Wärmepumpen

Wärmepumpen sind Maschinen, die aus elektrischer Umweltwärme und Strom Wärme erzeugen. Die gewonnene Wärme wird für die Raumheizung und die Warmwasserbereitung in Gebäuden genutzt. Hierzu wird die Wärmeenergie aus der Umwelt aufgenommen und durch Kompression auf ein höheres Temperaturniveau gehoben – ähnlich wie bei einem Kühlschrank, nur umgekehrt. Als Umweltwärmequelle können die Außenluft, das Erdreich, das Grundwasser oder andere Wärmequellen wie Prozessabwärme aus Abwasser und Abluft genutzt werden. Auch Wärmeenergie aus Wärme- und Eisspeichern kann für den Betrieb einer Wärmepumpe genutzt werden. Aus einer investierten Kilowattstunde Strom kann eine Wärmepumpe bis zu 5 Kilowattstunden Wärme produzieren, was sie sehr effizient und nachhaltig macht.

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Gegenüber der Wärmeerzeugung mit fossilen Energieträgern, wie Öl oder Gas, bietet die Wärmepumpe entscheidende Vorteile, denn selbst bei moderner Brennwerttechnologie beträgt der Wirkungsgrad fossiler Energieträger maximal rund 95 Prozent; zusätzlich entstehen umwelt- und klimaschädliche Emissionen. Wärmepumpen hingegen nutzen die kostenfrei und nahezu unbegrenzt zur Verfügung stehende Umweltenergie aus der Luft oder dem Erdreich, die dann durch den Einsatz von elektrischem Strom nutzbar gemacht wird. So ist es möglich, Wirkungsgrade bis zum Fünffachen der eingesetzten Energie zu erreichen – und das ohne Emissionen. Stammt der Strom zusätzlich aus regenerativen Energien, etwa Photovoltaik, ergibt sich ein nahezu gänzliches umwelt- und klimaneutrales System zur Wärmeproduktion, das zugleich die Unabhängigkeit von fossiler Energie fördert.

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Effizienz und Wirkungsgrad

Entscheidend für die Effizienz einer Wärmepumpe ist ihr Wirkungsgrad. Er wird in der Regel durch die Jahresarbeitszahl (JAZ) angegeben. Eine weitere Kennzahl ist der Coefficient of Performance (COP). Beide, JAZ und COP, hängen vom gewählten Wärmepumpen-System sowie den gewünschten Vorlauftemperaturen ab:

• Die Jahresarbeitszahl (JAZ) beschreibt das Verhältnis von Stromaufwand und Wärmeertrag, bezogen auf den Mittelwert über ein Betriebsjahr. Berücksichtigt sind dabei die sich verändernden und reellen Betriebsbedingungen. Die JAZ gibt also an, welcher Wirkungsgrad in einem individuellen Heizsystem erreicht wird. Sie wird mithilfe des genormten Verfahrens VDI 4650: Berechnung der Jahresarbeitszahl von Wärmepumpenanlagen bestimmt.
• Der Coefficient of Performance (COP) beschreibt die internen Prozesse in der Wärmepumpe selbst. Für jedes Wertepaar aus Temperatur der Wärmequelle und der gewünschten bzw. eingestellten Vorlauftemperatur ergibt sich eine Verhältniszahl für Stromaufwand und Wärmegewinn (z.B. A7/W35). Die Ermittlung dieses Werts findet gemäß DIN EN 14511: Luftkonditionierer, Flüssigkeitskühlsätze und Wärmepumpen für die Raumbeheizung und -kühlung und Prozess-Kühler mit elektrisch angetriebenen Verdichtern messtechnisch statt.

Wärmequellen für Wärmepumpen

Man unterscheidet die Arten der Wärmepumpen anhand der Quelle, aus der sie die Umweltenergie nehmen:

Außenluft
Der Einsatz einer Luft-Wärmepumpe (in der Regel Luft/Wasser-Wärmpumpen) hat den Vorteil, dass keine Brunnen- oder Kollektoranlage im Erdreich eingerichtet werden muss. Bei kälteren Außentemperaturen jedoch führt das zu einer niedrigeren Effizienz. Moderne Wärmepumpen können Wärme zur Raumheizung bis zu Außenlufttemperaturen von bis deutlich unter 0 °C erzeugen.

Erdsonden
Die Nutzung der Umweltwärme aus dem Erdreich ist besonders effizient. Sie kann auf zwei Arten nutzbar gemacht werden: über Kollektoren und über Erdsonden. Bei einer Sondenanlage werden die Erdsonden senkrecht oder schräg ins Erdreich eingebracht, mit einer Tiefenbohrung von bis zu 100 Metern. Erdsonden sind zwar mit höheren Investitionskosten verbunden, stellen jedoch standortabhängig eine zuverlässigere Wärmequelle dar, die gute Jahresarbeitszahlen liefert.

Erdkollektoren
Erdkollektoren werden in frostfreier Tiefe in das Erdreich eingebracht und holen von dort die in der Regel konstante Wärmeenergie. Sie benötigen ausreichend Platz in der Fläche, was sich deshalb meist nur bei Neubauten realisieren lässt. Dennoch sind Erdkollektoren kostengünstiger als Erdsonden.

Grundwasser
Die zuverlässigste Wärmequelle im Erdreich ist das Grundwasser, das nahezu ganzjährig eine konstante Wärmequellentemperatur von ca. 12 °C liefert. Die hierfür notwendige Brunnenanlage ist nicht an allen Standorten möglich und in den meisten Fällen genehmigungspflichtig. Eine Einzelfallprüfung ist erforderlich. Man benötigt mindestens zwei Erdbohrungen bis ins Grundwasserniveau: zur Entnahme sowie zur Rückführung des Grundwassers. Beide müssen in Grundwasserfließrichtung angelegt sein.

Andere Wärmequellen und Speicher
Prinzipiell ist jede Form der Wärmequelle für den Betrieb einer Wärmepumpe geeignet. So fällt etwa in Industrieanlagen oftmals Wärme als Abfallprodukt an, die für (Groß-)Wärmepumpen geeignet ist. Auf Kühl- und Klimaanlagen erzeugen nutzbare Wärme. Selbst die Abluft aus Wohnungen genügt, um Wärmepumpen zu speisen. Wärmeenergie steht auch in Speichern zur Verfügung, etwa in Eisspeichern, die im Winter zur Beheizung und im Sommer zur Kühlung genutzt werden können.

Arten von Wärmepumpen

Ausgehend von diesen Arten von Wärmequellen für Wärmepumpen unterscheidet man in folgende Arten von Wärmepumpen:

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

Alle Wärmepumpenarten können im Sommer in der Regel und je nach Ausstattung der Geräte auch zur Raumkühlung genutzt werden.

Warmwasserbereitung mit der Wärmepumpe

Bei der Warmwasserbereitung mit Wärmepumpen ist besondere Sorgfalt geboten, da Warmwasser Trinkwasser und somit ein Lebensmittel ist. Für moderne Wärmepumpen ist dies in der Regel kein Problem, die nötigen Temperaturen von 60 bis 65 Grad zu erreichen, um das Warmwasser auf die benötigte Temperatur zu bringen, um etwa der Legionellenbildung vorzubeugen. Bei Häusern mit mehreren Wohneinheiten oder Bürogebäuden werden die Wärmeproduktion und die Warmwasserproduktion deshalb oftmals über zwei Systeme realisiert. Über ein erstes Wärmepumpen-System wird dabei zunächst die Wärme zur Raumheizung produziert (meist rund 40 Grad), ein zweites System hebt schließlich einen Teil dieser Wärme auf das Niveau, das für die Warmwasserproduktion nötig ist. Dieses zweite System ist entweder eine weitere Wärmepumpe oder ein Elektrokessel bzw. ein Durchlauferhitzer.

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