Wärmepumpe

Allgemeines

Was ist eine Wärmepumpe?

Allgemein versteht man unter einer Wärmepumpe eine Maschine, bei der ein mechanisch oder elektrisch angetriebener Kompressor Wärme von einem niedrigen Temperaturniveau auf ein höheres Temperaturniveau bringt. Diese erzeugte Wärme kann zum Heizen oder für die Warmwasseraufbereitung genutzt werden.
Grundvoraussetzung für das Funktionieren einer Wärmepumpe ist eine Niedrigtemperaturquelle. Je höher die Temperatur dieser Wärmequelle ist, umso effizienter ist die Wärmepumpe.
Eine Wärmepumpe ist jedoch nur dann völlig kohlendioxidfrei, wenn auch der benötigte Strom grüner Strom ist. Grüner Strom bedeutet, dass der Strom nicht in einem Kraftwerk hergestellt wird, welches mit fossilen Brennstoffen betrieben wird.

Funktionsweise der Wärmepumpe

Das Gesamtsystem einer Wärmepumpe besteht aus 4 Teilen:

• der Wärmequellennutzung, welche der Umgebung die benötigte Energie entzieht
• der Wärmepumpe selbst, welche die entzogene Energie nutzt und auf ein höheres Temperaturniveau bringt
• dem Wärmeträgermedium (Heizungswasser, Luft/Wasser, Kältemittel) und
• dem Wärmeverteilsystem, welches die gewonnene Wärmeenergie im Gebäude verteilt.

Die Wärmepumpe selbst besteht aus den vier Hauptkomponenten Verdampfer, Kompressor (Verdichter), Kondensator (Verflüssiger), Expansionsventil (Drossel).

Das Arbeitsmittel, auch Kältemittel genannt, übernimmt im geschlossenen Kältekreislauf die Aufgabe der Wärmeübertragung und den Wärmetransport. Die Wärme wird von einer Wärmequelle (Luft, Erdreich oder Wasser) gewonnen und in der Wärmepumpe über den Verdampfer an das Kältemittel abgegeben.

Das Kältemittel

Ist ein Arbeitsmittel, welches bei niedrigem Druck und Temperatur Wärme aufnimmt, bei hohen Druck und Temperatur Wärme abgibt und dabei die Zustandsform wechselt.
R134a wird verwendet, wenn höhere Temperaturen beispielsweise zur Warmwassererzeugung erreicht werden müssen. Des Weiteren ist dieses Kältemittel mit einer geringeren Druckdifferenz beim Kompressor behaftet.

Der Vorteil des Kältemittels R410A liegt darin, dass die verwendeten Bauteile kleiner sind als jene, die bei Kältemittel R134A verwendet werden müssen. Der Vorteil ist, dass dieses Kältemittel eine höhere spezifische Wärmekapazität aufweist.

Die verschiedenen Energiequellen von Wärmepumpen

Die Natur bietet uns drei Möglichkeiten, Luft, Erdreich und Wasser, um der Umgebung jene Wärme zu entziehen, die für das Beheizen eines Wohnhauses mittels Wärmepumpen benötigt wird. Je höher die Temperatur dieser Wärmequelle ist, umso effizienter ist die Wärmepumpe. (Höfler, 1979)
Für ein Wohnhaus bieten sich folgende Wärmequellen an:

• Hydrothermie  => Grundwasser
• Geothermie => Erdreich (Flächenkollektoren und Tiefensonden)
• Aerothermie => Umgebungsluft

Kühlen mit der Wärmepumpe

Mit einer Wärmepumpe kann nicht nur im Winter geheizt werden, sie können auch zur Kühlung im Sommer genutzt werden. Hierbei gibt es die Möglichkeit der aktiven Kühlung oder der passiven Kühlung.

Aktive Kühlung – Prozessumkehr

Bei der aktiven Kühlung wird der Kältekreislauf in der Wärmepumpe automatisch umgekehrt. Hierbei wird das Gebäude zur Wärmequelle und das Erdreich, das Wasser oder die Außenluft zur Wärmesenke. Bei diesem System entzieht also die Wärmepumpe dem Gebäude die Wärme und gibt sie an Erdreich, Wasser oder Außenluft ab.

Passive Kühlung – Direkte Kühlung

Die passive Kühlung ist nur bei Sole/Wasser oder Wasser/Wasser Wärmepumpen möglich, da hierfür die Sole oder das Wasser benötigt wird. Die Sole oder das Wasser wird über einen externen Wärmeübertrager geleitet. Die Hydraulik wird von der Wärmepumpe so gesteuert, dass auch das Heizwasser über den externen Wärmetauscher fließt. Das Heizungswasser wird von der Flüssigkeit der Wärmequelle rückgekühlt und fließt durch die Fußboden-, Wand- oder Deckenkühlung. Da der Kompressor nicht läuft, sind die Stromkosten sehr gering um das Gebäude über die Sommermonate zu kühlen.

Energiequelle Erdreich – Sole/Wasser Wärmepumpen

Bei der Nutzung des Erdreichs ist der große Vorteil die Konstanz der Quelle. Die Temperaturen der Erde liegen bei zirka 9°C. Diese Temperaturen sind über das ganze Jahr hinweg konstant. Dadurch ist eine erdreichgekoppelte Wärmepumpe langlebiger als die luftgekoppelte, da diese mit Temperaturspreizungen von etwa 38°C in Österreich zu Rande kommen muss.

Der große Vorteil im Vergleich zu wassergekoppelten Wärmepumpen liegt in der Konstanz. Das Wasser kann im Laufe der Zeit seine Qualität, die Grundwassertiefe oder Flussrichtung ändern. Von dieser Änderung ist die erdreichgekoppelte Wärmepumpe nicht betroffen. Bei der Nutzung des Erdreichs wird zwischen dem Flachkollektor und der Tiefenbohrung unterschieden. Im Folgenden werden die verschiedenen Möglichkeiten genau erklärt.

Gründe für eine erdreichgekoppelte Wärmepumpe

• Gleichbleibendere Quellentemperatur als bei Luftanlagen
• Monovalenter Wärmepumpenbetrieb möglich
• Nicht abhängig von der Grundwassermenge und –qualität

Belastbarkeit des Erdreichs

• Entzugsleistungen abhängig von: Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, Wasserdampfdurchlässigkeit, Sonnenscheindauer der Gegend
• Bei gewissenhafter Auslegung des Erdkollektors ist der Einfluss auf das Erdreich und die Vegetation sehr gering

Energiequelle Wasser – Wasser/Wasser Wärmepumpen

Bei einer Wasser/Wasser Wärmepumpe wird die Wärme des Grundwassers genutzt. Dafür werden zwei Brunnen benötigt. Dabei wird dem Entnahmebrunnen Grundwasser entnommen, von der Wärmepumpe abgekühlt und über den Sickerschacht wieder dem Grundwasser zugeführt.

Wichtig ist, dass die beiden Brunnen mindestens 15 – 40m, abhängig von der Wärmepumpenleistung und der Bodendichte, voneinander entfernt gebohrt werden um einen Kurzschluss der Brunnen zu vermeiden. Wichtig ist, dass der Entnahmebrunnen in Wasserfließrichtung der erste Brunnen ist und der Sickerschacht der zweite. So ist gewährleistet, dass das kältere Wasser abfließen kann und nicht wieder zum Entnahmebrunnen gelangt. Des Weiteren ist zu gewährleisten, dass der Sickerschacht die Wassermenge aufnehmen kann und nicht überläuft. Abhängig vom Grundwasserstand werden die Brunnen von 5 bis 50m tief gebohrt. Wobei Bohrungen ab 18m Tiefe bei Einfamilienhäuser unwirtschaftlich werden, da spezielle Pumpen benötigt werden.

Positiv anzusehen ist die konstante Quellentemperatur und der geringe Platzbedarf. Jedoch muss darauf geachtet werden, dass vor der Installation einer Wasser/Wasser Wärmepumpe eine Wasseranalyse und ein Probepumpversuch durchgeführt werden. Dies ist wichtig, um sicherzustellen, dass einerseits genügend Wasser zur Verfügung steht und andererseits die Wasserqualität entsprechend gut ist um die Langlebigkeit der Wärmepumpe zu gewährleisten. Wichtig ist, dass das Wasser nicht eisen-, kalk-, oder manganhaltig ist, beziehungsweise Schwebstoffe wie Sand oder Lehm beinhaltet.

Energiequelle Luft – Luft Wärmepumpen

Die Effizienz der Wärmepumpe hängt wesentlich von einer konstant, hohen Temperatur der Wärmequelle ab. Da die Temperatur der Außenluft im Jahresverlauf zwischen -18°C und +30°C schwankt ist die Wärmequelle Luft jene mit der schlechtesten Effizienz.
Der große Vorteil der Luftwärmepumpe ist, dass sie zu recht moderaten Preisen in Betrieb genommen werden kann. Einzig in dicht besiedelten Gebieten muss auf die Lärmbelästigung geachtet werden.
Bei den Wärmepumpen welche als Wärmequelle Luft verwenden unterscheidet man zwischen Luft/Wasser und Luft/Luft Wärmepumpen. Die effizientere Variante von beiden sind Luft/Wasser-Wärmepumpen, deren Schema in der Abbildung 5 dargestellt ist. Hierbei saugt ein Ventilator Umgebungsluft über den Verdampfer der Wärmepumpe und entzieht der Luft die Wärme. Der Kältekompressor erhöht mechanisch die Temperatur und übergibt diese dem Wasserkreislauf der Heizung. Luft/Wasser Wärmepumpen gibt es in Kompakt- und Split Bauweise.
Der Außenverdampfer befindet sich im Freien und entzieht der Umgebungsluft Wärme. Der Außenverdampfer ist mit einer Flüssigkeits- und Sauggasleitung mit der Wärmepumpe im Haus verbunden.