Wärmepumpen
Wärmepumpen
Mit Hilfe von Wärmepumpen kann die vorhandene Umgebungswärme aus Luft, Erdreich oder Wasser zur Raumwärmeerzeugung und Warmwasserbereitung genutzt werden. Die Funktionsweise basiert auf demselben Prinzip, das auch bei Kühlschränken genutzt wird.
Wärmepumpen enthalten (wie Kühlschränke) in einem geschlossenen Rohrleitungssystem ein Kältemittel als so genanntes „Arbeitsmedium“. Diese Flüssigkeit siedet bereits bei niedrigen Temperaturen (z.B. bei 5 °C). Wenn das Kältemittel verdampft, wird der Umgebung (d.h. der Luft, dem Grundwasser oder dem Erdreich) Wärme entzogen. Dabei geht das Arbeitsmedium vom flüssigen in den gasförmigen Zustand über. Der Kältemitteldampf wird dann von einem Verdichter angesaugt und komprimiert (durch einen Adsorber oder Kompressor). Bei dieser Verdichtung steigt die Temperatur des Kältemittels stark an. Die dabei freiwerdende Energie wird über einen Wärmetauscher an das Heiz- oder Brauchwasser abgegeben. Bei diesem Vorgang verflüssigt sich das Kältemittel wieder, der noch vorhandene (Rest-)Druck wird mit Hilfe eines Expansionsventils abgebaut und der Kreislauf beginnt von neuem.
Prinzip einer Wärmepumpe
Bei der Modernisierung von Altbauten kann es abhängig von der „Energiequelle“, die mittels Wärmepumpe erschlossen werden soll (Luft, Grundwasser oder Erdreich), zu Anwendungsbeschränkungen kommen. Teilweise wird aufgrund der spezifischen Vor- und Nachteile dieser Systeme ihr Einsatz sogar technisch unmöglich.
Luft-Wärmepumpen können die Umgebungsluft bis zu einer Temperatur von -18 °C nutzen. Ein systembedingter Nachteil ergibt sich allerdings aus der Tatsache, dass die Luft dann am kältesten ist, wenn am meisten Heizwärme benötigt wird, d.h. im Winter. Es gelingt zwar der Wärmequelle Luft bei -18 °C noch Wärme zu entziehen, die Leistungszahl der Wärmepumpe (s.u.) ist dann jedoch am kleinsten. Daher muss bei diesem Wärmepumpentyp entweder zusätzlich ein konventionelles Heizsystem installiert (so genannte bivalente Betriebsweise) oder bei monovalenter Betriebsweise ein zusätzlicher Elektroheizeinsatz im Pufferspeicher eingebaut werden, der zur Abdeckung des Energiebedarfs der wenigen sehr kalten Tage dient (ca. 5 -10 % der Jahresheizarbeit).
Ein Vorteil der Luft-Wärmepumpe, der insbesondere bei Altbaumodernisierungsmaßnahmen ins Gewicht fällt, ist ihre relativ einfache Installation ohne umfangreiche Erd- und Bohrarbeiten.
Bei der Verwendung von Grundwasser als Energiequelle werden zwei Brunnen (ein Förder- und ein Schluckbrunnen) mit einem Durchmesser von ca. 25 cm in einem Mindestabstand von 15 m bis zur Grundwasserführenden Schicht gebaut. Der Schluckbrunnen muss dabei in Fließrichtung unterhalb des Saugbrunnens angeordnet werden.
Für dieses System muss Grundwasser dauerhaft in ausreichender Menge und in geeigneter Qualität zur Verfügung stehen. Für die Verwendung von Grundwasser für solche Wärmepumpensysteme muss von der unteren Wasserbehörde die entsprechende Genehmigung eingeholt werden. Der Vorteil des Grundwassers als Energiequelle liegt darin, dass es über eine verhältnismäßig konstante Temperatur von (in unseren Breiten) etwa 10 °C verfügt.
Um das Erdreich als Energiequelle zu nutzen, gibt es zwei Möglichkeiten. Entweder werden Erdsonden verwendet, bei denen die Rohrleitungen senkrecht bis auf Tiefen von z.B. 20 m in das Erdreich gebohrt werden. Aus dieser Tiefe kann mit dem Kältemittel ganzjährig die notwendige Wärmeenergie z.B. für eine Fußbodenheizung gefördert werden. Oder als Alternative wird ein so genannter „Erdreichkollektor“, ein mehrere hundert Meter langes Rohrleitungssystem, in einer Tiefe von etwa 1,50 m bzw. 20 cm unter der Frostgrenze verlegt.
Für die Auslegung eines solchen Systems kann davon ausgegangen werden, dass etwa das 3 bis 4-fache der zu beheizenden Fläche für das Rohrleitungssystem benötigt wird. Da ausreichend große Grundstücke in dichter besiedelten Regionen kaum zur Verfügung stehen, wird dieses System bei der Modernisierung von Altbauten nur selten eingesetzt.
Kompakt-Luft-Wasser-Wärmepumpe in Außenaufstellung
Erdwärme-Wasser-Wärmepumpe mit Erdwärmesond
Erdwärme-Wasser-Wärmepumpe mit Rohrschlangensystem
Grundwasser-Wärmepumpe
Die Heizleistung einer Wärmepumpe ist abhängig vom Temperaturniveau der Wärmequelle und des Wärmeverbrauchers. Je größer die zu überwindende Temperaturdifferenz ist, desto weiter sinkt der Wirkungsgrad. Vor diesem Hintergrund bietet sich der Einsatz von Wärmepumpen insbesondere bei Objekten mit Niedertemperaturheizungen (z.B. Fußbodenheizungen) an.
Wird eine Wärmepumpe allein zur Gesamtwärmeerzeugung eingesetzt, spricht man von einer monovalenten Betriebsweise. Wird sie zusammen mit einem (konventionellen) Heizkessel betrieben, handelt es sich um eine bivalente Betriebsweise. Dabei kann weiter unterschieden werden zwischen einer bivalent-parallelen und einer bivalent-alternativen Betriebsweise. Beim bivalent-parallelen Betrieb sind beide Wärmeerzeuger (Wärmepumpe und Kessel) so geschaltet und ausgelegt, dass sie gleichzeitig arbeiten können. Bei der zweiten Variante ist immer nur ein Wärmeerzeuger - entweder die Wärmepumpe oder der Heizkessel - in Betrieb.
Der Antrieb der Wärmepumpen kann entweder mit Strom oder Gas erfolgen. Die mit elektrischem Strom betriebenen Wärmepumpen arbeiten mit Kompressoren und werden i.d.R. für kleinere Wohneinheiten (z.B. Einfamilienhäuser) eingesetzt. Auch wenn diese Wärmepumpen mit Strom arbeiten, kann durch sie mehr Energie genutzt werden als an elektrischer Energie eingesetzt wird (z.B. verdoppelt sich bei Wärmepumpen mit der Arbeitszahl 2 die eingesetzte Energie). Bei der Herstellung von elektrischem Strom wird im bundesweiten Durchschnitt nur etwa 35 % der eingesetzten Primärenergie in Strom umgewandelt, der Rest geht als Wärme über die Kühltürme verloren. Bezogen auf den Primärenergieeinsatz ergibt sich damit eine „Ausbeute“ von lediglich 74%. Die Energiebilanz verbessert sich, wenn der benötigte Strom z.B. von Blockheizkraftwerken erzeugt wird.
Eine deutlich bessere Energiebilanz zeigen mit Gas angetriebene Wärmepumpen, die primär für größere Wohneinheiten und Mehrfamilienhäuser eingesetzt werden. Mit ihnen lässt sich die Primärenergieausbeute je nach Bauart auf 120 bis 160 % steigern. Diese, auf dem Adsorptionsprinzip arbeitende Wärmepumpe ist durch sehr leises Arbeiten gekennzeichnet, da sie kaum bewegliche Teile besitzt.
Der Quotient aus der Heizleistung (QWP) und der Leistungsaufnahme (PWP) wird als Leistungszahl (εWP) bezeichnet. Sie gibt Aufschluss darüber, um wie viel mehr Wärmeenergie durch die Wärmepumpe „erarbeitet“ wird, als für den Betrieb benötigt wird. Je höher dabei die Temperatur der Wärmequelle und je niedriger die Temperatur des Wärmeverbrauchers ist, desto größer werden die Leistungszahl der Wärmepumpe und damit der Energiegewinn.
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