WÄRMEPUMPEN in der Übersicht

Vergleich von Wärmepumpen

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Wie arbeitet eine Wärmepumpe?

Das Grundprinzip der Wärmepumpe kann man anhand der Arbeitsweise eines Kühlschrankes erklären. Dort wird dem Kühlgut über den Verdampfer Wärme entzogen und über den Verflüssiger an der Rückseite des Gerätes in den Raum abgegeben. Bei der Wärmepumpe entzieht der Verdampfer die Wärme aus der Umwelt (Wasser, Erdreich, Außenluft) und führt sie über den Verflüssiger dem Heizsystem (Fußbodenheizung, Radiatoren) zu. Der Kreisprozess, siehe Abbildung, erfolgt nach einfachen physikalischen Gesetzmäßigkeiten. Das Arbeitsmittel, eine bei niedriger Temperatur siedende Flüssigkeit (im allgemeinen Sprachgebrauch auch als Kältemittel bezeichnet), wird in einen Kreislauf geführt und dabei nacheinander verdampft, verdichtet, verflüssigt und entspannt.

Der Kreisprozess im Einzelnen:

Im Verdampfer befindet sich das flüssige Arbeitsmittel bei niedrigem Druck. Die Umgebungstemperatur des Verdampfers ist höher als die dem Druck entsprechende Siedetemperatur des Arbeitsmittels. Diese Temperaturdifferenz bewirkt eine Wärmeübertragung von der Umgebung auf das Arbeitsmittel, wobei das Arbeitsmittel siedet und verdampft. Die dazu erforderliche Wärme wird der Wärmequelle (Wasser, Erdreich, Außenluft) entzogen.

Das nun dampfförmige Arbeitsmittel wird ständig vom Verdichter aus dem Verdampfer abgesaugt und verdichtet. Bei der Verdichtung steigt der Druck des Dampfes und dessen Temperatur.

Vom Verdichter gelangt das Arbeitsmittel in den Verflüssiger, das vom Heizwasser umspült wird. Die Temperatur dieses Wasserstromes ist niedriger als die Verflüssigungstemperatur des Arbeitsmittels, so dass der Dampf gekühlt und dabei wieder verflüssigt wird. Die im Verdampfer aufgenommene Energie (Wärme), zuzüglich der durch des Verdichten zugeführte Energie (Strom), wird im Verflüssiger freigesetzt und an das kältere Heizwasser abgegeben.

Nach dem Verflüssigen wird das Arbeitsmittel über ein Expansionsorgan in den Verdampfer zurückgeführt. Das Arbeitsmittel wird von dem hohen Druck des Verflüssigers auf den niedrigen Druck des Verdampfers entspannt (expandiert). Beim Eintritt in den Verdampfer sind der Anfangsdruck und die Anfangstemperatur wieder erreicht. Der Kreislauf ist geschlossen und beginnt von neuem.

Quelle: Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg "Energie sparen durch Wärmepumpenanlagen"

Oberflächennahe Geothermie

Allgemeines

Zur Beheizung eines Hauses genügen deutlich geringere Temperaturen, die mit Hilfe der oberflächennahen Geothermie (bis 400 m Tiefe) bereitgestellt werden können. Die hier erschlossene Energie stammt nicht nur aus dem Wärmestrom, der seinen Ausgangspunkt im Erdinnern hat, sondern auch aus solarer Einstrahlung (direkte Sonneneinstrahlung, Regen usw.). Das Temperaturniveau beträgt dabei in Abhängigkeit von Tiefe und Jahreszeit 0…12 °C. Daher ist die Erhöhung der Temperatur durch ein Aggregat (Wärmepumpe) notwendig. Die erdgekoppelte Wärmepumpe arbeitet im Prinzip wie ein Kühlschrank,
Was im Winter als „warm“ empfunden wird, gilt im Sommer als „kalt“. Erdwärmeanlagen lassen sich somit nicht nur zum Heizen, sondern auch zum Kühlen einsetzen.

Für die Planung, Ausführung und den Betrieb von Anlagen zur Nutzung der oberflächennahen Geothermie ist die VDI-Richtlinie 4640 verbindlich.

Erdwärmenutzung mit Grundwasser (Wasser-Wasser Wärmepumpe)

Auch die im Grundwasser enthaltene thermische Energie ist eine Form der Erdwärme. Grundwasser wird aus einer grundwasserführenden Schicht (Grundwasserleiter) mittels Förderbrunnen gewonnen und dem Wärmeübertrager der Wärmepumpe direkt zugeführt, bevor es um einige Grad abgekühlt in den Schluckbrunnen abgegeben wird. Vor der Installation einer solchen Anlage ist eine Analyse des Wassers notwendig, um festzustellen, ob und welche Stoffe enthalten sind. Reines Wasser, das den Verdampfer (einer der Wärmetauscher der Wärmepumpe) nicht chemisch angreift bzw. verstopft, ist eher selten. Besonders Eisenoxide sind oft ein Problem (Verockerung). Daher empfiehlt es sich, einen Zwischenwärmetauscher zu planen, der das Grundwasser vom Wärmepumpenkreislauf trennt. Die Verockerungsproblematik kann aber auch den Schluckbrunnen betreffen, und hier zu einer beschleunigten Alterung ggf. Funktionsausfall führen. In unseren Breiten meistens schwer durchführbar da die Brunnen keine zuverlässige Funktion bieten.

Erdwärmenutzung mit geschlossenem Solekreislauf

Der Vorteil dieser Art der Erdwärmenutzung besteht darin, dass das Wärmeträgermedium (ein Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch, auch „Sole“ genannt) getrennt in einem geschlossenen Kreislauf in erdbürtigen Wärmetauschern (Erdreichkollektoren, Erdwärmesonden, Energiepfähle, erdberührte Bauteile) zirkuliert. Als Material zum Bau der Wärmequellenanlagen hat sich handelsübliches Polyethylen (PE)-Rohr durchgesetzt. Da meist mehrere Teilkreise verlegt werden, ist unbedingt auf einen hydraulischen Abgleich zu achten, um sicherzustellen, dass die Kreise eine adäquate Wärmeleistung realisieren. Die Wärmeentzugsleistungen hängen sehr stark von der Beschaffenheit des Bodens bzw. von den geologischen und hydrogeologischen Verhältnissen ab. Trockene Sedimente weisen geringe Entzugsleistungen, wassergesättigte Sande und Kiese mit starker Grundwasserströmung weisen sehr hohe Entzugsleistungen auf. Auf eine fachgerechte Bemessung der Quellenanlage sollte nicht verzichtet werden.Man unterscheidet zwei Bauarten:

Erdwärmesonden

werden in Form von Doppel-U-Rohren in (auch mehreren) Bohrungen eingebracht, die in der Regel 50…100 m tief abgeteuft werden. Der Flächenbedarf ist somit gering und das Temperaturniveau von den Jahreszeiten unabhängig und nahezu konstant (ca. 10-11 C°). Wohl auch aus diesem Grund ist die Erdwärmesonde die in Mittel- und Nordeuropa am weitesten verbreitete Wärmequellenanlage für erdgekoppelte Wärmepumpen. Die Planung und der Bau einer Erdwärmesondenanlage unterliegt ebenfalls der Richtlinie VDI 4640 (Thermische Nutzung des Untergrundes). Erfahrene Fachbetriebe führen ihre Arbeiten nach der VDI-Richtlinie 4640 unter Berücksichtigung des aktuellen Standes der Technik aus. Auf das Verpressen der mit Erdwärmesonden bestückten Bohrlöcher mit einer Zement-Bentonit-Suspension (noch besser: thermisch verbesserter Verpressmittel) kann nur in wenigen Ausnahmefällen verzichtet werden. Wer Wert auf einen wirtschaftlichen und störungsfreien Betrieb seiner Erdwärmeanlage legt, sollte auf eine Planung durch autorisierte Ingenieurbüros und auf eine Ausführung der Bauleistungen durch Fachbohrunternehmen und Heizungsinstallateure nicht verzichten.

Gut investiertes Geld, wenn man dafür lebenslang ca. 75% der Raumwärme risikofrei und kostenlos beziehen kann.

Erdreichkollektoren

werden horizontal ca. 1,50 m unter der Oberfläche flächenhaft oder in Gräben verlegt. Vorteil: Die Kosten für die Errichtung des Erdreichkollektors sind im Vergleich zu Erdwärmesonden gering. Allerdings sind die Bodentemperaturen stark jahreszeitlich beeinflusst, was bei der Bemessung berücksichtigt werden muss. Die Größe des Erdreichkollektor, Verlegetiefe und abstand richten sich nach dem Bodenprofil, Wasserverhältnissen und dem Wärmebedarf des Hauses. Eine besondere Bauform des Erdreichkollektors stellt der Direktverdampfer-Erdwärmekollektor dar. Hier kommt meist Kupferrohr zum Einsatz, da die Wärmequelle Teil des Wärmepumpen-Kältekreislaufs ist und somit das Kältemittel direkt in der Wärmequellenanlage verdampft.

Der neue Erdreichkollektor im ÜBERBLICK hier klicken

Genehmigungen

Das Wasserhaushaltgesetz (WHG) schreibt im Zusammenhang mit der Nutzung bzw. Herstellung einer Erdwärmeanlage eine wasserrechtliche Erlaubnis vor, die bei der Unteren Wasserbehörde des Kreises werden muss. Einige Ämter verlangen nur eine Bohrungsanzeige und in einigen Bundesländern sind für kleine Anlagen vereinfachte Verfahren möglich. Verantwortlich für die Einholung einer Erlaubnis ist grundsätzlich der Grundstückseigner. Die Anträge sollten vom Bohrunternehmer bzw. von dem mit dem Bau der Anlage beauftragten Planer in Zusammenarbeit mit dem Grundstückseigner gestellt werden. Lassen Sie sich vor Auftragserteilung auf jeden Fall immer vertraglich zusichern, dass das beauftragte Unternehmen Ihnen die erforderliche (wasserrechtliche) Genehmigung beschafft, so dass Sie diese nur noch unterzeichnen müssen. Erdwärme ist laut Bundesberggesetz (BBergG) ein „bergfreier Bodenschatz“, dessen Nutzung vom Staat konzessioniert wird. Wenn Erdwärme unter einem Grundstück für die Nutzung auf dem gleichem Grundstück gewonnen wird, regelt §4 BBergG eine Ausnahme: Nur ab einer Bohrtiefe von über 100 m müssen die Bergbehörden wegen einer Genehmigung der tiefen Bohrung eingeschaltet werden. Bergrechtliche Verfahren sind ansonsten nur erforderlich, wenn z. B. bei größeren Anlagen die Nutzung die Grundstücksgrenzen überschreitet.

Leistungsmodulierende Luft/Wasser-Wärmepumpen passen sich dem Heizwärmebedarf des Gebäudes an

Wärmepumpen konventioneller Bauart kannten bislang nur zwei Betriebszustände:

Volle Leistung oder Stillstand.

Mit den nun immer häufiger angebotenen leistungsmodulierenden Wärmepumpen soll deren Betrieb deutlich effizienter werden. Dabei wird die Leistungsmodulation bei den meisten Modellen mithilfe einer Inverter-Regelung vorgenommen. Auch mit Digitalen Scroll Verdichtern kann die Heizleistung an den jeweiligen Bedarf des Gebäudes angepasst werden.

Mit rund 45% Marktanteil in Deutschland haben sich die Luft/Wasser-Wärmepumpen neben den erdgekoppelten Wärmepumpen, die mehrheitlich im Neubau installiert werden, etabliert. Gegenüber den Sole/Wasser-Wärmepumpen haben sie für Bauherren zunächst einen großen Vorteil: Die Erschließung der Wärmequelle ist besonders einfach und damit kostengünstig.

Das jetzige Ziel der Entwicklung lautet Luft-Wasser-Wärmepumpen effizienter machen !!Die Wärmequelle „Umgebungsluft“ ist allerdings im Jahresverlauf deutlichen Schwankungen unterworfen,so dass sie – wenn sich die Außentemperatur dem Auslegungspunkt nähert – die geringste Wärmequellenleistung bietet. Wärmequellentemperatur und Heizleistungsbedarf sind also gegenläufig. Bisherige Wärmepumpen mit klassischen Komponenten im Kältekreis (Wärmepumpenprozess) sind für einen wichtigen Betriebszustand ausgelegt, z.B. für die Heizung im Januar. Das Ziel der Hersteller bei der Entwicklung von Wärmepumpen bzw. Wärmepumpen-komponente ist daher derzeit die Verbesserung der Anpassungsfähigkeit an Teillast-Betriebspunkte, um die Jahresarbeitszahlen der Luft/Wasser-Wärmepumpen zu verbessern und um die Kosten der Einbindung zu reduzieren.

Nachdem die Hersteller in den zurückliegenden Jahren bei der Weiterentwicklung ihrer Wärmepumpen den Fokus auf die Erhöhung der Vorlauftemperatur legten, liegt heute mit der Leistungsmodulation ein neuer Entwicklungstrend vor.

Vorteile Solarunterstützung

Bis zu 70% Energieeinsparung bei der Warmwasserbereitung mit Solaranlage.
Auch zur Heizungsunterstützung einsetzbar.
Hoher Warmwasserkomfort in allen Anwendungsbereichen (Sperrzeiten des EVU).
Vollautomatischer, wartungsarmer Betrieb.
Höhere Unabhängigkeit von Energiepreisen.
Erhöhung des Beitrages zum Umweltschutz.
Wertsteigerung der Immobilie.