Wärmepumpe

Die Wärmeversorgung des 21. Jahrhunderts verlangt nach einer Umkehr aus der fossilen Sackgasse. Immer deutlicher zeigt sich, welches Wärmepotential unsere unmittelbare Umgebung bereithält. Die Wärmepumpentechnologie nutzt dieses Potential und bietet innovative Konzepte zur Wärmeversorgung.

Eine Wärmepumpe funktioniert wie ein Kühlschrank. Der Kühlschrank entzieht den Lebensmitteln Wärme und gibt diese an die Umgebungsluft ab. Die Wärmepumpe entzieht der Umgebung die gespeicherte Wärme und gibt diese auf einem höheren Temperaturniveau wieder ab, so dass sie zur Wohnungsheizung und Warmwasserbereitung genutzt werden kann. Man könnte also sagen, dass die Wärmepumpe wie ein Verstärker wirkt. Die im Erdreich gespeicherte Sonnenenergie kann entweder über horizontal verlegte Erdkollektoren oder über senkrechte Erdsonden nutzbar gemacht werden. Von der Wärme, die eine Erdreich- oder Grundwasser-Wärmepumpe zum Heizen abgibt, stammen rund drei Viertel aus der Umwelt. Das restliche Viertel wird als elektrischer Strom für den Antrieb der Wärmepumpe zugeführt und im Verdichter in Wärme umgewandelt, kann damit also ebenfalls zum Heizen verwendet werden.

Energiequellen
Erdsonde

Die platzsparendste Form der Energiegewinnung funktioniert mit einer Erdsonde. Die Erdwärme wird dabei mit speziellen Erdsonden entnommen, die bis zu 100 m tief in die Erde führen. Die Temperatur liegt dort ganzjährig konstant bei ca. 10 °C. Die Varianten 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.

Erdkollektoren

Als Alternative zur Sonde dienen Erdkollektoren. Die Wärmepumpe nutzt auch damit die Wärme aus dem Erdreich. Ein Erd-Kollektor in 1,5 m Tiefe, wie eine Heizschlange verlegt, entzieht der Erde die Wärme. Dort herrscht ganzjährig eine fast gleichmäßige Temperatur. Im Fall eines Neubaues wird gerne zu dieser Methode gegriffen, weil ohnehin Grabungsarbeiten notwendig sind.

Wasser/Wasser-Wärmepumpe

Die Wasser/Wasser-Wärmepumpe bezieht die Wärme aus dem Grundwasser, dessen Temperatur unabhängig von der Jahreszeit und der Außentemperatur konstant ist. Unter allen Wärmepumpen-Typen erreichen Wasser/Wasser-Wärmepumpen aufgrund der im gesamten Jahr ausreichend vorhandenen (Grund-) Wasserwärme die Leistungszahlen. Wärmeträgermedium ist auf der Seite der Wärmequelle 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.

Luft/Wasser-Wärmepumpe

Die Luft/Wasser-Wärmepumpe nutzt die von der Sonne erwärmte Außenluft. In Gebäuden mit sehr niedrigem Heizwärmebedarf, also in Niedrigenergiehäusern, ist diese Bauart ganzjährig in der Lage, die gesamte Wärmeerzeugung bei gutem Wirkungsgrad sicherzustellen. Wird gänzlich regenerativ erzeugter Strom bezogen, ist das Heizen mit einer Wärmepumpe völlig CO2-frei.

Bei Wärmepumpen unterscheidet man verschiedene Betriebsweisen: Bei monovalenter Betriebsweise heizt allein die Wärmepumpe das Gebäude, von bivalentem Betrieb wird gesprochen, wenn die Wärmepumpe in Verbindung mit einem zweiten Wärmeerzeuger (z.B. Holzkessel, etc.) eingesetzt wird. Erst bei Außentemperaturen unter -7 °C benötigen zeitgemäße Luft/Wasser-Wärmepumpen eine Zusatzheizung – auch oft elektrisch. In mitteleuropäischen Breiten kommt diese Zusatzheizung jedoch nur an wenigen Tagen im Jahr zum Einsatz.

Effiziente Wärmepumpen – Voraussetzung ist eine hohe Jahresarbeitszahl

Die Jahresarbeitszahl (COP – Coefficient of Performance) gibt an, wie viel Wärme die Wärmepumpe im Verhältnis zur eingesetzten elektrischen Energie abgibt. Diese liegt normalerweise zwischen 3 und 5 in ungünstigen Fällen, in sehr günstigen Fällen aber auch darüber. Eine Arbeitszahl 3 bedeutet, dass mit einer Antriebsenergie (Strom) von 1 kWh eine Nutzwärme (Warmwasser) von 3 kWh erzeugt wird.

Die Leistungszahl einer Wärmepumpe gibt an, welche Wärmeleistung eine Wärmepumpe im Verhältnis zur aufgenommenen elektrischen Leistung, in einem definierten Betriebszustand unter Prüfbedingungen, erbringt. Die Leistungszahl ist somit ein Qualitätsmerkmal für einen bestimmten Wärmepumpentyp. Als Entscheidungsgrundlage für die Installation ist aber die Jahresarbeitszahl wichtiger. Die Jahrsarbeitszahl einer Wärmepumpenanlage wird also durch die Qualität der Wärmepumpe, aber auch vom Standort des Gebäudes, von der Temperatur der Umgebung beispielsweise Erdreich, Grundwasser oder Luft und der Vorlauftemperatur der Heizung bestimmt. Je niedriger der Temperaturunterschied zwischen Umweltmedium und Heizungsvorlauf, umso besser die Jahresarbeitszahl.

Wärmepumpe – Gebäudekühlung

An heißen Sommertagen sind die Temperaturen im Inneren der Gebäude in der Regel höher als im Erdreich oder im Grundwasser. Dann können die niedrigeren Temperaturen zur direkten Kühlung des Gebäudeinneren genutzt werden. Diese als “natural cooling” bezeichnete Funktion funktioniert mit einem sehr geringen Mehraufwand am Platz und Investitionen und verursacht nur geringste Betriebskosten.

Wärmepumpe – Solartechnik

Die Kombination mit einer thermischen Solaranlage ist speziell im höheren Leistungsbereich sinnvoll. Die Solaranlage übernimmt hier in der Regel die Erwärmung des Warmwassers. Bei den meisten Geräten ist die Anschlussmöglichkeit bereits vorbereitet und damit leicht herzustellen bzw. nachzurüsten. Auch die Kombination von Fotovoltaik mit allen Wärmepumpen-Systemen liegt nahe, damit kann auch der Stromanteil der Wärmepumpe in der Jahresbilanz selbst erzeugt werden.

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