Wärmepumpen sind Maschinen, die Wärme von einem niedrigen Temperaturniveau unter Aufwand von Arbeit auf ein höheres Temperaturniveau transferieren. Bei der Umsetzung dieses Prozesses in der Wärmepumpe können verschiedene physikalische Effekte zum Einsatz kommen.
Bei der oberflächennahen Geothermie finden meist Elektro - Kompressions - Wärmepumpen Verwendung
, die den Effekt der Verdampfungswärme ausnutzen. Bei diesen Pumpen zirkuliert ein Kältemittel in einem Kreislauf, das die Aggregatzustände flüssig und gasförmig annimmt und dabei Energie auf bzw. abgibt. Um sich die Funktionsweise dieser Anlagen zu verdeutlichen, kann man auf das Funktionsprinzip eines Kühlschranks zurückgreifen – nur wird hier keine Kälte sondern Wärme abgegeben.
Die Elektro - Kompressions - Wärmepumpen stellen die am meisten verwendete Bauform dar. Der Aufbau einer solchen Pumpe ist recht einfach und die Pumpe kann aufgrund sehr grosser Stückzahlen kostengünstig produziert werden. In der Pumpe zirkuliert das Kältemittel in einem geschlossenem Kühlkreislauf. Das gasförmige Kältemittel wird zunächst durch einen Kompressor verdichtet. Im folgenden Wärmetauscher (Kondensator) kondensiert das Kältemittel unter Wärmeabgabe. Diese Energie wird an das Heizsystem abgegeben. Das nun flüssige Kältemittel wird durch eine Druckänderung expandiert und entspannt. Im zweiten Wärmetauscher (Verdampfer) wird es wieder unter Wärmeaufnahme in den gasförmigen Zustand überführt. Bei diesem Vorgang wird der Umgebung Wärme entzogen und auf das Kühlmittel übertragen. Selbst bei tiefen Temperaturen kann die Wärmepumpe der Umgebung noch Wärme entziehen und auf ein nutzbares Temperaturniveau anheben.
Die Leistungszahl
Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe ist umso grösser, je geringer die Temperaturdifferenz zwischen der Wärme aufnehmenden und abgebenden Seite ist. Auch die Lage der Temperaturdifferenz auf der Temperaturskala hat Einfluss auf den Wirkungsgrad einer Wärmepumpe.
Bei der Beurteilung der Leistungsbilanz einer Energieumwandlung spielt der Carnot - Wirkungsgrad eine tragende Rolle. Er beschreibt den Anteil der Wärmeenergie, der unter idealen Bedingungen aus mechanischer Energie gewonnen werden kann.
Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe wird durch ihre Leistungszahl beschrieben. Sie gibt das Verhältnis von abgegebener Heizleistung zu aufgewendeter elektrischer Antriebsleistung an. Eine Leistungszahl von 5 bedeutet, dass das Fünffache der eingesetzten elektrischen Leistung in nutzbare Wärmeleistung umgewandelt wird.
Ein kleines Beispiel:
Eine Wärmepumpe soll aus 10°C kaltem Wasser 40°C warmes Heizwasser für eine Niedertemperaturheizung erzeugen. Um die Widerstände in den Wärmetauschern überwinden zu können, muss die Pumpe 7°C kaltes Kältemittel erzeugen und dieses auf 42°C erwärmen.
Durch den Einsatz von 1 KWh Strom erhalten wir 9 KWh an Wärme auf einem Temperaturniveau von 42°C. Diese Betrachtung gilt für den idealisierten Fall.
In der Realität errreichen gute Wärmepumpen heute ca. 90% oder Besser des Carnotwirkungsgrades, hier also 8,1. Bei der Erzeugung von Strom aus Primärenergie und der späteren Verteilung über das Leitungsnetz entstehen erhebliche Verluste, so dass effektiv der Steckdose nur ca. 30% der im Kraftwerk eingesetzten Primärenergie entnommen werden kann.
Aus einer KWh aus der Steckdose erzeugt die Wärmepumpe 2,43 KWh Wärme auf einem Temperaturniveau von 42°C. Wie man aus der Formel ersehen kann, gilt die Leistungszahl für einen definierten Betriebspunkt und ändert sich permanent je nach Quellen und Heizungsvorlauftemperatur. Weiterhin werden andere Verbraucher wie Pumpen in diesem System nicht berücksichtigt.
COP - Wert
Dieser Wert beschreibt das Verhältnis von abgegebener Wärmeleistung zu aufgenommener Antriebsleistung unter definierten Prüfbedingungen und Messmethoden (DIN EN 255). In die Berechnung fliessen weiterhin die Verbraucher im System mit ein. Der Wert stellt eine Momentaufnahme des Systems dar, lässt aber eine engergetische Bewertung der Anlage nicht zu.
Jahresarbeitszahl
Dieser Wert beschreibt das Verhältnis von abgegebener Wärmeleistung zu aufgenommener Antriebsleistung über einen längeren Zeitraum hinweg. Auch werden die anderen Verbraucher im System berücksichtigt. Erst die Jahresarbeitszahl lässt also nähere Aussagen über die energetische Bewertung einer Anlage zu. Heutige Anlagen erreichen eine Jahresarbeitszahl zwischen 2 und 4. Wesentlich höhere Herstellerangaben sollten kritisch hinterfragt werden.
Betriebsarten einer Wärmepumpe
| Betriebsart | Beschreibung |
|---|---|
| Monovalent | In dieser Betriebsart wird der vollständige Wärmebedarf über eine Wärmepumpe erreicht. Dabei definiert die niedrigste Aussentemperatur die Kapazität der Wärmepumpe. In der Regel werden Sole – Wasser und Wasser – Wasser Wärmepumpen als monovalente Heizsysteme ausgelegt. Bei milderen Aussentemperaturen können auch andere Systeme zum Einsatz kommen. |
| Monoergetisch | In dieser Betriebsart wird die Wärmepumpe, i.d.R. sind es Luft – Wasser Wärmepumpen, im Bedarfsfall durch eine Zusatzheizung, die den gleichen Energieträger verwendet, unterstützt. Häufig wird ein einfacher Heizstab für diese Funktion verwendet. Hierbei wird die Zusatzheizung erst nach unterschreiten einer Mindesttemperatur zugeschaltet und über einen Regelkreis gesteuert. Die Luft – Wasser Wärmepumpe ist für Energiesparhäuser eine kostengünstige Alternative, weil teure Ausseninstallationen, wie Erdsonden oder Kollektoren, entfallen. Jedoch sollte man auf die richtige Dimensionierung der Wärmepumpe achten, denn ein häufiges zuschalten der elektrischen Zusatzheizung treibt die Stromrechnung in die Höhe und minimiert die Kostenvorteile einer Wärmepumpe. |
| Bivalent | Im bivalenten – parallel Betrieb greift man auf zwei Wärmeerzeuger zurück. Sollte die Wärmepumpe an die Leistungsgrenzen gelangen, greift ein weiteres Heizsystem, z.B. eine Ölheizung, unterstützend ein. |
| Bivalent – parallel | In dieser Betriebsart sind die Wärmepumpe und ein noch vorhandenes Heizsystem ab einer definierten Aussentemperatur gleichzeitig in Betrieb. |
| Bivalent – alternativ |
Im bivalenten – alternativ Betrieb greift man auf zwei Systeme zurück. Dabei übernimmt die Wärmepumpe bis zu einer definierten Temperatur die Versorgung des Gebäudes mit Wärme. Wird diese Temperatur unterschritten, schaltet die Wärmepumpe ab und das alternativ System übernimmt die Versorgung. |
Die verschiedenen WP-Systeme
Die am Markt befindlichen WP-Anlagen greifen i.d.R. auf die in der Herstellung recht günstige elektrisch angetriebene Kompressionswärmepumpe zurück. Für spezielle Anforderungen werden finden auch andere Systeme Verwendung, die hier allerdings nicht berücksichtigt werden.
Für die Unterteilung der Anlagetypen wird hier die Art der Wärmegewinnung aus der Umwelt zugrunde gelegt. Eine Einteilung der Wärmepumpen erfolgt nach folgenden Kriterien.
Sole - Wasser WP
Wasser - Wasser WP
Luft - Wasser WP
Luft - Luft WP
Eine Wärmepumpe lässt sich relativ einfach mit verschiedenen anderen Systemen wie der Solartechnik koppeln. Dabei wird ein Schicht-Speicher über die Solaranlage aufgeladen und der Wärmepumpe als Wärmereservoir zur Verfügung gestellt. Dadurch lässt sich der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe und einer Solaranlage erhöhen.
An dieser Stelle sollen hier aber nur kurz die Grundsysteme der Wärmepumpentechnik beschrieben werden.
Sole - Wasser WP
Dieser Anlagentyp wird aufgrund der im Erdboden ausreichend vorhandenen Wärme häufig verwendet. Als Trägermedium kommt hier ein Wasser - Frostschutz - Gemisch (Sole) zum Einsatz, das in einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert und Wärme aus dem Erdboden (Tiefensonde oder Kollektoren) über einen Wärmetauscher an die Wärmepumpe abgibt. Die Wärmepumpe entzieht dem Solekreislauf Energie und stellt dem Heizkreislauf Energie auf einem höherem Temperaturniveau zur Verfügung. Zum Austragen der Energie wird meistens auf eine Fussbodenheizung zurückgegriffen. Die Fussbodenheizung fungiert gleichzeitig als Pufferspeicher. Weiterhin lassen sich mit diesem Typ grössere Wärmeleistungen realisieren und damit auch Gebäude mir einem höheren Bedarf ausreichend versorgen.
Einige Systeme nutzen auch die Direktverdampfungtechnik. Dabei wird anstelle der Sole das Kühlmittel der WP direkt in die im Boden verlegten Kupfer - Kollektoren geleitet. Man spart also einen Wärmetauscher und eine zusätzlichen Antriebspumpe, was zu geringeren Verlusten im System führt.
Wasser - Wasser WP
Dieser Anlagentyp wird aufgrund der im Grundwasser ausreichend vorhandenen Wärme ebenfalls häufig verwendet. Als Trägermedium fungiert hier Grundwasser, das mittels einer Pumpe einem Saugbrunnen entnommen wird. Über einen Wärmetauscher erfolgt der Wärmeentzug. Das abgekühlte Wasser wird über einen Schluckbrunnen wieder dem Grundwasser zugeführt und die gewonnene Wärme wieder über eine Fussbodenheizung im Gebäude verteilt. Da dieses System auch mit höheren Vorlauftemperaturen noch wirtschaftlich betrieben werden kann, kann man evtl. auf vorhandene Heizkörpersystem zurückgreifen. Man beachte aber folgenden Sachverhalt: Je höher die Vorlauftemperatur desto unwirtschaftlicher wird der Betrieb einer Wärmepumpe.
Die Fördermenge für eine Leistung von 10 kW beträgt bei einer Wassertemperatur zwischen 7°C - 12°C etwa 1500 - 1800 l/h, bei höherem Wärmebedarf entsprechend mehr. Der Abstand zwischen Saug - und Schluckbrunnen sollte 10 - 15 Meter nicht unterschreiten, damit eine gegenseitige negative Beeinflussung ausgeschlossen werden kann.
An die Qualität des Grundwassers werden wegen der Gefahr von Ablagerungen im Wärmetauscher relativ hohe Anforderungen gestellt. Sollten diese Anfoderungen nicht erfüllt werden können, wird einfach ein zusätzlicher Warmetauscher zwischen geschaltet.Aufgrund der guten Leistungszahlen dieses Typs lassen sich auch grössere Wärmeleistungen realisieren und damit auch Gebäude mit einem höheren Bedarf an Wärme ausreichend versorgen.
Da das Bohren des Saug- und Schluckbrunnens erhebliche Kosten verusacht und die Entnahmeleistung über die Jahre sinken kann, sollten Folgekosten nicht ausgeschlossen werden. Erdwärmesonden und Kollektoren sind von dieser Erscheinung nicht betroffen, weil die Wärmeträger in einem geschlossenem Kreislauf zirkulieren.
Luft - Wasser WP
Bei diesem Anlagentyp wird der Umgebungsluft Energie entzogen. Dabei wird Umgebungsluft mit Hilfe eines Gebläses über einen Wärmetauscher, der Teil des Kühlkreislaufes der WP ist, geleitet. Teure Installationen wie Erdwärmesonden oder Kollektoren entfallen in diesem Fall.
Allerdings kann eine solche Anlage nur wirtschaftlich betrieben werden, wenn der Wärmebedarf des Gebäudes gewisse Grenzen nicht überschreitet und die benötigten Vorlauftemperaturen für die Heizkreise nicht zu hoch sind. Vor der Entscheidung sollte unbedingt eine Heizlastberechnung nach DIN EN 12831durch einen Fachmann durchgeführt werden.
Viele Luft - Wasser - WP können zwar bis ca - 20°C Heizwärme erzeugen, allerdings reicht diese ab einer Temperatur von ca. - 5°C nicht mehr aus, um den Wärmebedarf eines Gebäudes zu decken. Daher werden diese WP mit einer elektrischen Zusatzheizungen ausgestattet, die ab - 5°C unterstützend zugeschaltet werden. Bei einer schlecht dimensionierten Anlage schaltet sich die Zusatzheizung entsprechend früher ein, was zu einer explodierenden Stromrechnung führt. Ideale Einsatzbedingungen dieses Systems sind daher Niedrigenergiehäuser mit den entsprechenden Wärmeaustragungssystemen, die eine geringe Vorlauftemperatur erlauben.
Neuere Luft - Wasser - WP - Systeme nutzen zusätzliche Wärmequellen wie die Abwärme aus dem Gebäude und erreichen so höhere Leistungszahlen.
Luft - Luft WP
Bei der Luft - Luft - WP wird die in der Abluft enthaltene Wärme auf die frische Aussenluft übertragen, die anschliessend über ein Lüftungssystem im Gebäude verteilt wird. Dieses System kann man daher auch als Lüftungssystem mit Wärmeübertragung bezeichnen. Aufgrund der geringen Heizleistung dieses Systems, ist der Einsatz nur in einem Passivhaus mit einer maximalen Heizlast von 10 W/m² sinnvoll.
Einige allgemeine Informationen
Um eine Wärmepumpenanlage effektiv betreiben zu können und damit vor bösen Überraschungen gerüstet zu sein, sollte man die Rahmenbedingungen, also den Wärmebedarf des Hauses, die Austragungssysteme im Haus und die vor Ort gegebenen Daten genau ermitteln lassen. Sollten die ermittelten Werte falsch sein oder hohe Abweichungen beinhalten, wirkt sich dieses direkt negativ auf den Wirkungsgrad der Wärmepumpe aus. Die Stromrechnung schnellt in die Höhe und die Wärmepumpe ist durch die längeren Laufzeiten und ständigem Takten einem erhöhten Verschleiss ausgesetzt.
Weiterhin lässt sich nicht jedes Objekt rentabel mit einer Wärmepumpe betreiben. Hier spielen die Energiestandards beim Bau der Häuser eine entscheidende Rolle. Ältere Häuser haben i.d.R. keine oder eine schlechte Isolierung und damit einen sehr hohen Wärmebedarf zur Folge. In den Häusern selbst erfolgt die Wärmeaustragung meistens über ältere Heizkörpersysteme, die zur Deckung des Wärmebedarfs meistens mit sehr hohen Vorlauftemperaturen betrieben werden müssen. Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe ist umso grösser, je geringer die Temperaturdifferenz zwischen der Wärme aufnehmenden und abgebenden Seite ist. Für unseren Altbau hat eine hohe Vorlauftemperatur aufgrund des Austragungssystems und des Wärmebedarfs also einen erheblichen Wirkungsgradverlust der Wärmepumpe und damit einen erhöhten Einsatz von elektrischer Energie zur Folge. Ein älteres Haus auf heutige Energiestandards zu bringen, ist mit erheblichem Aufwand und Kosten verbunden, für einen effektiven und kostengünstigen Betrieb einer Wärmepumpe allerdings unverzichtbar.
Günstiger sieht die Situation bei Gebäuden aus, die bereits nach den aktuellen Energiestandards gebaut sind oder sich in Planung befinden. Hier werden in der Regel grössflächige Austragungssysteme wie Fussbodenheizungen verwendet, die bei einer geringen Vorlauftemperatur eine ausreichende Wärmeabgabe sicherstellen. Die Fussbodenheizung fungiert in diesem Fall auch als Puffer, speichert also die nicht sofort verbrauchte Energie, verhindert so ein zu häufiges lästiges und schädliches Takten der Wärmepumpe und erlaubt die Nutzung spezieller Wärmepumpentarife, die häufig bestimmte Abschaltzeiten der Wärmepumpe voraussetzen. Je nach Wärmebedarf kann hier eine Wasser-Wasser WP, eine Sole-Wasser WP oder Luft-Wasser WP zum Einsatz kommen. Bei extrem geringem Wärmebedarf kann auch eine Luft-Luft WP genutzt werden.
Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpe
Mit der Verknappung der Resourcen und der damit einhergehenden dauerhaften Verteuerung von fossilen Energieträgern, wird die Verwendung der Wärmepumpe immer interessanter. Auf dem heutigen Preisniveau für fossile Brennstoffe ist die Wärmepumpe eine echte Alternative – besonders für Gebäude mit geringen Wärmebedarf und vor allem für Bauten, die sich noch in der Planung befinden, kann man die Systeme perfekt aufeinander abstimmen und damit erhebliche Einsparungen erzielen.
Welche Einsparungen sich mit dem Einsatz der Geothermie realisieren lassen und welche Investitionskosten zu veranschlagen sind, kann man sich bei verschiedenen Online – Rechnern ausrechnen lassen.
Hier eine kleine Auswahl:
Energie AG ÖsterreichKroll GmbH Energie-200
Ein direkter Zahlenvergleich bei den Investitionsgütern und den Verbrauchswerten ist relativ schwierig und umfangreich und würde den Rahmen dieser Seite sprengen. Der Fachmann vor Ort kann bei Kenntnis der Gebäudehülle, der Austragungssysteme, der geologischen Daten und des Energiebedarfs eines Gebäudes nähere Aussagen zu den Einsparpotentialen einer Wärmepumpe treffen.
An dieser Stelle soll trotzdem ein kleiner Vergleich der Systeme erstellt werden. Als Basis dient ein Neubau eines Einfamilienhauses mit einer Wohnfläche von 150 m². Das Gebäude hat einen Wärmebedarf von 7,5 kW. Die jährlichen Heizstunden belaufen sich auf ca. 2400 und der Energiebedarf beträgt 18000 kW/h. Die Wärmepumpe wird über Erdwärmesonden mit Wärme aus dem Erdreich versorgt.
Vergleich Investitionskosten
| Sole-Wasser WP | Ölheizung | Gasheizung |
|---|---|---|
| Erdwärmesonde, Wärmepumpe, Warmwasserspeicher, Montage | Ölbrenner, Öl-Lagerung und Tank, Schornsteinanlage, Montage | Gasbrennwertkessel, Warmwasserspeicher, Gasanschluss, Montage |
| ca. 15000€ | ca. 12500€ | ca. 8500€ |
Betriebskosten (Aufgrund der dramatischen Schwankungen bei den Preisen, verschieben sich die Betriebskosten teilweise dramatisch)
| Sole-Wasser WP | Ölheizung | Gasheizung |
|---|---|---|
| Antriebsstrom der Wärmepumpe, Zählergebühren, Wartung | Heizöl, Schornsteinfeger, Wartung | Erdgas, Zählergebühren, Schornsteinfeger, Wartung |
| ca. 600€ | ca. 1500€ | ca. 1300€ |
Einbau einer Wärmepumpe
Moderne Wärmepumpen haben eine sehr kompakte Bauweise und eignen sich für die Aufstellung an den verschiedensten Orten im Haus.
Die Luft-Wasser Wärmepumpe bietet hier die grösste Flexibilität. Sie kann je nach Konzept der Wärmeversorgung im Gebäude oder auch im Freien aufgestellt werden. Eine Aufstellung im Freien führt auch zu einem verbesserten Wirkungsgrad der Anlage, verringert den Raumverlust im Gebäude und es entfallen aufwendige Zu- und Abluftsysteme. Es ist jedoch auf die geschützte Verlegung der Versorgungsleitungen zu achten. Eine Innenaufstellung erfordert einen Zugang zur Aussenluft über Luftkanäle oder Luftschläuche. Auf eine ausreichende Isolierung der Anschlussstellen und Zuleitungen sollte hier unbedingt geachtet werden. Bei der Innenaufstellung spielt die Geräuschentwicklung der Wärmepumpe eine zentrale Rolle.
Sole-Wasser- und Wasser-Wasser Wärmepumpen werden in der Regel innerhalb des Gebäudes installiert. Je nach Komponenten kann auch eine Aussenaufstellung realisiert werden. Dies lohnt sich wegen des geringen Platzbedarfs der Wärmepumpe aber kaum.
