Ratgeber Wärmepumpe – allgemeine Aspekte

WÄRMEPUMPEN – EINFÜHRUNG

Begrenzte Brennstoffressourcen und die weltweite Ausrichtung auf Umweltschutz sind Aspekte, die auf die Möglichkeit der Nutzung erneuerbarer Energiequellen aufmerksam gemacht haben. Heute stehen diese Wärmepumpen für sichere, effiziente und innovative Heizgeräte mit sparsamem Betrieb im Stromverbrauch.

Wärmepumpen – sind Geräte, die die notwendigen technischen Voraussetzungen schaffen, um die im Grundwasser, im Erdreich oder in der Luft gespeicherte Sonnenenergie in Form von ökologischer Wärme zum Heizen oder Kühlen von Räumen und zur Warmwasserbereitung effizient zu nutzen.

Etwa drei Viertel der benötigten Energie bezieht die Wärmepumpe aus der Umgebung, den Rest nutzt die Wärmepumpe elektrischen Strom als Antriebsenergie.
Moderne Wärmepumpen bieten effektive technische Möglichkeiten, den Energieverbrauch und den CO2-Ausstoß zu reduzieren. Sowohl bei der Modernisierung von Altbauten als auch bei Neubauten ist die Wärmepumpe eine gute Alternative.

Dieser Artikel behandelt die Grundlagen der Wärmepumpentechnik, die wichtigsten technischen Varianten und erläutert die wichtigsten Aspekte der Anwendungen, die diese Geräte integrieren.

WARUM EINE WÄRMEPUMPE?

1. Wirtschaftliche Motivation

1.1 Reduzierte Betriebskosten

• Je nach Wärmepumpentyp können bis zu 3/4 der Heizenergie aus der Umwelt bezogen werden (kostenlos)
• Mittels eines Kompressors (elektrisch angetrieben) erhöht die Wärmepumpe die Temperatur des der Umgebung entnommenen Wärmeträgers auf die Temperatur, die im Heizsystem des Hauses benötigt wird
• Mit einer Wärmepumpe kann die in der Umwelt gespeicherte Sonnenenergie ganzjährig genutzt werden!

1.2 Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen

Die von der Wärmepumpe genutzten Energieträger stehen direkt vor unserer Haustür zur Verfügung, völlig unabhängig von der Verfügbarkeit oder dem Preis fossiler Brennstoffe.

2. Komfort

Das Heizsystem mit Wärmepumpen bietet höchsten Komfort und einfachste Bedienung. Das üblicherweise eingesetzte Wärmeverteilsystem in Kombination mit Wärmepumpen (Fußbodenheizung, Wandheizung, Niedertemperaturheizung) garantiert ein behagliches und gesundes Klima.

Reversible Wärmepumpenmodelle (Wasser-Wasser oder Erdreich-Wasser) können auch im Sommer den Kühlbedarf decken.

Wärmepumpensysteme sind im Allgemeinen sehr leise, vollautomatisch und erfordern keine regelmäßigen Wartungsarbeiten.

Kein Brennstoffdepot, keine Entaschung und keine Schornsteinreinigung.

3. Sicherheit für die Zukunft

Die Wahl eines Heizsystems ist eine Entscheidung für viele Jahre. Wärmepumpen sind die modernste Heiztechnik, die es heute gibt.

Wärmepumpen ersetzen heute nicht nur Heizungen mit Holz, flüssigen Brennstoffen oder Kohle, sondern zunehmend auch Systeme mit Erdgas.

Hinzu kommt die Frage: Werden wir uns die Kosten für die Heizung in 20 Jahren leisten können? Mit jedem Anstieg der Preise für fossile Brennstoffe wird das Heizen mit Wärmepumpen günstiger gegenüber dem Heizen mit Gas, flüssigen Brennstoffen oder Pellets.

Unabhängig von der Strompreissteigerung sind und bleiben bei einer Wärmepumpe 3/4 der verbrauchten Energie kostenlos.

4. Sicherer Betrieb

Wärmepumpen erzeugen thermische Energie durch einen thermodynamischen Kreislauf, ohne Brennstoff zu verbrennen. Dieser Aspekt reduziert das Unfallrisiko erheblich! Außerdem arbeiten Wärmepumpen mit nicht brennbaren Kältemitteln.

5. Ideal sowohl für Neubauten als auch für die Sanierung bestehender Gebäude

Wärmepumpen können zum Heizen und Kühlen von Neubauten und Bauten mit geringem Energieverbrauch eingesetzt werden (wo die meisten konventionellen Systeme nicht verfügbar oder aufgrund geringer Wärmeleistungen technisch oder wirtschaftlich nicht sinnvoll umzusetzen sind). Auch dort, wo bereits ein modernes Heizsystem mit fossilen Brennstoffen vorhanden ist und eine Kostenreduktion gewünscht wird, können Wärmepumpen als zusätzliche Heizsysteme eingesetzt werden (bivalenter Betrieb).

6. Mehrere Funktionen

Wärmepumpen können während der kalten Jahreszeit heizen, während der warmen Jahreszeit kühlen (mit geringfügigen Änderungen) und das ganze Jahr über Warmwasser bereitstellen.

7. Ökologisch

Die Verbrennung fossiler Brennstoffe zum Heizen von Wohnungen und Büros ist heute eine der größten Quellen der CO2-Produktion. Wärmepumpen erzeugen Wärmeenergie schadstofffrei mit Energie aus der Umwelt.

WIE FUNKTIONIERT EINE WÄRMEPUMPE?

Der Betrieb einer Wärmepumpe – ein einfaches Prinzip mit außergewöhnlichen Ergebnissen!

Unabhängig von ihrem Typ können diese Wärmepumpen als Geräte angesehen werden, die die Temperatur einer Arbeitsumgebung unter Verwendung einer zusätzlichen Energiemenge erhöhen, um nützliche Energie zu erzeugen.

Die Funktionsweise einer Wärmepumpe ist im Grunde die gleiche wie bei einem Gerät, das wir täglich benutzen: dem Kühlschrank. Die gleiche Technik, nur mit umgekehrter Verwendung; Beim Kühlschrank entzieht das Kühlmittel den Lebensmitteln die Wärme und gibt sie an die Umgebung ab. Die Wärmepumpe entzieht der Umgebung (Erdreich, Wasser oder Luft) Wärme und überträgt sie in Form von Wärmeenergie auf das Heizsystem.

1. Der Verdampfer - Entnahme von Wärme aus der Umgebung (Boden, Wasser, Luft)

Im Verdampfer befindet sich ein flüssiges Arbeitsmittel mit niedrigem Druck (Kältemittel). Dies ist eine Substanz, die einen niedrigen Siedepunkt hat. Die Temperatur der Quelle (Boden, Wasser oder Luft) ist höher als die dem Druck des Kältemittels entsprechende Siedetemperatur. Durch diese Temperaturdifferenz wird Wärme aus der Umgebung auf das Arbeitsmittel übertragen, es siedet und verdampft. Die zum Verdampfen benötigte Wärme kommt von der externen Wärmequelle (Boden, Wasser, Luft).

2. Der Kompressor - Temperaturerhöhung

Die aus dem Arbeitsmittel entstehenden Brüden werden vom Kompressor kontinuierlich aus dem Verdampfer abgesaugt. Das Kältemittel wird komprimiert, bis es die für die Erwärmung und Warmwasserbereitung erforderliche Temperatur erreicht.

Der Verdichtungsprozess ist entscheidend für die Effizienz einer Wärmepumpe. Für die gesamte Palette der Wärmepumpen werden Compliant Scroll-Kompressoren verwendet, die aus zwei Spiralen (einer festen und einer beweglichen) bestehen, die das Arbeitsmittel kontinuierlich komprimieren. Compliant Kompressoren sind absolut hermetisch, haben eine viel längere Lebensdauer und sind leiser als die Kolbenmodelle, die früher für Wärmepumpen verwendet wurden.

3. Der Kondensator – Wärmeabgabe an die Heizungsanlage

Die Dämpfe des Arbeitsmittels (Kältemittel) gelangen zum Kondensator der Wärmepumpe, der vom Wärmemittel umgeben ist. Die Temperatur des thermischen Mittels ist niedriger als die Kondensationstemperatur des Arbeitsmittels, sodass die Dämpfe abkühlen und kondensieren.

Die vom Verdampfer aufgenommene Energie (Wärme) plus die beim Verdichtungsprozess (im Kompressor) entstehende Wärme wird im Kondensator freigesetzt und als nutzbare Heizenergie an den Wärmeträger übertragen.

4. Expansionsventil – Der Stromkreis schließt sich

Das Arbeitsmittel wird später durch ein Expansionsventil zum Verdampfer zurückgeführt. Dadurch gelangt das Arbeitsmittel vom Hochdruck des Kondensators auf den Niederdruck des Verdampfers. Am Eingang des Verdampfers werden die anfänglichen Druck- und Temperaturwerte erreicht. Der Stromkreis ist somit geschlossen.

WÄRMEPUMPEN – HAUPTKOMPONENTEN
WOHER BEKOMMEN WIR WÄRME?

Boden, Wasser und Luft sind in unbegrenzter Menge verfügbare Elemente, die als Quelle für eine Wärmepumpe genutzt werden können.

Welche Energiequelle im Einzelfall am günstigsten ist, hängt von den örtlichen Gegebenheiten, der Lage des Gebäudes und dessen Wärmebedarf ab.

Energieträger müssen für ihren praktischen Einsatz mehrere Bedingungen erfüllen:

• Verfügbarkeit in ausreichender Menge
• maximale Speicherkapazität
• Temperaturniveau so hoch wie möglich
• ausreichende Regenerierung
• wirtschaftliche Erfassung

Der Boden

Das Erdreich hat die Eigenschaft, dass es Sonnenenergie über einen längeren Zeitraum speichern und halten kann, was zu einem ganzjährig annähernd konstanten Temperaturniveau und damit zum Betrieb von Wärmepumpen mit hoher Leistungszahl führt.

Die Temperatur im Boden liegt ganzjährig zwischen 7 und 13°C (in 2 m Tiefe).
Die der Umgebung entnommene Wärme wird über ein Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch (Salzwasser) an den Verdampfer der Erdreich-Wasser-Wärmepumpe übertragen; der Gefrierpunkt dieser Lösung liegt bei etwa -15°C.
Die im Erdreich gespeicherte Wärme wird durch horizontal montierte Wärmetauscher – auch Erdkollektoren genannt – oder durch vertikal montierte Wärmetauscher – Erdsonden – entnommen.

Kollektoren im Boden platziert - horizontale Kollektoren

Die Wärme aus dem Erdreich wird mittels Kunststoffrohren – Polyethylen – aufgenommen, die großflächig im Erdreich befestigt sind.

Die Rohre werden parallel im Boden in 1,2 bis 1,5 m Tiefe und je nach Rohrdurchmesser in einem Abstand von ca. 0,3 bis 0,7 m, so dass auf jedem Quadratmeter Fangfläche ca. 1,43 bis 2 m Schlauch.

Die nutzbare Wärmemenge und damit die Größe der benötigten Fläche hängt stark von der Beschaffenheit des Bodens ab. Ausschlaggebend für diesen Aspekt sind in erster Linie der Wassergehalt des Bodens, die Mengen an mineralischen Bestandteilen und die Größe der mit Luft gefüllten Poren. Speicherkapazität und Wärmeleitfähigkeit sind umso höher, je mehr der Boden mit Wasser befeuchtet ist und je höher der Anteil an mineralischen Bestandteilen und je kleiner die Anzahl der Poren ist. Die Werte der spezifischen Absaugleistung für Erde liegen zwischen 10 und 35 W/m2.

Bei der Verwendung von horizontalen Kollektoren sollten Pflanzen mit sehr tiefen Wurzeln nicht um die Röhren gepflanzt werden. Durch Sonneneinstrahlung und stärkere Niederschläge erfolgt bereits ab der zweiten Hälfte der Heizperiode eine Bodenregeneration, so dass sichergestellt werden muss, dass der „Erdspeicher“ für die nächste Saison wieder heizbereit ist.

Bodensonden

Aufgrund der großen Flächen, die für die Installation von Horizontalkollektoren benötigt werden, ist es aus Platzgründen manchmal schwierig, die Anlage zu realisieren.

Für kleine Landflächen sind Bodensonden eine Alternative zum horizontal im Boden platzierten Kollektor. Sie können in Tiefen von 50 bis 150 m eingesetzt werden.

Sonden bestehen in der Regel aus Polyethylenrohren und es werden meist vier parallele Rohre montiert (Doppelrohrsonde mit U-Profil).

Das Wasser-Frostschutz-Gemisch fließt durch zwei Rohre zur untersten Ebene und durch die anderen beiden zurück zum Verdampfer der Wärmepumpe. Auf diese Weise wird der Rahmen über die gesamte Länge der Rohre vom Boden abgehoben. Die Zwischenräume zwischen den Rohren und dem Erdreich müssen mit einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit (Bentonit) ausgefüllt werden.

Die Absaugleistung ist sehr unterschiedlich, zwischen 20 und 100 W/m Sondenlänge.

Grundwasser

Grundwasser ist auch ein guter Akkumulator für Sonnenenergie. Selbst an den kältesten Wintertagen hat es eine Temperatur zwischen 7 und 12°C. Grundwasser steht jedoch nicht überall in ausreichender Menge und in geeigneter Qualität zur Verfügung.

Um die Wärme zu nutzen, müssen zwei Brunnen gebaut werden: ein Saug- und ein Absorptionsbrunnen (Entwässerung); Zwischen ihnen ist ein Abstand von mindestens 5 Metern einzuhalten, und der Standort ist so zu wählen, dass die Wasserströmungsrichtung vom Saugbrunnen zum Saugbrunnen verläuft.

Auch Wasser aus Seen und Flüssen eignet sich als Wärmequelle, da sie auch als Wärmespeicher wirken.

Die Luft

Luft ist die billigste Option, wenn sie als Quelle für eine Wärmepumpe verwendet wird.

Luft/Wasser-Wärmepumpen nutzen die Außenluft als Wärmequelle, die durch Luftkanäle durch einen im Gerät eingebauten Ventilator zum Verdampfer geleitet wird, der der Luft die Wärme entzieht.

Abwärme

Unter den Quellen, die mit einer Wärmepumpe genutzt werden können, ist die Abwärme die effizienteste und gewährleistet die höchsten Leistungsparameter. Es hat jedoch den Nachteil einer sehr begrenzten Verfügbarkeit.

Der Name einer Wärmepumpe ergibt sich aus dem Arbeitsmedium im Primär- und Sekundärkreislauf. Unter Primärkreislauf verstehen wir hier die Wärmequelle (Luft, Erdreich, Wasser) und unter Sekundärkreislauf die Heizungsanlage.

*Sole-Wasser-Wärmepumpen sind auch unter der Bezeichnung „Salzwasser-Wasser-Wärmepumpen“ zu finden. Dieser Name kommt von dem Medium, das im Primärkreislauf (Quelle) für die Wärmeübertragung verwendet wird; Dazu wird ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel (Tyfocor) verwendet, das auf Englisch „Brine“ oder auf Deutsch „Sole“ heißt. Bei Altbauten, die modernisiert werden, passt sich die Betriebsweise der Wärmepumpen an die vorhandene Heizungsanlage im Gebäude an. In diesem Fall muss die maximale Temperatur berücksichtigt werden, die die Wärmepumpen pro Zyklus erreichen können (zwischen 55 und 65 °C).

Bei Anlagen, die bereits oberhalb dieses Temperaturniveaus dimensioniert sind, können die Wärmepumpen nur mit einem weiteren Wärmeerzeuger zusammenarbeiten. Bei Neubauten können Sie das Wärmeverteilsystem wählen. In diesem Fall wird unter Berücksichtigung der höchsten jährlichen Außentemperaturparameter ein Heizsystem mit einer maximalen Temperatur pro Durchgang von 35 °C gewählt (Fußbodenheizung, Wände usw.).

Aus technischer Sicht lassen sich folgende Betriebsregime unterscheiden:

• Monovalente Betriebsweise – die Wärmepumpe muss als einziger Wärmeerzeuger den Wärmebedarf des gesamten Gebäudes decken
• Monoenergetische Betriebsweise – die Wärmepumpe wird in Kombination mit einem anderen Heizsystem eingesetzt, das mit Strom arbeitet
• Bivalente Betriebsweise – die Wärmepumpe wird in Kombination mit einer anderen Wärmequelle eingesetzt, die mit festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen arbeitet.

Für die Bewertung einer Wärmepumpe oder eines kompletten Wärmepumpensystems sind die wichtigsten Faktoren die Arbeitszahl und die Jahresarbeitszahl.

Arbeitszahl und Jahresarbeitszahl

Das Verhältnis zwischen der nutzbaren thermischen Energie und der vom Kompressor übernommenen elektrischen Antriebsenergie wird als „momentaner Leistungsindex“ oder „Leistungskennzahl“ bezeichnet.

Leistungskoeffizient (COP) = vom Hersteller vorgegeben, Laborwert

Jährlicher Leistungsfaktor (FPA) = das Verhältnis zwischen der während eines Jahres entnommenen Wärme und der gesamten in einem Jahr verbrauchten Energie

Im Allgemeinen nimmt die Leistungszahl zu, wenn die Temperaturdifferenz zwischen der Quelle und dem Heizsystem abnimmt.

Empirische Formel:

• Ein Grad Erhöhung der Temperatur im Heizkreis führt zu einer Verringerung des COP um 2,5 %
• Die Erhöhung der Quellentemperatur um ein Grad führt zu einer Erhöhung des COP um 2,7 %.