Im Gegensatz dazu funktioniert eine Wärmepumpe, indem sie Kühlmittel zirkulieren und ihren Druck und damit ihre Temperatur ändern, um einerseits Wärmeenergie aus der Außenluft zu gewinnen und andererseits im Sommer den umgekehrten Vorgang durchzuführen und so wie eine Klimaanlage zu wirken. Im Laufe der Jahre sind die Geräte immer effizienter geworden, da ihre verschiedenen Komponenten und Kühlmittel verbessert wurden. „Es dreht sich wirklich alles um das Kühlmittel“, sagt Katie Davis, Vizepräsidentin für Technik und Technologie für Heizung, Lüftung und Klimaanlagen (HVAC) im Wohnbereich bei Trane Technologies, dem Hersteller von Wärmepumpen. „Wir dehnen uns aus und ziehen uns zusammen – wir wechseln also von Flüssigkeit zu Gas, von Flüssigkeit zu Gas, von Flüssigkeit zu Gas – oder umgekehrt, je nachdem, in welchem Zyklus Sie arbeiten.“
Entscheidend für Klimazonen mit sehr kalten Wintern ist, dass der Siedepunkt des Kühlmittels normalerweise zwischen –55 und –59 Grad Fahrenheit liegt. Selbst wenn die Außenluft also unter dem Gefrierpunkt liegt, „kocht das Kühlmittel trotzdem“, sagt Davis. „Die Wärme wird wirklich, wirklich gut übertragen.“
Hersteller machen Wärmepumpen speziell für kalte Klimazonendie auch bei Minustemperaturen im Dauerbetrieb laufen kann. Trane entwickelt derzeit eine eigene Wärmepumpe für kaltes Klima, die voraussichtlich 2025 auf den Markt kommen wird und die Dampfeinspritztechnologie verwendet. Diese funktioniert wie die Kraftstoffeinspritzung in Automotoren, nur dass dabei Kühlmittel in einen geschlossenen Kreislauf im Kompressor eingespritzt wird. Dadurch kann die Wärmepumpe mehr Wärmeenergie gewinnen. „Mit diesem Dampfeinspritzkompressor“, sagt Davis, „haben wir jetzt die zusätzliche Kapazität, die wir brauchen, damit unsere Systeme bei diesen wirklich kalten Temperaturen laufen.“ Bei Tests lief der Prototyp von Trane bei –30 °C.
Wenn Wissenschaftler die Effizienz verschiedener Heiztechniken ermitteln, berücksichtigen sie den „Leistungskoeffizienten“ (COP), also das Verhältnis zwischen der verbrauchten Energie und der erzeugten Wärme. Wenn eine Technik 100 Prozent effizient ist, hat sie einen COP von 1, was bedeutet, dass eine Energieeinheit zugeführt und eine Wärmeeinheit abgegeben wird. Ein Gasofen beispielsweise erzeugt Wärme, die in ein Haus geblasen wird, aber ein Teil dieser Wärme geht auch bei der Verbrennung verloren, sodass selbst die effizientesten Modelle einen COP von weniger als 1 haben.
Insgesamt ist es für eine Wärmepumpe viel effizienter, Wärme zu transportieren, als sie zu erzeugen, wie es beispielsweise bei einem Gasofen der Fall ist. Da sie mit Strom statt mit fossilen Brennstoffen betrieben wird, kann eine Wärmepumpe einen COP von 3 erreichen, also drei Wärmeeinheiten pro Energieeinheit. In Extremfällen kann sie jedoch, je nach Bedingungen und Modell, einen COP von bis zu 6 erreichen.
In einem Studie In einer im letzten Jahr veröffentlichten Studie untersuchten Rosenow und seine Kollegen die Daten, um herauszufinden, wie die Effizienz einer Wärmepumpe bei sinkenden Temperaturen sinken könnte. Sie fanden heraus, dass die Geräte sogar bei –10 Grad Celsius oder 14 Grad Fahrenheit immer noch einen COP von 2 oder 200 Prozent Effizienz erreichen. Die Studie untersuchte auch Wärmepumpen für kaltes Klima in extremeren Umgebungen: Bei harten –30 Grad Celsius (–22 Grad Fahrenheit) erreichte ein Mitsubishi-Modell COPs zwischen 1,5 und 2 und ein Toshiba-Modell zwischen 1 und 1,5.