Eine Wärmepumpen nutzt ganz einfach die kostenlose Energie aus Luft, Erdwärme oder Grundwasser zum Beheizen von Gebäuden und / oder zur Erwärmung von Trinkwasser. Wärmepumpen werden in verschiedenen Ausführungen für jeden Bedarf - teilweise auch zur Außenaufstellung und in Kompaktbauweise - gefertigt. Pumpe, Speicher und Bedienstationen lassen sich - je nach Anforderungen und Größe - flexibel kombinieren.

typische Anordnung einer Wrmepumpenanlage
typische Anordnung einer Wärmepumpenanlage

-->Der Schwerpunkt der Neuanlagen liegt auf Sole/Wasser-Wärmepumpen, die die Wärme aus dem Erdreich gewinnen, da so auch in der kalten Jahreszeit ein monovalenter Betrieb ohne zusätzlichen Wärmeerzeuger möglich ist.
Es ist allerdings auch ein Trend zu Luft/Wasser-Wärmepumpen festzustellen, da diese mit weniger Aufwand und kostengünstig installiert werden können. In der Schweiz beträgt der Anteil dieses Typs bereits 60 % der neu installierten Anlagen.

Grundprinzip einer Wärmepumpe

Unabhängig von ihrer jeweiligen Bauart kann eine Wärmepumpe als ein Gerät betrachtet werden, dass die Temperatur des Arbeitsmediums von einem niedrigen Niveau mit Hilfe von Zusatzenergie auf ein höheres Temperaturniveau anhebt und so den Wärmeinhalt des Mediums nutzbar macht

Umwandlung von Umweltwme mit Hilfe von Strom in Heizwrme
Umwandlung von Umweltwäme mit Hilfe von Strom in Heizwärme

Die Art und Weise, wie dies geschieht, ist je nach Ausführung der Wärmepumpe unterschiedlich. Bei den derzeit in der Heizungstechnik zur Anwendung kommenden Wärmepumpen wird jedoch immer ein geeignetes Arbeitsmedium verdichtet und wieder entspannt, so dass der gewünschte Wechsel von Wärmeaufnahme und -abgabe eintritt.

technisches Wirkprinzip einer Wrmepumpe
technisches Wirkprinzip einer Wärmepumpe

 

Wärmequelle Luft

Außenluft

Den geringsten Aufwand zur Erschließung einer Wärmequelle erfordert die Außenluft. Sie wird über einen Kanal angesaugt, im Verdampfer der Wärmepumpe abgekühlt und anschließend wieder an die Umgebung abgegeben.

Luft als Wrmetrgermedium einer Wrmepumpe
Luft als Wärmeträgermedium einer Wärmepumpe

Bis zu einer Außenluft-Temperatur von minus 20°C kann eine moderne Luft/Wasser-Wärmepumpe noch Heizwärme erzeugen. Allerdings kann sie bei einer optimierten Auslegung bei dieser niedrigen Außenlufttemperatur den Wärmebedarf für die Wohnraumbeheizung nicht mehr vollständig decken. Ein Elektro-Heizeinsatz im Heizwasser-Pufferspeicher heizt an sehr kalten Tagen das von der Wärmepumpe vorerwärmte Heizwasser auf die eingestellte Vorlauftemperatur. Da Luft/Wasser-Wärmetauscher ein relativ großes Luftvolumen umwälzen (3000 bis 4000 m3/h), ist bei der Anordnung der Luftöffnungen im Gebäude und bei der Außenaufstellung die mögliche Geräuschentwicklung zu beachten.

Abluft

Wärmepumpen, die Abluft als Wärmequelle nutzen, werden in Häusern mit sehr geringem Wärmebedarf (Passivhäuser) zukünftig verstärkt zur Anwendung kommen. In so genannten Kompaktgeräten wird die Wärmepumpe auch in Verbindung mit einer Anlage zur kontrollierten Wohnungslüftung eingesetzt. In diesen Geräten nutzt die integrierte Abluft/Wasser-Wärmepumpe den Wärmeanteil der Abluft aus den Wohnräumen, der von der Wärmerückgewinnung der Lüftung nicht verwertet werden kann, und verwendet ihn zur Nacherwärmung der Zuluft oder zur Trinkwassererwärmung. In Schweden werden jährlich ca. 8000 Abluft-Wärmepumpen dieser Bauart installiert. Je nach Größe der Abluft-Wärmepumpe wird die zusätzlich zur Deckung des Wärmebedarfs notwendige Heizenergie durch eine elektrische Zuheizung sichergestellt.

 

Wärmequelle Erdreich

Das Erdreich ist ein guter Wärmespeicher, da die Temperaturen darin über das ganze Jahr mit 7 bis 13°C (in 2 m Tiefe) relativ gleichmäßig sind. Über horizontal verlegte Erdkollektoren (als Leitungsschlange im Garten) oder über vertikal in die Erde eingebrachte Erdsonden wird die gespeicherte Wärme mit einem Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel (Sole) zum Verdampfer der so genannten Sole/ Wasser-Wärmepumpe (Sole im Primärkreislauf, Wasser im Sekundär-(Heizungs-)kreislauf) gefördert. Der Wärmeentzug aus dem Erdreich erfolgt über großflächig verlegte Kunststoffrohrsysteme im Erdreich. Unter der Wärmequelle "Erdreich" versteht man die oberste Erdschicht bis zu einer Tiefe von ca. 5 m. Die Gewinnung der Wärme erfolgt über einen Wärmetauscher, der in einer unbebauten Fläche in der Nähe des zu beheizenden Gebäudes verlegt wird. Die aus tieferen Schichten nach oben strömende Wärme beträgt nur 0,063 bis 0,1 W/m2 und kann als Wärmequelle für die oberen Schichten vernachlässigt werden. Der Erdreichkollektor wird durch Sonneneinstrahlung, Regen, Tauwasser etc. regeneriert bzw. nutzt die Energie aus diesen Umwelteinflüssen.

schematische Darstellung einer Wrmepumpenanlage
schematische Darstellung einer Wärmepumpenanlage

Bei Anlagen mit Erdsonden (entspricht quasi einer Brunnenbohrung) ist die Bestimmung der Anordnung und Bohrtiefe besonders wichtig. Dafür gibt es Geologen und spezialisierte Bohrfirmen mit entsprechendem Fachwissen sowie Software für die Auslegung und Optimierung. Außerdem kann mit diesen Spezialunternehmen vertraglich eine Entnahmeleistungs-Garantie (z. B. für 10 Jahre) vereinbart werden. Für solche Anlagen muss in Deutschland eine wasserrechtliche Erlaubnis eingeholt werden. Das Wasser-Wirtschaftsamt ist für Bohrungen bis 100 m Tiefe zuständig. Tiefergehende Bohrungen müssen durch das zuständige Bergbauamt zusätzlich genehmigt werden. In die Bohrung wird ein vorkonfektionierte Sonde eingeführt und anschließend der Hohlraum zwischen Sondenrohr und Bohrung mit Füllstoff verpresst. Es werden meist vier Rohre parallel eingesetzt (Doppel-U-Rohr-Sonde).

 

Wärmequelle Erdreich

Wasser ist ebenfalls ein guter Speicher für Sonnenwärme. Selbst an kalten Wintertagen hält Grundwasser eine konstante Temperatur von 7 bis 12°C. Über einen Förderbrunnen wird Grundwasser entnommen und zum Verdampfer der Wasser/Wasser-Wärmepumpe transportiert. Anschließend wird das abgekühlte Wasser in einen Schluckbrunnen abgeführt (Bild 28). Die Wasserqualität des Grund- oder Oberflächenwassers muss die Grenzwerte des Wärmepumpenherstellers einhalten. Werden diese Grenzwerte überschritten, sollte ein geeigneter Wärmetauscher als Zwischenkreis-Wärmetauscher – wegen schwankender Wasserqualitäten generell empfehlenswert – eingesetzt werden, denn die hocheffizienten Plattenwärmetauscher innerhalb der Wärmepumpe sind empfindlich gegenüber schwankenden Wasserqualitäten. Als Zwischenkreis-Wärmetauscher haben sich geschraubte Edelstahl-Wärmetauscher bewährt. Durch den Zwischenkreis wird die Wärmepumpe geschützt und gleichzeitig der Prozess vergleichmäßigt. Denn der Wärmeübertragungsprozess im Zwischenkreis von Grundwasser auf Sole läuft gleichmäßiger ab als der Prozess von Grundwasser direkt auf das verdampfende Kältemittel in der Wärmepumpe.

schematische Darstellung einer Wrmepumpenanlage mit Erdsonde
schematische Darstellung einer Wärmepumpenanlage mit Erdsonde

Bei Berücksichtigung des erforderlichen Pumpenstroms verringert sich bei Einsatz eines Zwischenkreises der COP um ca. 6 bis 9%. Durch die veränderte Temperaturspreizung nimmt die Heizleistung um 2 bis 4% gegenüber einer Wärmepumpe ohne Zwischenkreis-Wärmetauscher ab. Auch die Nutzung von Grund-/Oberflächenwasser muss durch die zuständige Behörde, im allgemeinen das Wasser-Wirtschaftsamt, genehmigt werden. Allgemein sollte die Wasserqualität bestimmten Grenzwerten entsprechen, unterschieden nach den im Wärmetauscher verwendeten Materialien Edelstahl (1.4401) und Kupfer. Werden die Grenzwerte eingehalten, ist mit einem problemlosen Brunnenbetrieb zu rechnen.

 

 


 

So kostengünstig heizt nur die Natur

Stellen Sie sich einmal vor, dass Sie die höheren Energiepreise für Öl oder Gas zur Beheizung und Warmwasserversorgung Ihrer Wohnung oder Ihres Eigenheims völlig kalt lassen. Unmöglich? Nein - moderne Wärmepumpen gewinnen 75 % der benötigten Heizenergie aus der Umwelt. Die fehlenden 25 % werden als Antriebsenergie in Form von Strom eingesetzt. Was zunächst unglaublich klingt, wird in immer mehr Heizräumen zum Standard. In den letzten Jahren können die Hersteller von Wärmepumpen - auch dank stark steigender Preise für fossile Energieträger - auf stabile Wachstumsraten verweisen.

Wie funktioniert eine Wärmepumpe eigentlich?

Prinzipiell arbeitet eine Wärmepumpe wie ein Kühlschrank - nur mit umgekehrten Vorzeichen. Der Kühlschrank entzieht seinem Innenraum die Wärme und gibt diese nach außen ab. Die Wärmepumpe dagegen entzieht der Umwelt Wärme und gibt diese an das Heizsystem des Hauses weiter.

Woher stammt diese Wärme aus der Umwelt?

Aus dem Erdreich, dem Grundwasser oder der Luft. In diesen Stoffen ist Sonnenenergie gespeichert, die mit Hilfe eines Kreisprozesses entzogen und in der Wärmepumpe auf ein höheres Temperaturniveau gebracht wird. Diese Wärmeenergie kann dann für Heizzwecke und die Warmwasserbereitung genutzt werden. Sie ist nicht nur unerschöpflich und kostenfrei, sie kann auch im gesamten Jahr genutzt werden. Darüber hinaus ist diese Nutzung der Energieressourcen absolut umweltschonend.

Müssen Sie mit einer Wärmepumpe auf bislang gewohnten Heizkomfort verzichten?

Nein, moderne Wärmepumpen sind nicht größer als bekannte Heizgeräte. Sie arbeiten dank innovativer Technik vollautomatisch. Sie programmieren einfach die gewünschte Raumtemperatur - um den Rest kümmert sich die intelligente Regelungstechnik. Mit einer Wärmepumpe haben Sie sogar einen unschlagbaren Zusatznutzen 'im Haus': Im Sommer kann die Technik der Wärmepumpe sogar für die Kühlung Ihres Hauses genutzt werden. Das bedeutet: Sie genießen ganzjährigen Komfort, der fast ausschließlich aus kostenfreier Umweltenergie generiert wird.

Wie wird die Energie aus der Umwelt gewonnen?

Dafür stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. Die erste ist ein horizontaler Erdkollektor, der in einer Tiefe von 1,20 bis 1,50 Meter verlegt wird. Da hier großflächig Rohre in das Erdreich eingebracht werden müssen, eignet sich diese Methode in erster Linie für den Neubau mit einer ausreichend großen Grundstücksfläche. Beim vertikalen Kollektor, bzw. der Erdsonde wird eine Tiefenbohrung bis zu 100 Meter senkrecht in den Boden eingebracht. Dieser Kollektor ist besonders für kleine Grundstücke geeignet. Grundwasser ist die ergiebigste Energiequelle. Durch die über das gesamte Jahr konstante Temperatur von 8 bis 10 °C lassen sich im Vergleich aller Systeme höchste Leistungen erzielen. Erforderlich für die Umsetzung ist die Bohrung eines Saug- und eines Schluckbrunnens, die das Grundwasser zur Wärmepumpe fördern und nach dem Wärmeentzug wieder zurückleiten.

Was gibt es noch zu beachten?

Der Einbau und Einsatz von Wärmepumpen ist besonders umweltschonend und wird daher vom Gesetzgeber unterstützt. Welche Fördermittel Sie nutzen können erfahren Sie z.B. im Fördermittelberater unter www.vaillant.de. Achten Sie beim Kauf darauf, dass der Hersteller langfristige Garantie auf das Herzstück Ihrer Wärmepumpe gibt - den Kompressor.