Centrales Agrar-Rohstoff Marketing- und Energie-Netzwerk e.V.


Die Energie der jeweiligen Wärmequelle wird durch den Einsatz einer Wärmepumpe zur Beheizung eines Gebäudes nutzbar. Mit der eingesetzten Technik ist es möglich die Wärme entgegen dem Temperaturgefälle vom Kälteren ins Wärmere zu übertragen. Dies gelingt mit Hilfe des sogenannten linkslaufenden Kreisprozesses aus Verdampfung, Verdichtung, Verflüssigung und Entspannung eines Arbeitsmediums, der auch bei Kühlgeräten genutzt wird.
Die drei Hauptkomponenten aus denen ein Heizungssystem mit Wärmepumpe besteht übernehmen dabei verschiedene Aufgaben: die Wärmequelle stellt die benötigte Energie bereit, die eigentliche Wärmepumpe macht die gewonnene Energie nutzbar und die Wärmesenke (z. B. Fußbodenheizung) bzw. der Heizkreis verteilt die Wärmeenergie im Gebäude. Wärmepumpe Schemata

Der technische Prozess läuft in vier Schritten ab. Ein Arbeitsmedium (Kältemittel) nimmt zuerst die Wärme aus der Wärmequelle (z. B. Erdreich) auf und verdampft dabei aufgrund seines niedrigen Siedepunktes. Der Verdichter der Wärmepumpe komprimiert den Dampf unter Aufwendung von elektrischer Energie und liefert dadurch eine höhere Temperatur. Im dritten Schritt wird die Wärme des Gases über einen Wärmetauscher an das im Heizsystem zirkulierende Wasser übertragen. Dieser Vorgang kühlt das Kältemittel wieder ab, bis es schließlich kondensiert, also einen flüssigen Zustand annimmt. Schließlich wird der Druck des Kältemittels über ein Entspannungsventil weiter gesenkt, bis der Anfangszustand erreicht ist und der Prozess von vorne beginnen kann.

Je geringer die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und –senke ist, desto effizienter ist der gesamte Prozess, da weniger Strom für die Wärmepumpe benötigt wird.

Als Kennzeichnung für die Effizienz dient die Jahresarbeitszahl (JAZ), welche das Verhältnis zwischen der für den Betrieb der Wärmepumpe eingesetzten elektrischen Energie und der von ihr erzeugten thermischen Energie in einem Jahr angibt. Erreicht eine Wärmepumpe zum Beispiel eine JAZ von 4 bedeutet dies, dass die Nutzwärme anteilig aus 25 % Strom und 75 % aus Umweltwärme gewonnen wird.

Mittlerweile sind diverse Ausführungen von Wärmepumpen verfügbar, welche sich je nach Größe und Energiestandard des zu beheizenden oder zu kühlenden Gebäudes unterschiedlich gut eignen. Unterschieden wird zwischen Niedertemperatur-, Mitteltemperatur- oder Hochtemperaturwärmepumpen. Während die Niedertemperaturwärmepumpen nur mit niedrigen Vorlauftemperaturen im Heizungssystem arbeiten können, sind Hochtemperaturgeräte auch für Heizungssysteme mit hohen Vorlauftemperaturen geeignet. Außerdem kann zwischen elektrisch- und gasbetriebenen Wärmepumpen unterschieden werden. In Gebäuden mit großem Leistungsbedarf wie Schwimmbädern werden häufig gasbetriebene Wärmepumpen eingesetzt. Elektrisch-betriebene Wärmepumpen finden eher im kleineren Leistungsbereich Anwendung, wie zum Beispiel in Wohngebäuden. Kann die Wärmepumpe den Wärmebedarf als einziger Wärmeerzeuger decken, handelt es sich um eine monovalente Betriebsweise. Wenn ein zweiter Wärmeerzeuger, zum Beispiel ein Pelletofen oder ein elektrischer Heizstab notwendig ist, um die Wärmeversorgung zu jeder Zeit sicherzustellen, wird dies als bivalente Betriebsweise bezeichnet. In einem Passivhaus kann auch nur die Brauchwassererwärmung mittels Wärmepumpe erfolgen.

Entscheidend für die Leistungsfähigkeit einer Wärmequelle sind die thermophysikalischen Eigenschaften des Untergrundes, wie z. B. die Wärmeleitfähigkeit und die volumetrische Wärmekapazität. Diese Werte geben an, wie viel Wärmeenergie aus der Umgebung bzw. dem jeweiligen Medium gewonnen werden kann. Das bedeutet: es fließt immer eine bestimmte Energiemenge in Form von Wärme aus der Umgebung nach, so dass die Temperatur der Wärmequelle nicht stetig absinkt. Dementsprechend ist zu beachten, dass nicht dauerhaft mehr Wärme entzogen wird als es die thermophysikalischen Eigenschaften erlauben, da die Wärmequelle im Laufe der Nutzung ansonsten zu stark abkühlt und somit vollständig oder zeitweise versiegen kann.

Je nach genutzter Wärmequelle kann zwischen folgenden Wärmepumpenarten unterschieden werden:

Sole/Wasser-Wärmepumpe

Die Sole/Wasser-Wärmepumpe kommt bei der Nutzung von oberflächennaher Geothermie, Gewässern und Abwasser als Wärmequelle zum Einsatz. Da das Temperaturniveau ab einer Tiefe von 12 m im Erdreich konstant bei 10°C oder höher liegt, ist auch im Winter kein hoher Einsatz elektrischer Energie nötig. Dadurch kann diese Art der Wärmepumpe sehr gute JAZ von bis zu 4,5 erreichen. Die Erschließung der Wärmequelle erfolgt entweder mit vertikalen Erdwärmesonden oder mit horizontalen Erdwärmekollektoren Eine weitere Anlagenvariation ist die Nutzung erdberührter Betonteile (Bauteilaktivierung). Die Wahl der Technik hängt vom Platzangebot und den Bodenverhältnissen ab.
Die Bezeichnung Sole/Wasser-Wärmepumpe bezieht sich auf das Wasser-Glycol-Gemisch, welches in den Sonden bzw. Kollektoren zirkuliert und über welches die Wärme an das Arbeitsmedium übertragen wird. Diese Art von Wärmepumpe wird häufig auch Erdreich-Wärmepumpen genannt.
Weitere Informationen zu Quellsystemen für Wärmepumpen dieser Art finden Sie unter dem Beitrag "Geothermie".


Wasser/Wasser-Wärmepumpe

Die Wasser/Wasser-Wärmepumpe kommt bei der Nutzung von Grundwasser und zum Teil auch bei Oberflächenwasser als Wärmequelle zum Einsatz. Dafür werden bei der Nutzung von Grundwasser zwei Brunnenbohrungen (Förder- und Schluckbrunnen) benötigt. Die Wärme kann direkt vom geförderten Grundwasser bzw. dem Oberflächenwasser auf das Arbeitsmedium übertragen werden, sofern kein zusätzlicher Zwischenkreis benötigt wird. Die relativ konstanten Grundwassertemperaturen von 8 bis 10°C (StMUGV 2007) lassen nicht nur einen Betrieb im Winter ohne hohen Stromeinsatz zu, sondern ermöglichen prinzipiell auch die Kühlung des Gebäudes im Sommer.
Auch Oberflächengewässer können als Wärmequelle bzw. im Sommer teilweise als Wärmesenke genutzt werden. Bei guten Voraussetzungen für die Wasser/Wasser-Wärmepumpe, kann diese sehr gute Jahresarbeitszahlen erreichen.
Weitere Informationen zu Quellsystemen für Wärmepumpen dieser Art finden Sie unter dem Beitrag "Geothermie".


Luft/Wasser-Wärmepumpe

Die Umgebungsluft, die bei der Luft/Wasser-Wärmepumpe genutzt wird ist die am einfachsten zugängliche Wärmequelle. Die Wärme wird direkt über die angesaugte Luft auf das Arbeitsmedium übertragen. Ein Nachteil ist jedoch, dass im Winter, wenn ein hoher Wärmebedarf besteht, die Lufttemperatur am niedrigsten ist und damit wenig Umweltwärme zur Verfügung steht. Um dies auszugleichen, wird deutlich mehr Luftvolumen umgewälzt und somit mehr Hilfsenergie in Form von Strom benötigt. Dies äußerst sich in höheren laufenden Kosten bedingt durch einen schlechten Systemwirkungsgrad der Wärmepumpe. Deshalb sollten Luft-Wasser-Wärmepumpen bevorzugt in Gebäuden mit sehr niedrigem Heizenergiebedarf eingesetzt werden.

Bei der Installation von Luft/Wasser-Wärmepumpen gibt es unterschiedliche Varianten. Sie können innen, außen oder gesplittet aufgestellt werden.
Bei der Innenaufstellung befindet sich das komplette Wärmepumpensystem im Haus. Notwendig ist ein Durchbruch nach draußen, um den Luftein- und -auslass zu installieren. Mit Hilfe eines Rohrsystems sowie eines Ventilators wird Außenluft dem Verdampfer der Wärmepumpe zugeführt.
Wird die Wärmepumpe außerhalb des Hauses aufgestellt, erfolgt der Transport der aufgenommenen Wärme in der Regel über eine unterirdische und gedämmte Warmwasserleitung in das Haus zum Speicher und Verteilsystem. Diese Variante bietet sich vor allem bei der Sanierung bestehender Wohngebäude an.
Des Weiteren ist es möglich ein sogenanntes Splitgerät zu installieren, bei dem sich meist der Verdampfer im Freien befindet. Die Verbindung mit den Anlagenteilen im Inneren des Gebäudes wird durch eine Kältemittelleitung hergestellt.

Kühlung

Je nachdem, welche Wärmepumpensysteme zur Kühlung von Gebäuden verwendet werden, findet eine Unterscheidung zwischen aktiven (Verdichtung eines Arbeitsmediums) oder passiven Kühlsystemen (ohne Verdichtung) statt.
Bei der aktiven Kühlung wird der thermodynamische Kreisprozess durch sogenannte reversible Wärmepumpen umgekehrt. Im Sommer kann so die Wärme der Innenraumluft mit Hilfe der Wärmepumpe abgeführt werden. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass der Betrieb der Wärmepumpe bei dieser Art der Kühlung zu nennenswerten Stromkosten führt.
Demgegenüber ist der Energieaufwand bei der passiven Kühlung deutlich verringert. Die überschüssige Wärme aus dem Gebäude wird beispielsweise über einen zusätzlichen Plattenwärmetauscher an den Solekreislauf und von dort aus an das kühlere Erdreich abgegeben.

Eisspeicher

Die Kombination einer Wärmepumpe mit einem Eisspeicher wird häufig in Ein-/Mehrfamilienhäusern eingesetzt und dient sowohl der Beheizung im Winter als auch der Kühlung im Sommer. Die Funktionsweise des Eisspeichers beruht auf der Nutzung der Latentwärme, die beim Phasenübergang zwischen fest (Eis) und flüssig (Wasser) freigesetzt bzw. gespeichert wird. Die technische Umsetzung erfolgt mit Hilfe eines Wasserreservoirs, das in bis zu vier Meter Tiefe in das Erdreich eingegraben wird. Im Winter entzieht die Wärmepumpe dem Wasser im Eisspeicher so viel Energie, bis das Reservoir durchgefroren und der Speicher somit entleert ist. Im Sommer wird gleichzeitig das Gebäude klimatisiert und der Speicher wieder mit Wärme beladen, indem die Innenraumwärme über den Wärmepumpenkreislauf an diesen abgegeben wird. Die im Gebäudekonzept integrierte Solarthermieanlage, führt die solare Überschusswärme dem Eisspeicher zu und lädt den Speicher.


Wir nutzen Cookies auf unserer Website. Einige von ihnen sind essenziell für den Betrieb der Seite, während andere uns helfen, diese Website und die Nutzererfahrung zu verbessern (Tracking Cookies).

Sie können selbst entscheiden, ob Sie die Cookies zulassen möchten. Bitte beachten Sie, dass bei einer Ablehnung womöglich nicht mehr alle Funktionalitäten der Seite zur Verfügung stehen.