Wärmepumpen: Prinzipielle Funktionsweise

‍

Die Grundidee hinter einer Wärmepumpe ist simpel wie genial. Stellen Sie sich das Prinzip wie die Technik eines Kühlschranks vor, nur in umgekehrter Richtung. Der Kühlschrank arbeitet so, dass er Wärme aus dem Inneren nach Außen abführt, zieht die Wärmepumpe Wärme aus ihrer Umwelt, also aus Umgebungsluft, Erdreich oder Grundwasser um sie zum Heizen zu nutzen. Grundlegend lässt sich der Wärmepumpenprozess in vier Schritte unterteilen:

‍

• Verdampfen
• Verdichten
• Verflüssigen
• Expansion

‍

Wie Effizient eine Wärmepumpe arbeitet hängt vor allem von der Temperatur der Wärmequelle sowie der gewünschten Heiztemperatur ab. Je größer die Differenz zwischen den beiden Wetzen, desto mehr Energie muss für die Verdichtung aufgebracht werden.

‍

Die meisten Wärmepumpen basieren auf der Kompressionswärmepumpe. Ein, mit elektrischem Strom betriebener Kältemittelverdichter spielt hier eine zentrale Rolle. In einem Verdampfer erfolgt die Verdampfung, ein Prozess in dem die Umweltwärme auf das flüssige Kältemittel übergeht. Dieses wechselt seinen Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig und kann durch den Verdichter komprimiert werden, was zu einem Temperaturanstieg führt, bevor die Wärme an das Heizsystem abgegeben wird.

‍

Wärmepumpen Typen im Überblick

‍

Je nach Wärmequelle wird zunächst zwischen drei verschiedenen Wärmepumpen Typen unterschieden:

• Luft-Wasser-Wärmepumpe
• Sole-Wasser-Wärmepumpe
• Wasser-Wasser-Wärmepumpe

‍

Luft-Wasser-Wärmepumpe

Luft-Wasser-Wärmepumpen ziehen Wärme aus unserer Umgebungsluft und leiten sie an einen das Heizsystem weiter. Je nach Anwendungsbereich und Konstruktion, lassen sich Luft-Wasser-Wärmepumpen in verschiedene Unterkategorien unterteilen:

‍

1. Niedertemperatur Luft-Wasser-Wärmepumpe: Darauf ausgelegt mit geringen Vorlauftemperaturen zu arbeiten, was sie ideal für die Kombination mit Fußbodenheizungen macht.

2. Hochtemperatur Luft-Wasser-Wärmepumpe:  Anders als die Niedertemperatur Variante, können Wärmepumpen dieser Art höhere Vorlauftemperaturen erreichen, was sie perfekt für klassische Heizkörper-Systeme macht, die höhere Temperaturen benötigen.

3. Luft-Luft-Wärmepumpe: Sie eignen sich dafür einzelne Räume zu beheizen, da sie der Umgebungsluft Wärme entziehen und diese direkt an die Raumluft im Inneren abgeben.

4. Monoblock Luft-Wasser-Wärmepumpe: Bei dieser Variante sind alle relevanten Komponenten in einem Gerät integriert, welches außerhalb des Gebäudes installiert wird.

5. Splitanlagen Luft-Wasser-Wärmepumpe: Außeneinheiten und Inneneinheiten sind hier getrennt von einander. Das Kältemittel zirkuliert im äußeren Teil, was zu geringerer Geräuschbelastung im Inneren führt.

‍

Wasser-Wasser-Wärmepumpe

Bei Wasser-Wasser-Wärmepupen wird das Grundwasser als Wärmequelle verwendet. Dieses hat das ganze Jahr über eine konstante Temperatur von über 10 °C. So kann ein zuverlässiger und effizienter Betrieb gewährleistet werden. Diese Wärmepumpe Variante arbeitet mit zwei verschiedenen Brunnen Arten. Der Saugbrunnen entzieht die Wärmequelle, also das Grundwasser. Der Schluckbrunnen das Wasser zurück in die Erde leitet.

‍

Wie Effizient eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe ist hängt von verschiedenen Aspekten an. Je nach Zusammensetzung des Wassers und der Menge unterscheidet sich die Wirksamkeit. Damit die Wärmepumpe wirtschaftlich arbeiten kann und alle Genehmigungen die aufgrund des Wasserschutzes erforderlich sind, eingeholt werden können, ist eine umfangreiche Planung zusammen mit einem Experten notwendig.

‍

Sole-Wasser-Wärmepumpe

‍

Auch im Boden befindet sich eine nahezu unerschöpfliche Menge an Energie. Ein Teil dieser Energie kann mit einer Sole-Wasser-Wärmepumpe für die Heizung und Warmwasserbereitung genutzt werden. Üblicherweise wird eine von zwei Methoden verwendet um Wärme zu gewinnen:

‍

1. In geringer Tiefe werden Erdkollektoren verlegt, die über ihre großen Flächen thermische Energie sammeln. Diese wird dann an die Wärmepumpe weitergeleitet.

2. Im Gegensatz dazu, werden Erdsonden vertikal oder schräg in einer Tiefe von 40 bis 100 Metern in die Erde eingebracht, daher benötigen sie auch weniger Platz als Erdkollektoren.

‍

Egal ob Erdkollektor oder Erdsonde, ein geschlossener Kreislauf ist wichtig. Hier zirkuliert ein Gemisch aus Salz, Sole und Wasser, das dafür da ist die Wärme aus dem Erdreich aufzunehmen. An diesen Kreislauf schließt sich ein weiterer an:  der Kältemittelkreislauf, der bei allen Wärmepumpen Arten zu finden ist.

‍

Verglichen mit Luft-Wasser-Wärmepumpen hat diese Variante in der Regel einen höheren Wirkungsgrad, unabhängig von der Methode der Wärmegewinnung. Sowohl Planungs- als auch Platzbedarf sind allerdings höher, ebenso wie die erforderlichen behördlichen Genehmigungen.

‍

Warmwasser Wärmepumpe

Neben den oben genannten Wärmepumpen Typen gibt es noch weitere Ausführungen. Eine davon, die Warmwasser Wärmepumpe.

Warmwasser-Wärmepumpen sind umgangssprachlich auch als Brauchwasser-Wärmepumpen bekannt und wurden explizit für die Erwärmung von Warmwasser entwickelt. Rund 75 % der benötigten Wärme werden aus der Umgebungsluft gezogen, der verbleibende, vergleichsweise geringe Energiebedarf wird dann mit Strom gedeckt.

‍

Warmwasser Wärmepumpen können Umluft oder Abluft als Wärmequelle nutzten. Im Betrieb mit Umluft dient sie nicht nur der Warmwasserbereitung sondern hilft auch dabei Räume zu entfeuchten, was wiederum das Risiko von Schimmelbildung reduziert. Im Abluftbetrieb nutzt die Warmwasser Wärmepumpe warme Abluft aus unterschiedlichen Räumen. Die obere Abdeckung der Wärmepumpe wird durch einen Abluftdeckel ersetzt und die Pumpe an das vorhandene Luftverteilsystem angeschlossen. Die Abluft die bei der Trinkwassererwärmung frei wird, wird nach draußen geleitet. Separate Zuluftelemente sorgen dafür, dass kein Unterdruck entsteht.

‍

Typischerweise haben Warmwasser-Wärmepumpen für Einfamilienhäuser eine Heizleistung von 1,5 bis 2,5 kW. Sie sind kompakt und leise im Betrieb. Das Fassungsvermögen des Warmwasserspeichers kann in der Regel der Produktbezeichnung entnommen werden und liegt häufig bei etwa 200 bis 300 Litern.

‍

Hybrid-Wärmepumpen

‍

Die Hybrid-Wärmepumpe beziehungsweise Hybrid-Wärmepumpentechnik besteht zum einen aus einer Wärmepumpe und zum anderen aus einem weiteren Wärmeerzeuger. Beide Komponenten sind dabei bestens aufeinander abgestimmt. Die Wärmepumpe kann sowohl als Kompaktgerät integriert werden oder als zwei separate Systeme aufgebaut sein. Die Rede ist hier von einem bivalenten Betrieb, in dem einer der beiden Wärmeerzeuger die gesamte Beheizung der Räume, bis zu einem Vordefinierten Punkt übernimmt. Es können aber auch beide Heizsysteme zur gleichen Zeit betrieben werden. Im Fachjargon wird hier vom sogenannten Bivalenzpunkt gesprochen. Dabei handelt es sich um die Temperaturgrenze der der auch der zweite Wärmeerzeuger aktiv wird. Bei modernen Hybrid-Wärmepumpen wird die effizienteste Betriebsweise meistens durch eine intelligente Regelung automatisch ausgewählt, wodurch dem Nutzer besonders kostengünstiges und umweltfreundliches Heizen ermöglicht wird.

‍

Prinzipiell lassen sich verschiedene Konfigurationsarten der Hybrid-Wärmepumpe unterscheiden:

‍

• Kombination Solarthermieanlage
• Kombination Festbrennstoffkessel
• Kombination Gasbrennwertkessel

‍

Hybrid-Wärmepumpen nutzen das ganze Jahr in erster Linie die Wärmepumpe zur Wärmeproduktion. Ist die Temperaturdifferenz zwischen Heizsystem und Wärmequelle gering arbeitet die Anlage besonders effizient. Sinken die Außentemperaturen z.B. im Winter stark wird das zweite Heizgerät zugeschalten. Auf diese Weise kann sowohl die Wärmeversorgung garantiert werden, als auch die Effizienz der Wärmepumpe aufrechterhalten werden. Die Anschaffungskosten einer Hybrid- Wärmepumpe liegen im Regelfall höher als die einzelner Heizsysteme, können aber durch staatliche Förderungen reduziert werden.

‍

Großwärmepumpe

‍

Großwärmepumpen werden für den Einsatz in großen Gebäudekomplexen oder sogar ganzen Siedlungen entwickelt, weshalb sie für Privatpersonen keine Bewandtnis haben. Für Großwärmepumpen kommen verschiedene Wärmequellen infrage:

• Verschiedene Abwärmequellen
• Das Erdreich
• Industrielle Prozesswärme
• Das Grundwasser
• Eis-Energiespeicher

‍

Großwärmepumpen sind dafür ausgelegt Heiz- und Kühlbedarf großvolumiger Gebäude zu decken und können so herkömmliche Heizmethoden ersetzten, wodurch sich Kosten und Umweltbelastung verringern.

‍

Wärmepumpen Arten: Das müssen Sie beachten

Je nach Wärmepumpe Art müssen verschiedene Voraussetzungen erfüllt werden, damit die Anlage nicht nur effizient arbeiten, sondern überhaupt zugelassen werden kann.

‍

Luft-Luft Wärmepumpe

Luft-Luft Wärmepumpen sind ideal für Privathäuser, deren Gebäudehülle luftdicht versiegelt ist. Damit di Anlage effizient arbeiten kann muss eine niedrige Heizlast je Quadratmeter gewährleistet sein. Aus diesen Gründen eignen sich Luft-Luft-Wärmepumpen eher für dein Einsatz in Neubauten. Bauliche Maßnahmen werden hier nur geringfügig benötigt. Wer sich für eine Außenaufstellung entscheidet sollte hierbei auf die Lärmbelastung achten.

‍

Sole-Wasser Wärmepumpen

Sole-Wasser Wärmepumpen nutzen Erdkollektoren oder Erdsonden, die unter der Erde angebracht werden und ausgesprochen platzsparend sind. Vor der Installation müssen allerdings Genehmigungen von den örtlichen Behörden eingeholt werden und eine meist eine oder mehrere Tiefenbohrungen durchgeführt werden.

‍

‍

Wasser-Wasser Wärmepumpe

Qualität und Menge des Grundwassers sind ausschlaggebende Faktoren für die Effizienz einer Wasser-Wasser Wärmepump. Auch die Bohrtiefe darf hier nicht außer Acht gelassen werden, ist diese zu Tief lohnt sich eine derartige Anlage in der Regel nicht. Zudem ist die Genehmigung der Unteren Wasserbehörde aufgrund des Wasserschutzes notwendig.

‍

Fazit

Wärmepumpen unterscheiden sich vor allem darin, woher sie ihre Energie beziehen. Luft-Luft Wärmepumpen nutzen die Umgebungswärme, während Sole-Wasser Wärmepumpen auf Wärme aus dem Erdreich setzten und Wasser-Wasser-Wärmepumpen auf Energie aus dem Grundwasser zurückgreifen. Je nach Modell müssen verschiedene Aspekte erfüllt werden, damit die Installation sowohl zulässig, als auch effektiv ist. Um die passende Wärmepumpen Art für Ihre Situation zu finden, sollten sie sich mit einem Experten auseinander setzten, der Ihre Umstände individuell bewerten kann.

‍