für gewerbliches Warmwasser

R744 eignet sich für einen großen Temperaturhub ausgehend von kaltem Ergänzungswasser. R290, auch Propan genannt, kann für die Warmwasserbereitung und Raumheizung eingesetzt werden. Je nach Wassertemperaturen, Quellbedingungen, Heizlasten und Randbedingungen ist zwischen CO2- und R290-Geräten abzuwägen.

In numerischen Vergleichen von Conte und Kollegen aus dem Jahr 2025 erzielte die Luft-Wasser-Anlage mit R290 unter den kombinierten Szenarien für Raumheizung und Trinkwarmwasser in Rom und Straßburg die höchste saisonale Leistung der drei Anlagen mit 15 kW. Beim Profil mit Warmwasserbereitung ausschließlich tagsüber lag stattdessen die Solar-Luft-Anlage mit R744 vorn. Wetter und zeitlicher Bedarf veränderten den Vergleich.

Bei kombinierter Trinkwarmwasserbereitung und Raumheizung können sich die Rücklauftemperaturen der Heizkörper stark vom kalten Nachspeisewasser für die Warmwasserbereitung unterscheiden. Ein separater Kreislauf oder eine alternative Heizungsanordnung kann diese Anforderungen besser erfüllen. Auch bei einer Kaltwassersatz-Wärmepumpen-Anwendung mit Kühl- und Heizbetrieb müssen die Betriebsbedingungen separat verglichen werden.

Welche Nachteile hat CO2 als Kältemittel?

CO2-Systeme benötigen für den Hochdruckbetrieb ausgelegte Geräte, und bei vielen Warmwasserbereitungssystemen sinkt der Wirkungsgrad mit steigender Eintrittswassertemperatur. Diese Eigenschaften beeinflussen die Auswahl der Komponenten, die Wartungsfreundlichkeit und die hydraulische Auslegung. Bei einer Nachrüstung mit warmem Rücklaufwasser können die nötigen Systemänderungen für einen effizienten Betrieb den entscheidenden Nachteil darstellen, nicht die maximal erreichbare Temperatur des Kältemittels.

Vergleiche zur Dekarbonisierung müssen den saisonalen Stromverbrauch, die ersetzten fossilen Energieträger und die Klimawirkung des Kältemittels berücksichtigen. Ein niedriges GWP deckt nur einen Teil der Aussage „umweltfreundlich“ ab. R32-Systeme, Propangeräte und Systeme mit natürlichem Kältemittel CO2 sollten jeweils modellbezogen verglichen werden.

Investitionskosten und Energieverbrauch: ein Rechenbeispiel

Zu den Investitionskosten eines Wärmepumpensystems zählen Geräte, Speicher, Elektroarbeiten, Rohrleitungen, Regelung und Inbetriebnahme. Die Betriebskosten hängen vom Stromverbrauch der Gesamtanlage und vom Stromtarif ab. Speicherfläche, verfügbare Anschlussleistung und Zirkulationsverluste können die Kosten ebenso stark beeinflussen wie die Geräteauswahl.

Für eine erste grobe Überschlagsrechnung wird ein Wärmebedarf für die Wassererwärmung von 100 kWh Wärme pro Tag angenommen, noch ohne Speicher- und Verteilverluste. Vergleichen Sie angenommene durchschnittliche COP-Werte von 2, 3 und 4 für denselben Wärmebedarf und Zeitraum. Der Stromverbrauch für den angegebenen Wärmebedarf ergibt sich aus der thermischen Energie geteilt durch den COP.

Bei einem zusätzlich angenommenen, konstanten Strompreis von $0.20/kWh betragen die Kosten im mittleren Fall $6,67 pro Tag: 100 ÷ 3 × $0,20. Das sind nur die Energiekosten für den angegebenen Wärmebedarf. Für die vollständige Berechnung müssen die entsprechenden Speicher- und Zirkulationslasten, der Pumpstrom und der Energieeinsatz der Reserveheizung hinzugerechnet werden. Für Leistungspreise und zeitabhängige Tarife ist ein genaues Lastprofil erforderlich.

Achten Sie auf eine einheitliche Systemgrenze. Die Feldstudie von Banks definiert den System-COP als Wärme des abgegebenen Wassers zuzüglich Zirkulationsverlusten geteilt durch den Stromverbrauch der Wärmepumpe und der Zusatzheizung. Umfasst ein gemessener COP der Gesamtanlage bereits den Strom für Reserveheizung und Pumpen, würden diese Verbräuche durch ein erneutes Addieren doppelt gezählt. Eine Effizienzberechnung, die nur nutzbares Warmwasser berücksichtigt, ergibt selbst für dieselbe Anlage einen anderen Wert.

Der Speicher muss Spitzen beim Warmwasserbedarf abdecken, während die Wärmepumpe ausreichend Wasser für die nächste Spitze wieder aufheizt. Ein Gebäude mit einem Wärmeverbrauch von 100 kWh pro Tag kann einen Großteil dieser Wärme in kurzer Zeit benötigen. Der Tagesverbrauch allein reicht deshalb nicht aus, um das Warmwasserspeichervolumen oder die Heizleistung festzulegen.

Ein Speicher kann die erforderliche Wärmepumpenleistung für den momentanen Warmwasserbedarf senken. Dadurch kann die Wärmepumpe auch außerhalb der Spitzenlastzeiten betrieben werden, wie Andrew Macaluso in HPACs Erläuterungen zur Speicherauslegung beschreibt. Der Kostenvorteil hängt vom Bedarf und Tarif des Projekts ab.

Für die Gesamtbetriebskosten muss bei allen Angeboten derselbe Umfang verglichen werden: Geräte und Speicher, Erweiterungen des Elektroanschlusses, Zugänglichkeit bei der Installation, Schallschutzmaßnahmen, Inbetriebnahme, Wartung und Reserveheizung. Bei einer Nachrüstung können elektrische Wassererwärmer ebenfalls Teil des Reservekonzepts sein. Vergleichen Sie die Betriebsabläufe der elektrischen Heizung und der weiterbetriebenen Kessel im Notfall. Ihre Betriebsstunden gehören in die Berechnung, auch wenn die Hauptwärmepumpe weniger Energie als eine Widerstandsheizung verbraucht.

Einsatzbereiche von CO2-Wärmepumpen in Gewerbe und Industrie

Wärmepumpen zur Warmwasserbereitung kommen für Hotels und andere Gebäude mit hohem Trinkwarmwasserbedarf infrage. Temperaturprofil und Warmwasserspeicher müssen dafür zum Gerät passen. Gewerbliche und industrielle Anwendungen mit warmem Rücklauf, stark begrenztem Speichervolumen oder gleichzeitiger Kühllast erfordern einen spezifischeren Systemvergleich.

Kleinere CO2-Geräte versorgten die zentrale Warmwasserbereitung in dem von Banks und Kollegen untersuchten 60 Wohneinheiten umfassenden Sanierungsprojekt. Für Wohngebäude ausgelegte Geräte versorgten dieses Gebäude im Rahmen einer fachgerecht geplanten Installation. Jede CO2-Wärmepumpe für Wohngebäude war Teil eines Systems, das auf die Heizlast des Gebäudes abgestimmt und entsprechend geregelt wurde.

Gebäude, die gleichzeitig heizen und kühlen müssen, bieten eine weitere Möglichkeit. Die Forschung zu R744 für gewerbliche Anwendungen von Petersen und Kollegen untersuchte nutzbare Kühlung in Verbindung mit der Warmwasserbereitung. In einem Restaurant oder einer Anlage mit Kälteversorgung können sich die Lasten zeitlich überschneiden. Bei der Bewertung muss ermittelt werden, wann die jeweilige Energieabgabe nutzbar ist. Zurückgewonnene Wärme und Kühlvorteile dürfen nicht doppelt angerechnet werden.

Raumheizung und Trinkwarmwasser benötigen oft unterschiedliche Vorlauf- und Rücklauftemperaturen. Für Prozesswasser können andere Medien, Hygieneanforderungen oder Wärmetauscher usw. erforderlich sein. Diese Fälle sind bei der Analyse von Wärmepumpenanwendungen in Industrie und Gewerbe zu berücksichtigen. Die Nutzung erneuerbarer Energie, insbesondere von Umwelt- und Abwärme, hängt von deren Verfügbarkeit und vom Betriebsplan ab.

Anforderungen an Integration, Wartung und Beschaffung

Ein aussagekräftiges Angebot für eine Warmwasserlösung beschreibt gemeinsam die Auslegungsleistung der Anlage, die Wasserkreisläufe, den Speicher, die Stromversorgung und die Serviceverantwortlichkeiten. Stellen Sie Planer und Lieferant denselben Anforderungsplan zur Verfügung, damit sich die Angebote fair vergleichen lassen.

Die technischen Unterlagen sollten die Betriebsbedingungen der Umgebung, die Wasser-Eintritts- und -Austrittstemperaturen, die Leistung, die elektrische Leistungsaufnahme und das relevante Teillastverhalten aufführen. Für die Serviceplanung sollten Sie die lokale Kältemittelexpertise, die Verfügbarkeit von Ersatzteilen und das Vorgehen bei einem Geräteausfall klären.

Zu den Bewertungsstandards für gewerbliche Wassererwärmer zählen ANSI/AHRI 1300-2013 (R2023) und 1301-2013 (R2023), aufgeführt auf der Seite zur Bewertung gewerblicher Wassererwärmer von AHRI. Die Bewertungen können je nach Bedingungen und angewandtem Bewertungsverfahren variieren. Daher sollten Zertifizierungen gesondert geprüft werden. Bei der Planung sind außerdem die geltenden Druckschutzvorgaben, elektrischen Anforderungen und Regelungen für die Gebäudewasserversorgung zu berücksichtigen.

Bei der Inbetriebnahme sollten die reguläre Heizsequenz und das Verhalten des Backups überprüft werden. Beim Retrofit in Banks beeinträchtigten geänderte Sollwerte und ein defekter Volumenstromsensor den Backup-Betrieb während Ausfällen der Wärmepumpe. Ein ungenutzter Reserveheizer ist nur dann hilfreich, wenn seine Regelungskomponenten, Sensoren und hydraulischen Schnittstellen wie vorgesehen funktionieren.

FAQ zu CO2-Wärmepumpen

Der Leitfaden wurde von Kovenair veröffentlicht. Die Rechte an den einzelnen Anlagen, Forschungsergebnissen und Feldprojekten liegen bei den jeweiligen Eigentümern und Autoren. Die Stromverbrauchstabelle basiert auf angegebenen Annahmen und ist von den Leistungsdaten der Produkte getrennt zu betrachten.