Luft/Wasser-Wärmepumpen

Als regenerative Energiequelle für die Wärmeerzeugung nutzen Luft/Wasser-Wärmepumpen die Umgebungsluft der Außenluft oder des Innenraums. Der Luft wird Wärmeenergie entzogen, die unter Einsatz von Antriebsenergie in Form von Strom oder Gas auf ein für Heizung und Warmwasser erforderliches Tem­pe­ra­tur­ni­veau angehoben wird. Da für diese Wärmepumpenart keine Erdarbeiten notwendig sind, sind die Anschaffungskosten geringer als bei Wasser- oder Sole-Wärmepumpen. Wärmepumpen stellen einen effizienten und energiesparenden Weg zur Erzeugung von Wärmeenergie für Heizung und Warmwasser dar und leisten deshalb einen wichtigen Beitrag zum Erreichen der Klimaschutzziele der Bundesregierung.

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Überblick und Arten

Die meisten Luft/Wasser-Wärmepumpen werden für den Heizungsbetreib und zugleich zur Warmwasserbereitung genutzt. Das Warmwasser wird dabei üblicherweise in einem Puffer zwischengespeichert, damit eine zeitlich von der Erzeugung unabhängige Entnahme möglich ist. Eine Luft/Wasser-Wärmepumpenanlage ist in dem meisten Fällen in Splitbauweise aufgebaut. Dabei wird die Wärmequellenanalge im Außenbereich aufgestellt und die eigentliche Wärmepumpe mit Verdampfer-Einheit und Kondensator-, also Verflüssiger-Einheit, im Gebäude, vornehmlich im Keller. Von hier aus erfolgt die Verteilung der Heizwärme im Gebäude. Einige Spezialmodelle sind nur innen aufgestellt, etwa wenn die Umgebungsluft im Keller als Energiequelle ausschließlich zur Warmwasserbereitung durch eine Wärmepumpe genutzt wird. Viele Hersteller von Wärmepumpenanlagen bieten Kompaktgeräte für Heizung und Warmwasser oder sogar zusätzlich zur Lüftung an, wodurch der Installationsaufwand enorm vereinfacht wird.

Einige der Wärmepumpensysteme funktionieren im bivalenten Betrieb mit anderen (fossilen) Wärmeerzeugern. Das kann wirtschaftliche Vorteile bringen, da die Wärmepumpe gegenüber einer monovalenten (ausschließlichen) Nutzung regenerativer Quellen kleiner ausgelegt werden und Spitzenlasten dann von dem zusätzlichen Wärmeerzeuger wie etwa Erdgas oder Biogas übernommen werden.

Funktionsweise

Luft/Wasser-Wärmepumpen sind heute, wie fast alle Wärmepumpentypen, Kompressionswärmepumpen. Sie bestehen im Grunde aus drei Teilen:

  • Wärmequellanlage, die der Umgebung die benötigte Wärmeenergie entzieht
  • Eigentliche Wärmepumpe, die die gewonnene Wärmeenergie nutzbar macht
  • Verteilungs- und Speichersystem, mit dem die nutzbare Wärmeenergie im Haus verteilt oder zwischengespeichert wird
Technisch betrachtet geschieht die Umwandlung der Umweltenergie in Heizenergie in verschiedenen Schritten, die einen Kreislauf ergeben. Dabei wird vor allem der Effekt der Verdampfungswärme genutzt:
  • Gewinnung: Durch einen Ventilator in der Wärmequellenanlage, die üblicherweise außen aufgestellt ist, wird die Umgebungsluft über einen Wärmetauscher an einen Sole-Kreislauf übergeben, der die gewonnene Wärmeenergie zur Wärmepumpe im Innenraum transportiert. Die leicht abgekühlte Luft wird indessen wieder nach außen zurückgeführt.
  • Verdampfer: Die eigentliche Wärmepumpe besitzt einen weiteren Wärmetauscher, mit dem diese Wärmeenergie an den Wärmepumpen-Kreislauf übergeben wird. Die Wärmeenergie genügt, um ein Kältemittel in dem geschlossenen Kreislauf zum Verdampfen zu bringen. FCKW-freies Fluid besitzt einen sehr tiefen Siedepunkt, weswegen Luft/Wasser-Wärmepumpen heute auch weit unter dem Gefrierpunkt betrieben werden können.
  • Verdichtung/Kompression: Das verdampfte Kältemittel wird durch Verdichtung in einem meist elektrisch betriebenen Kompressor auf einen hohen Druck gebracht, wodurch gleichzeitig das Temperaturniveau steigt.
  • Verflüssiger/Kondensator: Die Heizenergie im dampfförmigen und verdichteten Medium wird wiederum durch einen Wärmetauscher an das Heizmedium des Heizkreises übergeben. Dabei kühlt das Medium (Arbeitsmittel/Kältemittel) ab und verflüssigt sich.
  • Im Expansions-, Drossel- oder Entspannungsventil wird auch der Druck abgebaut, sodass das Medium im Ursprungszustand wieder in den Verdampfer geleitet werden und der Wärmepumpen-Kreislauf von vorne beginnen kann. Elektronisch gesteuerte Ventile können dabei die Effizienz einer Wärmepumpe noch einmal steigern.
Die Übergabe der Heizenergie an den Raum erfolgt idealerweise mittels Flächenheizungen, da diese geringere Vorlauftemperaturen benötigen. Aber der Betrieb mit Radiatoren/Heizkörpern ist unter bestimmten Voraussetzungen ebenfalls möglich, was vor allem für die Heizungssanierung in Bestandsbauten interessant ist. Moderne Wärmepumpen können zudem meist reversibel betrieben werden. Man kann mit ihnen also nicht nur heizen, sondern im Sommer auch kühlen. Dadurch kann die Anschaffung einer teuren Klimaanlage gespart werden. Man unterscheide zwischen passiver Kühlung (Natural Cooling) und aktiver Kühlung. Luft/Wasser-Wärmepumpen eignen sich primär zur aktiven Kühlung. Dabei wird durch eine Umkehrung des Systems dem Innenraum die Wärmeenergie entzogen. Je nach Wärmepumpe kann diese Wärmeenergie für die Warmwasserbereitung genutzt werden.

Da Luft/Wasser-Wärmepumpen wie alle Wärmepumpen üblicherweise mit Strom betrieben werden, ist auch die Kombination mit einer Photovoltaikanlage möglich. Dadurch lässt sich ein nahezu autarkes Heizsystem erzeugen. Auch durch das Einbinden einer thermischen Solaranlage lässt sich die Effizienz steigern. Wärmepumpen arbeiten umso effektiver, je geringer der erzeugte Temperaturhub (Verhältnis Außentemperatur/Systemtemperatur innen) ist.

Effizienz und Wirkungsgrad

Als Faustregel für die Effizienz von Luft/Wasser-Wärmepumpen gilt, dass je nach System ein Fünftel bis ein Drittel der produzierten Wärmeenergie durch elektrische Energie hinzugefügt werden muss. Als Angabe des Wirkungsgrads von Wärmepumpensystemen haben sich zwei Kennzahlen durchgesetzt: Der Coefficient of Performance (COP), genannt auch Leistungszahl, und die Jahresarbeitszahl (JAZ).

  • Coefficient of Performance (COP): beschreibt die Qualität der internen Prozesse in der Wärmepumpe selbst. Für jedes Wertepaar aus Temperatur der Wärmequelle und gewünschter bzw. eingestellter Vorlauftemperatur ergibt sich eine Verhältniszahl für Stromaufwand und Wärmegewinn (z.B. A7/W35).
  • Jahresarbeitszahl (JAZ): beschreibt ebenfalls das Verhältnis von Stromaufwand und Wärmeertrag, bezieht sich jedoch auf den Mittelwert des Wirkungsgrads der Wärmepumpe über ein Betriebsjahr.
Vor- und Nachteile
Das Heizen mit Luft/Wasser-Wärmepumpen ist in Neu- und Altbauten auf geringer Aufstellfläche möglich. Bei der Außenaufstellung von Splitgeräten ist auf Lärmschutz gegen das Ventilatorgeräusch zu achten. Die meisten Hersteller bieten mittlerweile allerdings Modelle an, deren Geräuschpegel sich im Nachtbetrieb mit entsprechenden schallschluckenden Maßnahmen im kaum hörbaren Bereich von 40 dB(A) und darunter bewegt. Wichtig beim Platzieren der Außeneinheiten ist auch der Abstand zu benachbarten Gebäuden.

Die Wärmepumpentechnologie wurde in den letzten Jahren immer weiter verbessert, sodass Luft/Wasser-Wärmepumpen mittlerweile (je nach Modell) bis zu einer Umwelttemperatur von -28 °C betrieben werden können. Generell gilt, dass die Effizienz von Luft/Wasser-Wärmepumpen mit fallenden Außentemperaturen sinkt, weswegen der Betrieb einer Luft/Wasser-Wärmepumpe ab bestimmten Außentemperaturen nicht mehr wirtschaftlich sein kann. Abhilfe an besonders kalten Tagen kann der Einsatz eines integrierten Heizstabs sein. Auch der bivalente Betrieb in Kombination mit einem zusätzlichen Wärmeerzeuger kann sinnvoll sein, ebenso die Integration eines Pufferspeichers ins System. Welches Komplettsystem für den jeweiligen Fall sinnvoll ist, sollte mit den entsprechenden Fachleuten besprochen und geplant werden.

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