Wärmepumpe
Das Grundprinzip
Eine Wärmepumpe arbeitet nach demselben physikalischen Prinzip wie ein Kühlschrank, allerdings in umgekehrter Richtung: Statt Wärme aus einem Innenraum nach außen abzugeben, entzieht sie der Umwelt Wärme und macht diese für die Beheizung eines Gebäudes nutzbar.
Das Besondere dabei ist, dass auch Wärmequellen mit niedrigen Temperaturen genutzt werden können. Selbst bei Außentemperaturen von 0 °C oder darunter enthält die Umgebung noch nutzbare Wärmeenergie.
Der Kältemittelkreislauf
Die Wärmepumpe nutzt ein spezielles Kältemittel, das bereits bei sehr niedrigen Temperaturen verdampft.
1. Wärmeaufnahme (Verdampfer)
Das flüssige Kältemittel nimmt Wärme aus der Umgebung auf. Diese Wärme kann aus:
- der Außenluft
- dem Erdreich
- dem Grundwasser stammen.
Durch die aufgenommene Wärme verdampft das Kältemittel und geht vom flüssigen in den gasförmigen Zustand über.
2. Verdichtung (Kompressor)
Der gasförmige Kältemitteldampf wird anschließend durch einen Verdichter (Kompressor) komprimiert.
Dabei gilt ein wichtiger physikalischer Zusammenhang:
- Wird ein Gas verdichtet, steigen Druck und Temperatur.
- Durch die Verdichtung kann die Temperatur des Kältemittels von wenigen Grad Celsius auf Temperaturen von 50 bis 70 °C oder teilweise sogar noch höher angehoben werden.
- Dadurch kann aus einer ursprünglich niedrigen Umweltwärme eine für Heizungsanlagen nutzbare Temperatur erzeugt werden.
3. Wärmeabgabe (Kondensator)
Das nun heiße Kältemittel gibt seine Wärme an das Heizsystem des Gebäudes ab.
Diese Wärme wird für:
- Heizkörper
- Fußbodenheizungen
- Wandheizungen
- Warmwasserbereitung genutzt.
Während der Wärmeabgabe kondensiert das Kältemittel wieder und wird flüssig.
4. Entspannung
Über ein Expansionsventil wird der Druck des Kältemittels wieder abgesenkt.
Dadurch sinken Temperatur und Druck, sodass der Kreislauf erneut beginnen kann.
Wärmepumpen können entweder als Monoblock- oder Split-Wärmepumpe aufgebaut sein.
Monoblock-Wärmepumpe
Bei einer Monoblock-Wärmepumpe befinden sich alle Komponenten des Kältemittelkreislaufs in einem einzigen Gerät.
Dieses kann entweder:
- außerhalb des Gebäudes aufgestellt werden oder
- innerhalb des Gebäudes stehen.
Zwischen Wärmepumpe und Heizsystem werden lediglich Wasserleitungen geführt.
Vorteile:
- kein zertifizierter Kältefachbetrieb für die Installation erforderlich
- Geringerer Installationsaufwand
- Weniger kältemittelführende Leitungen
- Wartung oft einfacher
- Innenaufstellung verhindert Schallemissionen zu Nachbarn und hat einen besseren Witterungsschutz
Nachteile:
- Bei Außenaufstellung
- Größere Wasserleitungen nach außen erforderlich
- Frostschutzmaßnahmen notwendig
- Teilweise geringere Flexibilität bei der Aufstellung
- Schallemissionen
- Bei Innenaufstellung
- Ab- und Zuluftleitungen (nicht nebeneinander) bei Innenaufstellung
- entsprechender Platzbedarf notwendig
- Schallentwicklung im Gebäude
Split-Wärmepumpe
Bei der Split-Wärmepumpe wird das System in zwei Einheiten aufgeteilt:
Außeneinheit: Verdampfer, Ventilator, teilweise Verdichter
Inneneinheit: Kondensator, Hydraulikmodul, Warmwasserspeicher (optional)
Zwischen beiden Einheiten verlaufen Kältemittelleitungen.
Vorteile:
- Kompakte Inneneinheit
- Geringere Gefahr von Frostschäden
- Oft flexible Aufstellung möglich
- Teilweise etwas höhere Effizienz
Nachteile:
- Installation durch zertifizierten Kältefachbetrieb erforderlich
- Höhere Anforderungen an Dichtheit und Wartung
- Kältemittelleitungen müssen fachgerecht verlegt werden
Luft-Wasser-Wärmepumpe
Die Luft-Wasser-Wärmepumpe entzieht der Außenluft Wärme.
Vorteile:
- Geringste Investitionskosten
- Keine Erdarbeiten erforderlich
- Einfache und schnelle Installation
- Für die meisten Bestandsgebäude geeignet
Nachteile:
- Wirkungsgrad abhängig von der Außentemperatur
- Höherer Stromverbrauch im Winter
- Geräuschentwicklung durch Ventilator
- Vereisung möglich
Typische Anwendung:
- Einfamilienhäuser
- Sanierungen
- Gebäude ohne ausreichend Grundstücksfläche
Sole-Wasser-Wärmepumpe
Hier wird Wärme aus dem Erdreich gewonnen. Die Wärmeaufnahme erfolgt über:
- Flächenkollektoren
- Grabenkollektoren
- Erdsonden
Vorteile:
- Sehr konstante Quellentemperaturen
- Hohe Jahresarbeitszahl
- Niedrige Betriebskosten
- Keine Geräusche durch Außenventilator
Nachteile:
- Höhere Investitionskosten
- Erdarbeiten notwendig
- Bohrungen teilweise genehmigungspflichtig
- Größerer Planungsaufwand
Typische Anwendung:
- Neubauten
- umfassende Sanierungen
- Grundstücke mit ausreichend Fläche oder Bohrmöglichkeit
Wasser-Wasser-Wärmepumpe
Hier dient das Grundwasser als Wärmequelle.
Grundwasser besitzt über das ganze Jahr relativ konstante Temperaturen zwischen etwa 8 und 12 °C.
Vorteile:
- Höchste Effizienz aller Wärmepumpensysteme
- Sehr niedrige Betriebskosten
- Konstante Leistung auch im Winter
Nachteile:
- Höchste Investitionskosten
- Genehmigungspflichtig
- Brunnenbau erforderlich
- Grundwasserqualität muss geeignet sein
- Standortabhängig
Typische Anwendung:
- Gebäude mit geeigneten hydrogeologischen Bedingungen
- größere Wohn- und Gewerbegebäude
Zusammenfassung
Die Wärmepumpe nutzt Umweltwärme aus Luft, Erdreich oder Grundwasser und hebt deren Temperaturniveau mithilfe eines Kältemittelkreislaufs an. Entscheidend ist dabei die Temperaturerhöhung durch die Verdichtung des gasförmigen Kältemittels.
Kostengünstigste Lösung: Luft-Wasser-Wärmepumpe
Bester Kompromiss aus Effizienz und Wirtschaftlichkeit: Sole-Wasser-Wärmepumpe
Höchste Effizienz: Wasser-Wasser-Wärmepumpe
Einfachste Installation: Monoblock
Flexibelste Bauweise: Split-Wärmepumpe
Für die meisten Sanierungen im Bestand ist heute die Luft-Wasser-Wärmepumpe die wirtschaftlichste Lösung. Bei Neubauten oder größeren Sanierungen können Erd- oder Grundwasserwärmepumpen durch ihre höhere Effizienz langfristig jedoch die besseren Betriebskosten erreichen.