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Wärmepumpen

Eine alternative energieeffiziente Möglichkeit für die Wärmeerzeugung ist die Nutzung der Umweltwärme. Die Elektro- Wärmepumpe ist die gebräuchlichste Art von Wärmepumpen. Ihre große Popularität kommt durch die Förderung der Energieversorgungsunternehmen, die durch den konstanten und kalkulierbaren Stromverbrauch der Anlagen, eine bessere Ausnutzung der Kraftwerke erwarten.

Diese Umweltwärme liegt aber auf einem niedrigen Temperaturniveau (2 bis 10°C), das für die Heizzwecke so nicht nutzbar ist. Soll diese „kalte‘‘ Energie aus der Umwelt zu Heizzwecken genutzt werden, so muss das Temperaturniveau mittels Antriebsenergie der Wärmepumpe angehoben werden. Der Bedarf an Antriebsenergie ist abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen Energiequelle und Wärmeverbraucher. Somit bietet sich der Einsatz einer Wärmepumpe insbesondere in Gebäuden mit Flächenheizungen (z. B. Fußboden- oder Wandheizung) an, die für niedrige Heizungstemperaturen ausgelegt werden. Die gebräuchlichste Antriebsform für Beheizung und Brauchwassererwärmung in Gebäuden sind  elektromotorisch angetriebene Wärmepumpen. Alternative Antriebe wie Gasmotor und Sorptionswärmepumpen haben im unteren Leistungsbereichen noch geringe Verbreitung. Bei den Wärmequellen kann auf verschiedene Formen zurückgegriffen werden:

• Erdwärmekollektoren

• Erdwärmesonden

• Energiepfähle

• Entnahme- und Einleitbrunnen

• Umweltwärme

Erdwärmeheizung, Erdwärmepumpe im
Keller - Geothermie
Foto: Rainer Valtwies - Energieberatung Rhede Bocholt Borken

FUNKTIONSPRINZIP:

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Der Kreislauf einer typischen Wärmepumpe (Kompressionswärmepumpe mit Elektroantrieb) besteht aus Verdampfung, Verdichtung, Kondensation und Expansion eines Kältemittels.

Dieses befindet sich im Verdampfer zunächst im flüssigen Zustand, wobei die Temperatur der umgebenden Wärmequelle höher ist als der Siedepunkt des Kältemittels. Dadurch bedingt findet eine Wärmeübertragung von der Wärmequelle auf das Kältemittel statt, bei dem dieses genügend Energie erhält, um zu verdampfen. Der Verdichter saugt den Kältemitteldampf kontinuierlich an, welcher durch die Komprimierung erhitzt wird. Er gibt die Wärme im Kondensator an den Wärmenutzer ab (z.B. Rücklauf der Heizung), wobei die Temperatur des Wärmenutzers unter der Verflüssigungstemperatur des Kältemitteldampfes liegt. Das nunmehr wieder flüssige Kältemittel verliert durch ein Expansionsventil soviel Druck und Temperatur, daß das Niveau wieder unter die Temperatur der Wärmequelle sinkt, so daß im Verdampfer wiederum Wärme aus der Wärmequelle aufgenommen werden kann.

Energetik einer Elektro- Wärmepumpe

Die Maßzahl für den Wirkungsgrad einer Wärmepumpe ist die Jahresarbeitszahl b (Verhältnis von abgegebener Wärmemenge (Heizwärme) zur elektrischen Leistung).

b = QWP / Wel

In der Praxis werden Werte von 2 bis 4 erreicht.

Die Leistungzahl e definiert das momentane Verhältnis von Heizleistung zur Verdichterleistung, wobei die Verdichterleistung in der Heizleistung enthalten ist, da auch sie einen Beitrag zur Wärmeerzeugung bringt.

e = Heizleistung / Antriebsleistung

e = (Umweltenergie + Verdichterleistung) / Antriebsleistung

Da der Wärmepumpen- Kreisprozeß im wesentlichen dem idealen Carnot- Prozeß folgt, kann die Leistungszahl e (idealisiert) auch durch die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle TQ (°K) und Wärmenutzer TN (°K) dargestellt werden.

e = TN / (TN - TQ)

Durch elektrische, mechanische und thermische Verluste kann die Leistungszahl der Wärmepumpe nur ca. 50% von der idealen Leistungszahl betragen.

Wärmequellen

Die Wärmepumpe kann das Erdreich, die Atmosphäre und das Grundwasser als Wärmequelle nutzen. Jede dieser Quellen hat ihre Vor- und Nachteile.

Abbildung: Funktionsprinzip einer Wärmepumpenanlage

Wärmequelle Erdreich

Das Erdreich stellt eine ideale Wärmequelle dar, da es durch die Sonnenenergie und durch Regenwasser regeneriert wird. In tieferen Schichten wird die geothermische Energie genutzt, die durch natürlichen radioaktiven Zerfall entsteht.

Seitdem diese Technik in den vergangenen 10 Jahren wegen der hohen Zuverlässigkeit eine positive Marktentwicklung erfahren hat, werden heute 70% aller neuerrichteten Wärmepumpenanlagen mit Erdwärme betrieben.

Die Nutzung der Quelle kann über flachverlegte Erdkollektoren oder über Erdsonden, die in Tiefen bis 100 m gebohrt werden, genutzt werden.

Abbildung:
Schema einer Wärmepumpenanlage mit dem Erdreich als Wärmequelle

Die Wärmequellenanlage besteht aus einem geschlossenem System, in dem die Wärmeträgerflüssigkeit Sole (Wasser mit Frostschutz) mit einer Solepumpe durch das Kollektor- bzw. Sondensystem transportiert wird. Hierbei wird der Erde Wärme entzogen und der Wärmepumpe zugeführt.

Die Erstellung von Erdwärmenutzungsanlagen ist von den jeweiligen Vorschriften der einzelnen Kommunen abhängig und melde- bzw. bewilligungspflichtig.

Für soleführende Leitungen verwendet man Kunststoffrohre mit besonderen Eigenschaften, um Beschädigungen durch mechanische Einwirkungen oder Temperaturen zu vermeiden.

Die Bodenbeschaffenheit spielt bei der Nutzung der Erdwärme eine große Rolle. So muß der Boden natürlich gewachsen sein, um die bei aufgeschütteten Böden vorkommende Absenkung zu vermeiden.

Je höher der Feuchtigkeitsgehalt der Böden ist, um so größer ist die Wärmeleitung.

„Die für den Wärmeentzug vorgesehenen Flächen müssen unverbaut sein, können jedoch bepflanzt werden. Das Regenwasser ist wichtig für die Regeneration des Bodens. Wasserstau und Überflutung (z.B. bei Hanglagen) sind zu vermeiden. Bodenanhebungen oder Bauschäden könnten entstehen. Bei Bedarf ist eine Drainage vorzusehen!

Das Erdreich muß sich vor dem Wärmeentzug setzen. Eine begrenzte Eisbildung um die Kollektorrohre ist zulässig bzw. erwünscht (Wärmeleitfähigkeit)." *

Die Größe des Wärmeentzugsystems richtet sich nach der benötigten Kälteleistung der Wärmepumpe und der spezifischen Wärmeentzugsleistung des Bodens.

* Ochsner, Wärmepumpen in der Heizungstechnik

Wärmepumpenanlage für ein 6 Familienhaus
 

Tabelle: Wärmeentzugsleistung für Erdkollektoren (Waagerecht)

Tabelle: Wärmeentzugsleistung bei Erdsonden (Vertikal)

Wärmequelle Luft

Die bekannteste und in der Vergangenheit auch am meisten genutzte Wärmequelle Luft kann in Punkto Leistungszahl und Zuverlässigkeit der Gerätetechnik nicht mit der Wärmequelle Erdwärme verglichen werden. Durch die möglichen niedrigen Außentemperaturen bei der die Wärmepumpe noch betrieben wird, ist das Temperaturniveau der Außenluft mit -15°C wesentlich niedriger, als die Erde, die ab einer Tiefe von

15 m, eine konstante Temperatur von 10°C aufweist. Die aufgebrachte Leistung um die Wärmeenergie auf ein nutzbares Wärmeniveau zu bringen, ist bei der Luft/ Wasser- Wärmepumpe höher, als bei der Erd/ Wasser- Wärmepumpe.

Andererseits ist die Atmosphäre überall verfügbar und ohne jede Genehmigung nutzbar.

Eine einwandfreie Funktion kann auch unter -15°C gewährleistet werden, da die in vielen Luft/ Wasser- Wärmepumpen integrierten Abtauer, die Wärmetauscherfläche eisfrei halten.

Bei der Nutzung der Atmosphäre als Wärmequelle wird die Außenluft mittels Ventilator durch den Verdampfer der Wärmepumpe geblasen.

Abbildung 1: Schema einer Wärmepumpenanlage mit Luft als Wärmequelle

Durch die vorbeiströmende Luft erfolgt ein Wärmeaustausch mit dem Kältemittel.

Um die Wärmepumpenanlage den Örtlichkeiten anzupassen gibt es verschiedene Bauformen. Man unterscheidet Komplettanlagen und Splitgeräte. Komplettanlagen können außer- und innerhalb des Gebäudes installiert werden.

Bei Split- Anlage wird die Wärmepumpe von dem Verdampfer getrennt aufgestellt.

Bei der Aufstellung des Verdampfers oder der ganzen Wärmepumpenanlage ist auf die Geräuschbelästigung zu achten.

Wärmequelle Wasser

Wasser/ Wasser- Wärmepumpe nutzen den Wärmeinhalt des Grundwassers, bestimmter Oberflächengewässer oder von Kühlwasser.

Mit der Wärmequelle Grundwasser erreicht die Wärmepumpen die höchste Leistungszahl im Vergleich zur Erdwärmepumpe oder der Luft/ Wasser- Wärmepumpe. Dadurch, daß das Grundwasser das ganze Jahr hindurch über eine Temperatur von 8- 12°C verfügt, muß die Wärmeenergie nur noch um einige °K auf ein höheres Temperaturniveau gebracht werden, um für die Heizung eingesetzt zu werden.

Oberflächen und Kühlwässer können noch bessere Leistungszahlen erreichen, da sie weitaus höhere Temperaturen als das Grundwasser erreichen können. Ihr Nachteil ist jedoch, daß sie Schwankungen unterliegen und die Pumpe nicht konstant betrieben werden kann.

Vor allem bei größeren Anlagen sollte man die direkte Nutzung von Grundwasser als Möglichkeit ernsthaft prüfen. Bei diesem Verfahren besteht die Wärmequellenanlage aus zwei Brunnen, einem Förderbrunnen und einem Schluckbrunnen.

Abbildung: Schema einer Wärmepumpenanlage mit Grundwasser als Wärmequelle

Das Wasser wird aus dem Förderbrunnen entnommen durch den Verdampfer geleitet und um ca. 4°K abgekühlt in den Schluckbrunnen abgegeben.

Vor Errichtung der Anlage ist eine entsprechende Genehmigung der unteren Wasserbehörde einzuholen.

„Grundsätzlich darf nur Oberflächen nahes Grundwasser genutzt werden. Um die Ergiebigkeit des Förderbrunnens zu prüfen, ist ein 3- tägiger Dauerpumpversuch erforderlich.

Die Wassertemperatur darf 8°C nicht unterschreiten.“[1]

Eine gründliche Wasseranalyse und die Abstimmung auf die zu wählenden korrosionsbeständigen Materialien sind unbedingt erforderlich, um den größt möglichen Schutz vor Betriebsproblemen zu haben.

Einsatzbereich

Die Wärmepumpe wird zur Beheizung von Gebäuden und zur Bereitstellung von Warmwasser eingesetzt. Durch den thermodynamischen Prozeß und der damit verbundenen Leistungszahl sollte die Wärmequelle nicht viel kälter sein als die Wärmesenke. Bei der Heizung mit einer Wärmepumpe, sollte auf eine Flächenheizung zurückgegriffen werden, die mit niedrigen Vorlauftemperaturen von 30- 40°C arbeitet.

Je geringer der Unterschied der Wärmequelle zur Verbrauchstemperatur, desto wirtschaftlicher arbeitet die Wärmepumpe.

Zur Brauchwassererwärmung bietet es sich an, die Wärmequelle aus einem bestehenden Heizungssystem zu ziehen oder die Raumluft als Wärmequelle zu nutzen.

Abbildung: Schema einer Monoeinheit zur Brauchwassererwärmung und Heizung.

Elektroinstallationen

Der Stromverbrauch für Wärmepumpen wird im Allgemeinen mit einem Sondertarif des EVUs abgerechnet.

Bei der Nutzung des Sondertarifes wird ein separater Zähler für die Wärmepumpe eingebaut.

Der Wärmepumpenstromkreis ist von der üblichen Hausinstallation zu trennen.

 

Zählerschrank für ein 6 Familienhaus mit
Erdwärme in KfW Effizienzhaus 70
Bauweise nach EnEV 2014
Bild: zwo ARCHITEKTEN - schulte und schmied
- planen und bauen - www.zwo-architekten.de

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