WärmEpumpEN

TECHNik
Heizung
Schmuckstück im Garten
Die Luft/Wasser-Wärmepumpe
„LW 330A“ von Alpha-InnoTec zur
Außenaufstellung im Garten mit
einer Leistung von bis zu 33 kW
Was ist was in der Wärmepumpen-Technologie
WärmepumpenEinmaleins
In Deutschland wird gut ein Viertel (29 %) der Endenergie in privaten Haushalten verbraucht (Quelle:
Arbeitsgemeinschaft Energiebilanz 08/2003). Gut drei Viertel davon werden für die Raumheizung aufgewandt. Grund genug, hier Bemühungen zur Energieeinsparung und Minderung der CO2-Emission anzusetzen. Potentiale können durch Wärmeschutz, z. B. verbesserte Isolation, neue Fenster und ein umweltfreundliches Heizsystem genutzt werden. Ebenso ist das Heizen mit einer Wärmepumpe eine Möglichkeit
der Energieeinsparung. Im Artikel werden grundlegende Fragen zur Technik und zum Einsatz einer Wärmepumpe geklärt. Autor: Frank Kohlmann, Leiter Produktmanagement bei Alpha-InnoTec, Kasendorf
Die Leistungszahl (ε)
ist ein Mass für den
Wirkungsgrad von
Wärmepumpen
Bei Wärmepumpen gibt die
Leistungszahl die abgegebene Heizleistung einer Wärmepumpe im Vergleich zur
aufgewendeten elektrischen
Antriebsleistung für den Verdichter an. Sie bewertet dabei
ausschließlich die Qualität
des Wärmepumpenprozesses.
Die Leistungszahl 4 bedeutet
demnach, dass das Vierfache
der eingesetzten Anschlussleistung in nutzbare Wärmeleistung umgesetzt wird.
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D
er größte Teil der Heizenergie, die durch eine Wärmepumpe
zur Verfügung steht, wird der Umwelt entzogen. Nur ein kleiner Teil an Energie muss als Antriebsenergie zugeführt werden. Die Leistungszahl (der Wirkungsgrad der Wärmepumpe) liegt in
der Regel zwischen 3 bis 6. Wärmepumpen bieten damit ideale Voraussetzungen für energiesparendes und umweltschonendes Heizen.
Blackbox Wärmepumpe
Lassen Sie uns kurz den Weg des
Arbeitsmediums verfolgen, um
die Wärmegewinnung in der Wärmepumpe zu verdeutlichen. Im
ersten Schritt tritt das als 2-Phasengemisch (Flüssigkeit +
Funktionsweise von Wärmepumpen
Dampf) vorliegende Kältemittel
Wärmepumpen arbeiten nach dem Prinzip eines Kühlschranks: gleiin den Verdampfer der Wärmeche Technik, nur umgekehrter Nutzen. Der Kühlschrank entzieht
pumpe ein. Hier nimmt es aus
Lebensmitteln Wärme. Diese gibt er durch Lamellen an seiner Rückeiner Wärmequelle (Außenluft,
seite an den Raum ab.
Wasser oder die Sole im Erdreich)
Die Wärmepumpe entzieht unserer Umwelt aus der Luft, der Erde
Wärme auf. Durch diese Wärmeoder dem Wasser Wärme. Diese gewonnene Wärme wird auf ein
aufnahme wird das Kältemittel
höheres Niveau „gepumpt“ und an das Heizungswasser weitergege- verdampft. Im zweiten Schritt
ben. Selbst wenn draußen klirrende Kälte herrscht, gewinnt die Wärgelangt das Kältemittel in den
mepumpe noch so viel Wärme, wie sie zum Beheizen eines Hauses
Verdichter. Hier wird dem Prozess
benötigt.
Arbeitsenergie zugeführt. Das
Im Detail funktioniert die Wärmepumpe wie folgt: Beim Prozess
gasförmige Arbeitsmedium wird
der Energiegewinnung durchläuft ein Arbeitsmedium, das so genann- verdichtet, dabei wird der Druck
te Kältemittel, vier wesentliche Schritte. Bei dem Kältemittel handelt erhöht. Wie bei einer Luftpumpe
es sich um ein Medium, dass bereits bei sehr niedrigen Temperaerhöht sich dadurch auch die
turen verdampft.
Temperatur des Arbeitsmediums.
4/2007
TECHNik
Quelle: Wärmepumpen-Guide 2007/2008 von Alpha-InnoTec
Heizung
Wärmequelle Erdreich
Die Kollektoren werden in unbebauter Fläche in etwa
1,2 bis 1,5 m Tiefe eingebracht
Wärmequelle Grundwasser
In der Regel wird Grundwasser als Wärmequelle
für Wasser/Wasser-Wärmepumpen genutzt. Eine
gleich bleibende Temperatur verspricht hohe
Leistungszahlen
Luft/Wasser-Wärmepumpe
Die schematische Zeichnung zeigt die
Möglichkeit der Aufstellung einer
Wärmepumpe im Garten
Der nächste Schritt geschieht im so genannten
Verflüssiger oder Kondensator: Hier gibt das heiße
Gas die Wärme an das kältere Heizungswasser ab.
Dabei wird das Kältemittel wieder flüssig – es kondensiert. Im vierten Schritt erfolgt die Drosselung
des flüssigen Kältemittels auf den Verdampfungsdruck, dabei wird es wieder zum 2-Phasen-Gemisch.
Gleichzeitig kühlt es sich auf die Verdampfungstemperatur ab. Der Kreisprozess beginnt von vorn.
Wärme an das Arbeitsmittel der Wärmepumpe
abgibt. Die vom Erdwärmekollektor benötigte Fläche
beträgt etwa das 1,5-fache bis 2,5-fache der
beheizten Wohnfläche und wird in etwa 1,2 m bis 1,5
m Tiefe verlegt. Die Ergiebigkeit wird im Wesentlichen durch die Beschaffenheit und den Wassergehalt des Erdbodens bestimmt. Feste, feuchte Böden
sind bessere Wärmequellen als trockene und sandige. Das Erdreich regeneriert sich vor allem durch
eindringende Niederschläge. Die Oberfläche darf
deswegen nicht bebaut oder versiegelt sein.
Bivalente Betriebsart
Verschiedene Arten von Wärmepumpen
Abhängig von der Wärmequelle lassen sich drei verschiedene Arten von Wärmepumpen unterscheiden:
■ Luft/Wasser-Wärmepumpen,
■ Wasser/Wasser-Wärmepumpen und
■ Sole/Wasser-Wärmepumpen.
Luft/Wasser-Wärmepumpen
Bei Luft/Wasser-Wärmepumpen dient Außenluft als
Wärmequelle. Bei Gewerbe- und Industrieanlagen
besteht auch die Möglichkeit, Raum- bzw. Abluft zu
nutzen. Die geringen, gut kalkulierbaren Erschließungskosten sind ein großer Vorteil der Wärmequelle Luft. Die Nutzung bedarf keiner Genehmigung.
Luft/Wasser-Wärmepumpen, wie z. B die „LW 330A“
von Alpha-InnoTec (www.alpha-innotec.de) können
im Haus oder Garten aufgestellt werden. Schwankende Temperaturen und die gerade in der Heizsaison kühle Außenluft bewirken einen geringfügig
höheren Energiebedarf als bei Sole/Wasser- oder
Wasser/Wasser-Wärmepumpen. Der bivalente
Betrieb kann im Gebäudebestand eine interessante
und kostengünstige Alternative sein.
Sole-Wasser-Wärmepumpen
Die Wärmequelle Erdreich bietet im Jahresverlauf
nahezu konstante Temperaturen. Für die Wärmepumpen-Anlage ergeben sich hieraus eine hohe
Leistungszahl und ein geringer Energieverbrauch.
Die Nutzung der im Erdboden gespeicherten Wärme
erfolgt über Erdwärmekollektoren oder Erdwärmesonden. Dabei wird die Wärme von einem Hilfskreis
(Solekreis) aufgenommen, der seinerseits die
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Wasser/Wasser-Wärmepumpen
In der Regel wird Grundwasser als Wärmequelle für
Wasser/Wasser-Wärmepumpen genutzt. Grundwasser hat im Jahresverlauf eine konstante Temperatur,
die mit etwa 10 °C relativ hoch ist. Damit ergibt sich
eine hohe Leistungszahl. Bei der Kalkulation sollten
aber die höheren Erschließungskosten berücksichtigt werden, da für die Nutzung des Grundwassers
Schluck- und Förderbrunnen gebohrt werden müssen. Grundsätzlich besteht hierfür eine Genehmigungspflicht bei der unteren Wasserbehörde.
Im bivalenten Betrieb gibt es
neben der Wärmepumpe einen
zweiten Wärmeerzeuger, der bei
tieferen Außentemperaturen die
Beheizung des Gebäudes unterstützt. Die bivalente Betriebsart
wird v. a. bei der Sanierung von
bestehenden Gebäuden eingesetzt, da der vorhandene Heizkessel gut zur Ergänzung der Wärmepumpe genutzt werden kann. Die
Wärmepumpe wird für die Temperatur dimensioniert, bei der der
zweite Wärmeerzeuger zugeschaltet wird. Diese Temperatur wird
daher als Dimensionierungspunkt
oder Bivalenzpunkt bezeichnet.
Monoenergetische
Betriebsweise
Die monoenergetische Betriebsweise folgt dem gleichen Prinzip
wie die bivalente Betriebsweise.
Betriebsarten
Der zusätzliche Wärmeerzeuger
Um ein technisch und betriebswirtschaftlich optima- ist jedoch eine Elektroheizung,
les Ergebnis zu erreichen, kann die Wärmepumpe auf meist in Form eines kostengünstiverschiedene Arten betrieben werden. Leistungsbegen Elektroheizstabes im Pufferdarf und Wärmequelle (Erdreich, Wasser oder Luft)
speicher, bzw. bereits in der Wärsind entscheidend. Unterschieden werden die
mepumpe integriert.
„Monovalente Betriebsart“, die „Bivalente BetriebsNur an wenigen, sehr kalten
art“ und die „Monoenergetische Betriebsweise“.
Tagen unterstützt die elektrische
Zusatzheizung die Wärmepumpe.
Monovalente Betriebsart
Die Wärmepumpen-Regelung
In der Regel werden nur Sole/Wasser- und Wasser/
stellt sicher, dass die ZusatzheiWasser-Wärmepumpenanlagen monovalent betriezung nicht länger in Betrieb ist als
ben. Die Wärmepumpe wird so ausgelegt, dass auch unbedingt erforderlich. Der Anteil
bei niedrigsten Außentemperaturen genügend Leis- der Jahresheizarbeit der Wärmetung zur Verfügung steht. Die monovalente Wärmepumpe ist ebenso wie bei bivapumpe deckt den Wärmebedarf des Gebäudes
lentem Betrieb äußerst hoch und
allein. Selbst bei tiefen Außentemperaturen liefern
liegt in der Regel bei > 95 %, d. h.
die Wärmequellen Erdreich und Wasser ausreichend weniger als 5 % der Heizenergie
Energie. Der Deckungsgrad beträgt 100 %.
werden mit dem Heizstab erzeugt.
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