Wärmepumpen

Wärmepumpen können heizen oder kühlen. Sie „pumpen“ Wärme von einem niedrigen Temperaturniveau auf ein höheres und umgekehrt. Der Wärmepumpen-Prozess im Inneren der Maschine ist quasi die Umkehrung eines Wärme-Kraft-Prozesses (z.B. Kühlschrank). Die von der Wärmepumpe gewonnene Nutzwärme steht für Heizzwecke zur Verfügung und zwar i.d.R. im Niedertemperaturbereich.

• die indirekt gespeicherte Sonnenenergie, die in der Luft vorhanden ist,

• die Wärmeenergie von Wasser,

• die im Erdreich vorhandene Wärmeenergie,

• Abwärme aus Prozessen

• oder gar die direkte Sonnenstrahlung.

Wärmepumpenkreislauf

Die Wärmepumpe wird zur Umwandlung von Umweltwärme in Heizungswärme mit elektrischem Strom angetrieben. Fußboden- und Wandheizungen, also Niedertemperatur-heizungen, sind optimal für den Wärmepumpenbetrieb. Das ist so, weil Wärmepumpen umso effektiver arbeiten, je geringer das Verhältnis von Außentemperatur zu der Systemtemperatur ist. Von 100% Heizenergie können 75% aus der Umwelt stammen. Mit dem Zuschalten von thermischen Solaranlagen lässt sich der Anlagenwirkungsgrad noch steigern. Das Bild zeigt, wie eine Wärmepumpe funktioniert.

• die Kompressionswärmepumpe und

• die Absorptions- bzw. Adsorptionswärmepumpe (Gaswärmepumpe).

Häufiger gibt es die Kompressionswärmepumpe, welche die Verdampfungswärme des Kältemittels nutzt. Der Antrieb des Kompressors erfolgt üblicherweise durch Elektroenergie.

• Verdampfer,

• Kompressor (Verdichter),

• Kondensator (Verflüssiger)

• und ein Expansionsventil (Druckminderer).

Auch die Absorptionswärmepumpe arbeitet ebenfalls nach einem geschlossenen thermodynamischen Kreislauf, aber die Übertragung der Wärme erfolgt durch einen physikalisch-chemischen Prozess in einem Lösungsmittelkreislauf, und die Energie wird durch eine Wärmequelle eingebracht.

Die Tabelle beschreibt die Funktion des Kreislaufes in der Absorptionswärmepumpe.

Die Jahresarbeitszahl (JAZ) dient dem Effizienzvergleich. Vereinfacht ausgedrückt ist die JAZ der Quotient aus erzeugter Heizwärme und dem dafür benötigten Strom, bezogen jeweils auf ein volles Jahr.

JAZ = Heizwärme (kWh/a) / Strom (kWh/a)

Eigentlich erfolgt durch die Hersteller eine Angabe, die sich „individuelle Effizienz“ nennt. Das ist eine Leistungszahl, die experimentell auf dem Prüfstand ermittelt wird und daher nicht den Praxisbetrieb abbildet.

Fallbeispiel:

Eine Wärmepumpe produziert 10 kWh Wärme mit 2,5 kWh Strom und 7,5 kWh Umweltwärme. Teilt man die Wärmemenge (10 kWh) durch den aufgewendeten Strom (2,5 kWh), erhält man eine Jahresarbeitszahl von 4. Die Heizung nutzt einen Teil Strom und drei Teile Umweltwärme, zusammen also vier Teile an gesamter Heizwärme.

• Mit Hilfe von Berechnung. Diese ist wichtig bei der Fördermittelbeantragung, denn da kann man noch nichts in der Praxis messen. Die Berechnungsvorschrift findet man in der VDI-Richtlinie 4650: „Berechnungen von Wärmepumpen“. Die Grundlage sind die COP-Werte. Mit zu wählenden Korrekturfaktoren erfolgt die Anpassung an die zu erwartende Praxis. Auch dient die Berechnung zum Nachweis, dass man die Vorgaben des Erneuerbare-Energien-Wärmegesetzes (EEWärmeG) einhält.

• Mit Hilfe von Messung im realen Betrieb. Dafür müssen ein gesonderter Stromzähler und ein Wärmemengenmessgerät vorhanden sein.

Beide Werte weichen voneinander ab um den „Unterschied zwischen Theorie und Praxis“.

Nun wollen wir noch kurz den Unterschied zwischen Erd- und Luft-Wärmepumpe betrachten.

Beim geothermischen Verfahren wird entsprechend des Bedarfs eine Sonde (ggf. auch mehrere) 50-100 Meter tief in den Boden eingebracht. Eine Wärmeträgerflüssigkeit transportiert die dort unten vorgefundene Erdwärme zur Wärmepumpe. Wegen der konstanten Erdtemperatur ist die Effizienz ganzjährig nahezu gleich.

Man unterscheidet bei den Erdwärmepumpen in Abhängigkeit vom Heizmedium (Träger), an das die Wärme des Erdreiches (= Sole) abgegeben wird

• Sole/Wasser-Wärmepumpen und

• Sole/Luft-Wärmepumpen.

Bei einer Luft-Wärmepumpe wird über ein leises Gebläse Außenluft angesaugt. Ein Wärmeübertrager entzieht der Luft die Wärmeenergie. In der Wärmepumpe erfolgt die Umwandlung in Nutzenergie. Diese Methode ist (materiell) wenig aufwendig und daher gut für die Umstellung von bereits vorhandenen Heizungssystemen auf Wärmepumpenbetrieb geeignet.

Abhängig von dem Heizmedium (Träger), an das die Wärme aus der Umgebungsluft abgegeben wird, unterscheidet man:

• Luft/Wasser-Wärmepumpen

• Luft/Luft-Wärmepumpen