Wärmepumpen

Wärmepumpen sind technische Heizeinrichtungen, die die Wärmeenergie aus der Umwelt nutzen, um Heizwärme zu erzeugen. Die der Umwelt entnommene Energie wird in der Regel durch Kompression auf ein höheres Temperaturniveau gebracht, das zur Beheizung genutzt werden kann. Wärmepumpen arbeiten dabei sehr effizient und können deshalb ein Vielfaches der für die Kompression aufgewendeten Energie als Nutzwärme (Vorlauftemperatur) abgeben. Als natürliche Wärmquelle nutzen sie im Regelfall die in der Umwelt kostenlos verfügbare Wärmeenergie aus Erdreich, Wasser oder Luft. Auch Prozessenergie aus Abluft oder sogar Abwasser sind möglich, ebenso die gespeicherte Energie aus Eisspeichern.

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Funktionsweise

Wärmepumpen heizen thermodynamisch, d.h. vollkommen ohne Verbrennung oder Flamme. Dabei ist das physikalische Funktionsprinzip identisch mit dem eines herkömmlichen Kühlschrankes – der Unterschied besteht im Wesentlichen nur im Heizen respektive Kühlen.

Bei der Wärmepumpe nimmt ein zirkulierendes Kältemittel mit Hilfe eines Kreisprozesses (Carnot-Prozess) Wärme aus der Umgebung auf und gibt es an das zu erwärmende Wasser ab. Dabei läuft der Vorgang wie folgt ab: Das flüssige Kältemittel wird zuerst zum Wärmetauscher, dem sogenannten Verdampfer, geführt. Dort nimmt es die Wärme der Umgebung auf, ändert dabei seinen Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig und verdampft. Das nun gasförmige Kältemittel wird von dem Verdichter angesaugt und zusammengepresst. Dabei erhöht sich der Druck und die Temperatur steigt. Ein zweiter Wärmetauscher, der als Verflüssiger funktioniert, sorgt dafür, dass diese Wärme in das Heizsystem gelangt. Durch den Vorgang der Wärmeabgabe kondensiert das Kältemittel gleichzeitig und ändert folglich erneut seinen Aggregatzustand – es wird wieder flüssig. Anschließend wird der Druck im Expansionsventil abgebaut und der Kreislauf kann erneut beginnen (siehe Abb. 1)

Betrieben werden Wärmepumpen mit Strom, der idealerweise aus erneuerbaren Energiequellen (Photovoltaik) stammen sollte.

Neben diesem heute verbreitetsten Wärmepumpentyp, der Kompressionswärmepumpe, gibt es außerdem Absorptions- sowie Adsorptionswärmepumpen. Die Wärmeübertragung beruht hier jedoch auf einem physikalisch-chemischen Prozess in einem Lösungsmittelkreislauf, wobei die notwendige Energiezufuhr durch eine fossile Wärmequelle (meist Gas) erfolgt. Beide Wärmepumpenarten basieren auf dem Prinzip der Sorption, bei der das Sorptionsmittel das gasförmige Kältemittel aufsaugt, ohne dass eine Antriebsenergie nötig ist. Dabei entsteht Wärme, die dann für das Heizungssystem genutzt werden kann.

Arten

Abhängig von der Quelle (Erdreich = Sole, Grundwasser = Wasser, Umgebungsluft = Luft) aus der die notwendige Wärme entnommen wird und dem Heizmedium (Träger) an das sie abgegeben wird, unterscheidet man folgende Arten von Wärmepumpen:

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

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Erdreich
kommt wegen der mitunter umfangreichen Erdarbeiten meist nur bei Neubauten infrage. Erdkollektoren benötigen ausreichend Platz (120 - 400 m²) und müssen zumindest unterhalb der Frostgrenze verlegt werden. Erdsonden, die senkrecht oder schräg in das Erdreich eingebracht werden (Tiefenbohrungen bis 100 m) kommen mit deutlich weniger Platz aus. Eine wichtige Rolle spielen Bodenbeschaffenheit und der Feuchtegehalt. Das Temperaturniveau ist in entsprechender Tiefe recht gleichmäßig. Durch die Leitungen fließt kein Kältemittel, sondern eine frostsichere Flüssigkeit, die Sole.

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Prozessabwärme
aus industriellen Anlagen, z.B. Kühlwasser von Kraftwerken, Abwärme von Kühl- und Klimaanlagen, Abluft aus Wohnungen, Hallenbädern, Ställen und dergleichen hat den Vorteil eines meist relativ hohen Temperaturniveaus. Somit muss nur noch wenig Energie aufgewendet werden, um die Wärmeenergie auf ein für die Heizung nutzbares Niveau zu bringen.

Eisspeicher
bieten die Möglichkeit, Wärmeenergie längerfristig zu speichern. In Kombination mit einer reversiblen Wärmepumpe funktioniert ein Eisspeicher besonders effektiv, denn er speichert die jeweilige Abwärmeenergie (Wärme oder Kälte) im Sommer bzw. Winter, die dann ein halbes Jahr später für die Kühlung bzw. Heizung genutzt werden kann.

Betriebsweise

Bei Wärmepumpen wird darüber hinaus zwischen der monovalenten und der bivalenten Betriebsweise unterschieden. Bei der monovalenten übernimmt die Wärmepumpe ganzjährig und bei jeder Außentemperatur den vollen Wärmebedarf (für Heizung und Warmwasser). Bei der bivalenten Betriebsweise wiederum wird der anfallende Wärmebedarf nur bis zu einer bestimmten Außentemperatur gedeckt. Die Spitzenlasten übernimmt dann ein anderer Wärmeerzeuger, etwa ein Gas-Brennwertkessel oder ein Brennstoffzellengerät. Die bivalente Auslegung eines Heizsystems kann wirtschaftlich Vorteile bieten, da die Wärmepumpenleistung gegenüber einer monovalenten Auslegung kleiner ausfallen kann, wodurch sich die Gesamtkosten mitunter verringern lassen.

Vorteile

Wärmepumpen nutzen zu einem großen Teil kostenlose Umweltwärme und reduzieren somit die Betriebskosten. Sie können zusätzlich mit einer solarthermischen Anlage zur Erhöhung der Quellentemperatur kombiniert und/oder mit einer Photovoltaikanlage zur Stromerzeugung kombiniert werden. Wärmepumpen tragen zur Unabhängigkeit von fossilen Energieträgern bei und sich ein wichtiger Baustein beim Klimaschutz, da sie keine direkten CO₂-Emissionen verursachen.

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