Die Wärmepumpe ist eine einfache, technisch robuste und preiswerte Heizung, die ihre Energie überwiegend aus der Luft, aus
dem Grundwasser oder der
Erdwärme bezieht. Wärmepumpen nutzen die in diesen Medien gespeicherte Sonnenenergie und
können Gebäude hundertprozentig mit Wärme versorgen.
Die Technik der Wärmepumpe ist ausgereift und hat sich in der Praxis bewährt. Durch die
niedrigeren
Energie-
und Betriebskosten ist die Wärmepumpe auch im wirtschaftlichen
Aspekt viel attraktiver als
konventionelle Heizungen.
Alle Arten der Wärmepumpe lassen
sich langfristig preiswerter betreiben
als herkömmliche Öl- und Gasheizungen.
Auch ist keine jährliche Wartung, im Gegensatz zu konventionellen Gas- und Ölheizungen,
für eine Wärmepumpe
erforderlich. Wartungsintervalle
von 15 Jahren sind schon heute
erreichbar.
Wärmepumpen-Heizungen leisten einen wichtigen Beitrag zur Einsparung von Energie und
zur
Minderung von
Kohlendioxid sind sie doch heute im Hinblick auf
ihren Primärenergieverbrauch
und ihren CO2-Ausstoß Gas-
und Ölheizungen deutlich überlegen.
Das Prinzip der Wärmepumpe ist bereits weltweit verbreitet und ist
in umgekehrter Form nichts anderes als ein
Kühlschrank. Bei einer
Wärmepumpe wird die
Energie für Heizungen zu 75% aus Umwelt-
bzw. Sonnenenergie und
nur zu 25% aus elektrischer Energie erzeugt.
In einem geschlossenen Kältekreislauf wird der Umwelt Sonnenenergie
entzogen und dem Kältemittel zugeführt. Der Kompressor in der
Wärmepumpe verdichtet das Kältemittel und bringt
es
dadurch auf
ein höheres, für Heizungen nutzbares Temperaturniveau.
Nicht nur im Neubau sind Heizungssysteme mit dem Betrieb einer
Wärmepumpe angezeigt - auch der große Markt
der Sanierung und
Modernisierung hält für Bauherren, Architekten und Planern sinnvolle
Systemlösungen mit der
Wärmepumpe bereit. Mit der Wärmepumpe
steht ihnen ein großes Spektrum in der Gestaltung von Heizsystemen
im
Neubau und bei Altbauten zur Verfügung.
Video: Absorptions-Gaswärmepumpe
Die Aufnahmen sind ohne Drehbuch entstanden
und verstehen sich nicht als Werbeclips, sondern
sollen zusätzlich technische und wirtschaftliche
Aspekte aufzeigen und Ihnen weitergehende
Informationen
zu dem jeweiligen Themenbereich
bieten.
Kernstück der Wärmepumpen-Technik ist der Verdichter, der das Temperaturniveau von der
Wärmequelle zum Heizkreis erhöht. Die Wärmepumpen-Technik arbeitet heute in der Regel mit
Kältemitteln, also mit Stoffen, die bei niedrigen Temperaturen verdampfen und gleichzeitig eine
hohe innere Wärme
besitzen. Sie sind FCKW- und
H-FCKW-frei, ungiftig, biologisch abbaubar und
nicht brennbar.
Wärmetauscher
Mit der Ausnahme von Luft/Wasser-Wärmepumpen werden vorzugsweise Edelstahl-Plattenwärmetauscher
als Verdampfer und Kondensatoren in der Wärmepumpen-Technik eingesetzt, die für eine
bessere Wärmeübertragung sorgen. Zusätzlicher Vorteil: Der kompakte Aufbau spart Platz.
Zwischen-Wärmetauscher
Ein Zwischen- oder Zusatzwärmetauscher nutzt die Restenergie, die im vorherigen Prozess nicht zum
Einsatz gekommen ist. Dabei wird - abhängig vom
jeweiligen Arbeitsmedium - dieses Medium vor dem
Eintritt in den Verdichter überhitzt. Wenn das Kältemittel aus dem Verflüssiger kommt, ist
es wärmer als nach dem Austritt aus dem Verdampfer. Ein Teil dieser Wärme wird im Zusatz-Wärmetauscher nun
zur Überhitzung des Kältemittels aus dem Verdampfer
benötigt. So verdampfen auch die restlichen
Flüssigkeitstropfen.
Regelung
Regelungstechnisch bieten Wärmepumpen heutzutage alle Funktionen wie z.B. Witterungsführung,
Heizkurvenauswahl, Timerfunktionen für Absenk- und
Ferienbetrieb an. Displays zeigen grafisch
aufbereitete Hilfemenüs an, erlauben eine menügesteuerte Bedienerführung und BUS-Ankopplungen,
so dass
eindeutige Betriebs- und Fehlermeldungen möglich sind. Zusätzlich bietet ein Internetanschluss
weltweite Zugriffsmöglichkeit auf die Überwachung, Regelung
oder Darstellung der Haustechnik.
Warmwasserspeicher und Pufferspeicher können die von der Wärmepumpe gewonnene Wärme
speichern, um sie zum erforderlichen Zeitpunkt
an
das Heizsystem abzugeben.
Die Wärmepumpen-Bauarten lassen sich nach dem jeweiligen Arbeitsprinzip unterteilen in Kompressions-Wärmepumpen
oder Sorptions-Wärmepumpen:
Kompressions-Wärmepumpen
Kompressions-Wärmepumpen funktionieren, vereinfacht ausgedrückt, wie Kühlschränke,
allerdings mit der Zielvorgabe zu heizen, statt zu kühlen.
Die Elektro-Kompressions-Wärmepumpe entnimmt der Umwelt Wärme. Das flüssige Arbeitsmedium
befindet sich dabei mit geringem Druck auf
der Primärseite im Verdampfer. Weil die
Umwelt
temperatur außerhalb des Verdampfer höher ist als die Siedetemperatur des Arbeitsmediums,
verdampft
das Arbeitsmedium und entzieht der Umgebung Wärme. Der elektrisch
betriebene
Verdichter saugt das verdampfte Arbeitsmedium aus dem Verdampfer
ab und
verdichtet es.
Bei diesem Vorgang steigen Druck und Temperatur des Dampfes. Vom
Verdichter aus wird
das dampfförmige Arbeitsmedium auf der Sekundärseite in
den Verflüssiger gebracht, der
vom Heizwasser umgeben ist. Da die Temperatur des Heizwassers niedriger als die
Kondensationstemperatur des Arbeitsmediums ist, kühlt der Dampf ab und wird wieder flüssig.
Die Wärme, die im
Verdampfer aufgenommen wurde und die durch das Verdichten gewonnene Energie erwärmen nun
das Heizwasser. Danach gelangt das Arbeitsmedium über ein Expansionsventil wieder in den
Verdampfer. Hier entspannt sich das
Kältemittel vom hohen Druck des
Kondensators auf den
niedrigen Druck des Verdampfers und kühlt ab.
Verwendet man regenerativ erzeugten Strom vom Energieversorger für diese Wärmepumpen-Bauart, lässt sich die Heizwärme eines Haushaltes vollständig regenerativ erzeugen. Neben der
Solarenergie ist damit die Wärmepumpe das einzige Heizsystem, das Wärme kohlendioxidfrei
hervorbringt.
Eine weitere Art der Kompressions-Wärmepumpen werden mit Erdgas, Dieselkraftstoff oder
Biomasse (Rapsöl, Biogas) betrieben. Ein Verbrennungsmotor - statt eines elektrischen Motors -
treibt in diesem Fall den Verdichter an. Gas-Kompressions-Wärmepumpen arbeiten primär-energetisch effizienter als Elektro-Wärmepumpen, weil sich die Abwärme des Verbrennungsprozesses als Heizwärme nutzen lässt.
Sorptions-Wärmepumpen
Eine weitere Wärmepumpen-Bauart sind die Sorptions-Wärmepumpen. Diese lassen sich noch einmal in Absorptions- und Adsorptions-Wärmepumpen unterteilen.
Absorptions-Wärmepumpen werden in der Regel mit Erdgas betrieben. Sie basieren prinzipiell
auf den gleichen physikalischen Grundlagen wie Kompressions-Wärmepumpen. Anders als bei
diesen Wärmepumpen-Bauarten jedoch haben Absorptions-Wärmepumpen einen thermischen
Verdichter. Hier werden Kältemittel eingesetzt, die schon unter niedrigen Temperaturen und
geringem Druck verdampfen, wenn sie Umgebungsenergie aufnehmen. Der Kältemitteldampf
gelangt in den Absorber und wird dort von einem Lösungsmittel wie beispielsweise Wasser
gelöst (absorbiert) und gibt diese Lösungswärme ab. Ein Wärmetauscher gibt die Wärme dann
in das Heiznetz. Der thermische Verdichter benutzt die Wärme aus der Gasverbrennung als
Energiequelle, kann aber auch andere Wärmeerzeuger nutzen. Vorteil der Absorptions-Wärmepumpen ist die gute Ausnutzung der Primärenergie. Auch braucht dieses Wärmepumpen-Bauart
außer der Lösungsmittelpumpe keine beweglichen Teile.
Im Gegensatz zur Absorptions-Wärmepumpe basiert die Adsorptions-Wärmepumpe auf Feststoffen, wie beispielsweise Aktivkohle, Silicagel oder Zeolith. Die Adsorptions-Wärmepumpe
arbeitet wie die anderen Wärmepumpen in einem Kreisprozess, läuft allerdings periodisch ab
und unter der Voraussetzung eines Vakuumsystems. Der apparative Aufwand ist allerdings
wegen der Vakuumtechnik recht groß und für z.B. Ein- und Zweifamilienhäuser ist noch in der
Entwicklung. Diese Wärmepumpen-Bauart wird aber schon seit längerer Zeit als leistungsstarke
Kältemaschine eingesetzt.
Grundlegend gilt für die Wärmepumpen-Funktion: Je geringer der Unterschied zwischen
Temperaturquelle und Wärmeverteilung ist, desto wirtschaftlicher arbeitet eine Wärmepumpe.
Die Einteilung in verschiedene Wärmepumpen-Typen folgt der Art der Wärmequelle und der Art
des Heizkreises. Folgende Varianten haben sich auf dem Markt durchgesetzt:
Sole/Wasser-Wärmepumpe
Die Vertreter der Wärmepumpen-Typen Sole/Wasser haben sich bisher am meisten verbreitet,
weil sie wegen der ganzjährig ausreichend vorhandenen Erdwärme monovalent, also ohne
weiteren Wärmeerzeuger betrieben werden können. Das Wärmeträgermedium auf der Seite der
Wärmequelle ist ein Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch (Sole). In einem geschlossenen Kreislauf
nimmt die Wärmepumpe die Wärme über ein horizontal oder vertikal im Erdreich verankertes
PE-Rohr auf und gibt sie über
einen Wärmetauscher an den Kältekreislauf der Wärmepumpe ab.
Die meisten kleinen oder mittleren Sole/Wasser-Wärmepumpen haben einen Verdichter, der
sehr leise und wartungsarm
arbeitet. Auf der Heizkreisseite dieser Wärmepumpen-Typen wird
die Energie über einen Wärmetauscher an Heizkörper
oder eine Fußbodenheizung abgegeben.
Sole/Wasser-Wärmepumpen befinden sich normalerweise im Haus, doch bei beengten
Platzverhältnissen können entsprechende
Geräte auch außen aufgestellt werden. Für ein
Einfamilienhaus ist mit einer Aufstellfläche von ca. einem Quadratmeter für die
Wärmepumpe
zu rechnen.
Luft/Wasser-Wärmepumpe
Wärmequelle der Wärmepumpen-Typen Luft/Wasser ist die Umgebungsluft. Für diese Art der "Wärmebeschaffung" ist der Aufwand nur gering, denn die Luft wird einfach angesaugt. Aus
diesem Grund ist die Anschaffung viel preiswerter als bei anderen Wärmepumpen-Typen.
Luft/Wasser-Wärmepumpen können innen und außen aufgestellt werden. Bei beiden
Aufstellungsarten wird die angesaugte Umgebungsluft an einem Wärmetauscher, der Teil
des Kältekreislaufes der Wärmepumpe ist, vorbeigeleitet. Die Räume werden mit einer
konventionellen, von Wasser durchströmten Radiatoren- oder Fußbodenheizung beheizt.
Erst bei Außentemperaturen unter -7 °C benötigen zeitgemäße Luft/Wasser-Wärmepumpen
eine Zusatzheizung - dies sind in der Regel Elektroheizungen. In mitteleuropäischen Breiten
kommt diese Zusatzheizung jedoch nur an wenigen Tagen im Jahr zum Einsatz.
Luft/Luft-Wärmepumpe
Bei der Luft/Luft-Wärmepumpe ist die Luft nicht nur die Energiequelle, sondern auch der Träger
für den Wärmetransport. Damit ist diese eigentlich ein Lüftungssystem. Anstatt die warme,
verbrauchte Luft beim Lüften nach außen zu lassen, dient ihre Wärme dazu, die frische Außenluft
aufzuheizen. Die Luft/Luft-Wärmepumpe kann unter Umständen bei Passivhäusern eingesetzt
werden. Im Passivhaus ist der Mensch zum Teil selbst der Wärmelieferant und das Passivhaus
ist
so gut gedämmt, dass nicht immer eine konventionelle Heizung benötigt wird. Zwar werden
Luft/Luft-Wärmepumpen immer beliebter, doch gibt es eine wichtige Voraussetzung für deren
Einsatz: Es muss gewährleistet sein, dass die Heizlast unter 10 W pro Quadratmeter liegt. Bei
höheren Heizlasten kann die Luft die benötigte Wärmemenge nur mit erhöhten Zulufttemperaturen
transportieren. Dadurch sinkt der Feuchtigkeitsgehalt der Luft bis unter 30 Prozent relativer
Feuchtigkeit stark ab, was das Wohlbefinden sehr stark beeinträchtigt. Der Gesundheit zuliebe
sollte also auf eine Luft/Luft-Wärmepumpe verzichtet werden, wenn die Voraussetzung (Heizlast
< 10 W/m²) nicht gegeben ist.
Wasser/Wasser-Wärmepumpe
Unter allen Wärmepumpen-Typen erreichen Wasser/Wasser-Wärmepumpen die besten Leistungszahlen. Aufgrund der im gesamten Jahr ausreichend vorhandenen (Grund-) Wasserwärme lassen
sich Wasser/Wasser-Wärmepumpen monovalent betreiben, also ohne einen weiteren Wärmeerzeuger.
Wärmeträgermedium ist auf der Seite der Wärmequellen zum größten Teil Grundwasser, das
in einem Saugbrunnen bei konstant 8-12 °C gefördert wird. Es gibt einen Teil seiner Wärme in
einem Wärmetauscher an den Kältekreislauf der Wärmepumpe ab. Ein Schluckbrunnen nimmt
das abgekühlte Wasser nach dem Systemdurchlauf wieder auf.
Wie bei der Sole/Wasser-Wärmepumpe bildet ein leiser und wartungsarmer Verdichter das
Herzstück der meisten Wasser/Wasser-Wärmepumpen kleiner und mittlerer Leistung. Auch
die übrige Arbeitsweise erfolgt analog zur Sole/Wasser-Wärmepumpe. Wasser/Wasser-Wärmepumpen werden im Haus aufgestellt. Für den Betrieb im Einfamilienhaus ist eine
Aufstellfläche von etwa einem Quadratmeter für die Wärmepumpe notwendig.
Warmwasser-Wärmepumpen
Zur Vollständigkeit der Wärmepumpen-Typen sind noch die Warmwasser-Wärmepumpen zu
behandeln. Die Aufgabe der Luft/Warmwasser-Wärmepumpe besteht darin, als separates
Gerät Brauchwasser aufzuheizen. Diese Geräte haben in etwa die Größe einer Kühl-Gefrier-Kombination und sind meist mit einem integrierten Speicher ausgestattet.
Im Sommer kühlen Warmwasser-Wärmepumpen im Nebeneffekt die Umgebungsluft des
Raumes,
in dem Sie aufgestellt sind. Nebenbei sorgen sie in feuchten Kellern für trockene
Luft.
Leistungszahl und Jahresarbeitszahl sind zwei wichtige Wärmepumpen-Kennzahlen. Die Leistungszahl (e)
gibt das Verhältnis zwischen der
Wärmeleistung (kW),
die ans Heiznetz abgegeben
wird und der aufgenommenen elektrischen Leistung der Wärmepumpe (kW) an. Die Leistungszahl lässt
allerdings die Leistung
elektrischer Hilfsaggregate, die nicht unmittelbar zum Wärmepumpen-Prozess
gehören, unberücksichtigt (etwa Heizungsumwälzungspumpen, Grundwasser-Förderpumpen).
Der COP-Wert dagegen gibt auch die Leistungen von Hilfsaggregaten, die Abtau-Energie und die anteilige Pumpenleistung für Heizungs-, Sole- und
Grundwasser-Förderpumpen wider.
Leistungszahl und COP-Wert erlauben allerdings keine energetische Bewertung der Gesamtanlage. Für
eine solche Bewertung ist die Jahresarbeitszahl
entscheidend.
Die Jahresarbeitszahl (ß) bezeichnet über ein Jahr hinweg das Verhältnis zwischen abgegebener Wärmemenge (Heizwärme) und zugeführter Energie
(Antriebsenergie). Die Jahresarbeitszahl kann somit auch
als Anlagennutzungsgrad verstanden werden. Sie eignet sich damit gut zur energetischen
Bewertung der
Gesamtanlage.
Die wichtigste Wärmepumpen-Kennzahl ist der Nutzungsgrad. Er ist das Maß für die in einer Heizperiode
tatsächlich verwendete Menge an Energie, die
in
einem Energieträger gespeichert ist. Er wird über einen
längeren Zeitraum bestimmt. Der Wirkungsgrad dagegen wird nur in einem Betriebspunkt
gemessen.
Er
ist in der Regel höher als der Nutzungsgrad, weil der Wirkungsgrad aufgrund des optimalen Betriebzustandes bestimmt wird. So hat ein
Ölkessel beispielsweise bei Vollast am Prüfstand einen Wirkungsgrad
von 85 Prozent. Unter realen Nutzungsbedingungen erreicht er über eine Heizperiode
möglicherweise
lediglich einen
Nutzungsgrad von 60 Prozent, denn er wird fast nie im optimalen Betriebspunkt betrieben,
sondern immer nur im Teillast-
oder Taktbetrieb.
Die Beurteilung einer Wärmepumpe sollte also nicht alleine über deren Wirkungsgrad getroffen
werden,
sondern sollte über die Betrachtung des gesamten
praxisrelevanten Betriebsbereiches
und aller Wärmepumpen-Kennzahlen erfolgen.