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Wärmepumpe

Wärmepumpe: Funktionsweise, Typen und Kosten

Die Wärmepumpe ist eine Maschine, die die Energie der Luft, des Bodens oder des Grundwassers nutzt und in thermische Energie umwandelt. Erfahren Sie, wie sie funktioniert.

Die Wärmepumpe ist eine Maschine, die durch verschiedene Formen von Energie in der Lage ist, thermische Energie zu extrahieren und zu übertragen. Die Auswahl hängt von den klimatischen Bedingungen des Installationsorts, den typologischen Merkmalen des Gebäudes und den Nutzungsbedingungen ab.

Lassen Sie uns im Detail betrachten, was sie ist, wie sie funktioniert, die verschiedenen Typen und die Kosten.

Was ist eine Wärmepumpe?

Die Wärmepumpe ist eine Wärmekraftmaschine, die durch technische Arbeit thermische Energie aus einem Reservoir mit niedrigerer Temperatur (in der Regel ist das die Umgebung) aufnimmt und als Nutzwärme mit höherer Temperatur auf ein zu beheizendes System überträgt. Oft wird nur das Konzept der Wärmepumpe für Trinkwassererwärmung in Betracht gezogen, aber tatsächlich kann diese Maschine mehr. Neben der Heizung und der Bereitstellung von Warmwasser gewährleistet sie auch die Kühlung.

Wärmepumpe: Wie funktioniert sie?

Das Funktionsprinzip basiert auf dem Joule-Thomson-Effekt eines sehr kalten, aber bei niedrigen Temperaturen verdampfenden Kältemittels. Dieses Kältemittel ermöglicht es der Wärmepumpe durch Kompressions- und Expansionszyklen, Wärme an das Trinkwasser zu übertragen.

Um den Raum zu heizen, extrahiert die Wärmepumpe die Wärme aus einer natürlichen Quelle (wie Luft, Wasser oder Erde), erhöht sie auf die gewünschte Temperatur und transportiert sie ins Gebäude, wo sie durch Fußbodenheizungen oder Endgeräte wie Heizkörper oder Lüftungsgeräte abgestrahlt wird.

Im Wesentlichen ähnelt dies einem, jedoch entgegengesetzten, Prinzip des Kühlschranks: Die Wärme wird von innen nach außen abgegeben, während die Wärmepumpe sie von außen einfängt und, nachdem sie sie auf die gewünschte Temperatur gebracht hat, ins Innere einspeist. Um den Raum zu kühlen, wird die Wärme dagegen aus der Luft im Inneren des Gebäudes extrahiert und ähnlich wie beim Kühlschrank ausgestoßen.

Die äußere Quelle, aus der die Wärme extrahiert wird, wird als kalte Quelle bezeichnet. Das Kältemittel wird über das Expansionsventil eingespritzt; es verdampft und wird im letzten Teil der Verdampferrohre geringfügig überhitzt.

Die kalte Quellen sind:

  • die Luft außerhalb des Raumes, in dem die Wärmepumpe installiert ist oder aus dem Raum, in dem die Wärmepumpe installiert ist;
  • Grundwasser, Flusswasser, Seewasser, wenn es in der Nähe der zu beheizenden Räume und in geringer Tiefe vorhanden ist.

Andere Quellen können in Reservoirs gespeichertes und durch Sonneneinstrahlung erwärmtes Wasser und der Boden sein, in den die Rohre des Verdampfers eingeführt werden.

Die zu heizende Luft oder das zu heizende Wasser werden als Wärmequelle bezeichnet. Im Kondensator gibt das Kältemittel an die Wärmequelle sowohl die aus der kalten Quelle entnommene Wärme als auch die Energie ab, die vom Kompressor geliefert wird.

Wie ist eine Wärmepumpe aufgebaut: Komponenten

Die Wärmepumpe besteht aus einem geschlossenen Kreislauf, durch den ein spezielles Fluid (Kältemittel) fließt, das je nach den Temperatur- und Druckbedingungen, in denen es sich befindet, den Zustand von Flüssigkeit oder Dampf annimmt.

Der geschlossene Kreislauf besteht aus:

  • einem Kompressor;
  • einem Kondensator;
  • einem Expansionsventil;
  • einem Verdampfer.

Der Kondensator und der Verdampfer bestehen aus Wärmetauschern, das heißt, Rohren, die mit einem Betriebsfluid (Wasser oder Luft) in Kontakt stehen, in denen das Kältemittel fließt.

Dieses gibt Wärme an den Kondensator ab und entzieht sie dem Verdampfer. Die Komponenten des Kreislaufs können entweder in einem einzigen Block gruppiert oder in zwei Teile (Split-Systeme) aufgeteilt sein, die durch Rohre verbunden sind, in denen das Kältemittel zirkuliert.

Im Betrieb durchläuft das Kältemittel im Kreislauf die folgenden in 4 Phasen unterteilten Transformationsprozesse:

  • Phase 1 – Kompression: Das Kältemittel im gasförmigen Zustand und bei niedrigem Druck, das aus dem Verdampfer stammt, wird auf hohen Druck gebracht; dabei erwärmt es sich und nimmt eine bestimmte Menge Wärme auf;
  • Phase 2 – Kondensation: Das Kältemittel, das aus dem Kompressor stammt, geht vom gasförmigen in den flüssigen Zustand über und gibt Wärme nach außen ab;
  • Phase 3 – Expansion: Durch das Expansionsventil hindurch, verwandelt sich das flüssige Kältemittel teilweise in Dampf und kühlt ab;
  • Phase 4 – Verdampfung: Das Kältemittel nimmt Wärme von außen auf und verdampft vollständig.

Die Kombination dieser Transformationen bildet den Zyklus der Wärmepumpe: Indem sie dem Kältemittel im Verdampfer Energie mit dem Kompressor zuführt, nimmt es im Verdampfer Wärme aus der Umgebung auf und gibt sie über den Kondensator an das zu beheizende Medium ab.

Funktionsprinzip

Im Folgenden finden Sie ein Schema, das Ihnen die Funktionsweise einer Wärmepumpe erläutert. In der folgenden Abbildung sind die wichtigsten Komponenten dargestellt.

Man startet mit einer Wärmequelle (Luft, Erde, Wasser), die über den Verdampfer Wärme an das Kältemittel abgibt, das verdampft. Anschließend durchläuft man den Kompressor, der das Kältemittel verdichtet und dabei die Temperatur erhöht. Man gelangt zum Kondensator, in dem die heißen Gase Wärme an das Wasser des Heizsystems abgeben und kondensieren. Die Flüssigkeit durchläuft dann das Expansionsventil, wo sie expandiert und dabei ihre Temperatur reduziert.

Wärmepumpen diagramm

Funktionsprinzip einer Wärmepumpe

Arten von Wärmepumpen

Es gibt verschiedene Arten von Wärmepumpen, deren Funktionsweise auf denselben Prinzipien basiert. Wärmepumpen lassen sich grundsätzlich in zwei Hauptkategorien unterteilen:

  • monovalente Wärmepumpen: unabhängig von anderen Wärmeerzeugern;
  • bivalente Wärmepumpen: die sich mit anderen Wärmeerzeugern integrieren und besonders in Gebieten mit starkem Temperaturabfall geeignet sind.

Abhängig vom Wärmeträger, mit dem sie Wärme austauschen, werden Wärmepumpen in 4 Haupttypen eingeteilt, wobei die kalte Quelle (Verdampfer) zuerst und die warme Quelle (Kondensator) danach angegeben werden:

  • Luft-Wasser-Wärmepumpe: Sie heizt und kühlt. Sie funktioniert, indem sie Wärme durch den Austausch von Wärme mit der Außenluft erzeugt und sie in einem Zyklus nutzt, um Wärme von einem kälteren zu einem wärmeren Medium zu übertragen, nämlich dem Trinkwasser oder dem Heizungssystem;
  • Luft-Luft-Wärmepumpe: Sie besteht aus mindestens zwei Einheiten (eine davon extern) und ist mit Split und Luftkanalsystem ausgestattet. Beispiele für Luft-Luft-Wärmepumpen sind Klimaanlagen;
  • Wasser-Wasser-Wärmepumpe: Sie verwendet Wasser sowohl als kalte als auch als warme Quelle. In beiden Fällen erfolgt der Wärmeaustausch im Verdampfer und im Kondensator zwischen dem Kältemittel und dem Wasser.
  • Erde-Wasser-Wärmepumpe (geothermische Wärmepumpe): Sie heizt das Wasser, indem sie die im Boden vorhandene Wärme nutzt und sie durch eine geothermische Sonde einfängt. Diese Art von Maschine hat einen hohen Energieeinsparung, besonders wenn sie mit Niedertemperatur-Heizsystemen kombiniert wird. Andererseits erfordert sie viel Aufmerksamkeit bei der Wartung.

Monoblock- und Splitwärmepumpe: Unterschiede

Wärmepumpen werden in zwei Bauarten angeboten: das Monoblock- und das Splitwärmepumpe, je nachdem, wo der Energieaustausch zwischen der aus der Außenluft zurückgewonnenen Energie und der im Heizungssystem zirkulierenden Flüssigkeit stattfindet.

Im Split-System erfolgt der Energieübertrag in einem Gas-Wasser-Wärmeaustauscher in einem Gehäuse, das von der externen Einheit getrennt ist, die die Wärme aus der Luft aufgenommen hat. Dieser Wärmetauscher wird normalerweise im Inneren des Gebäudes platziert und befindet sich in einem Modul, das vom Volumen her einem Heizkessel ähnelt.

Im Monoblock-System hingegen ist der Wärmetauscher in der externen Einheit selbst enthalten, was ein Ganzes schafft.

Die Hauptunterschiede zwischen den beiden Systemen liegen darin, dass bei der Monoblock-Wärmepumpe alle Komponenten zusammengefasst sind, während sie bei der Split-Wärmepumpe auf zwei getrennte Einheiten verteilt sind, einer internen und einer externen.

Monoblock- und Split-Wärmepumpe

Monoblock- und Splitwärmepumpe

Effizienz und Leistung einer Wärmepumpe

Während ihres Betriebs verbraucht die Wärmepumpe:

  • elektrische Energie im Kompressor;
  • absorbiert Wärme im Verdampfer aus der Umgebung, sei es Luft oder Wasser;
  • gibt Wärme an das zu beheizende System im Kondensator ab, sei es Luft oder Wasser.

Der Vorteil der Verwendung einer Wärmepumpe liegt in ihrer Fähigkeit, mehr Energie (Wärme) bereitzustellen als die für ihren Betrieb verwendete elektrische Energie, da sie Wärme aus der Außenumgebung (Luft-Wasser) extrahiert.

Wärmepumpen sind die ideale Lösung, um den Verbrauch und die CO2-Emissionen zu reduzieren und somit das Ökosystem unseres Planeten zu schützen. Sie sind beispielsweise ein zentrales und unverzichtbares System für NZEB-Gebäude. Die Effizienz einer Wärmepumpe wird durch den Leistungszahl (LZ, englisch coefficient of performance, kurz COP) gemessen, der das Verhältnis von bereitgestellter Energie (Wärme, die an das zu beheizende System abgegeben wird) zu verbrauchter elektrischer Energie darstellt.

Der COP variiert je nach Art der Wärmepumpen und Betriebsbedingungen und hat in der Regel Werte in der Nähe von 3. Das bedeutet, dass sie für 1 kWh verbrauchte elektrische Energie 3 kWh (2580 kcal) Wärme an das zu beheizende Gerät abgibt.

Der COP wird umso größer sein, je niedriger die Temperatur ist, bei der die Wärme abgegeben wird (im Kondensator), und je höher die Temperatur der Quelle ist, aus der sie aufgenommen wird (im Verdampfer).

Außerdem ist zu berücksichtigen, dass die von der Wärmepumpe abgegebene thermische Leistung von der Temperatur abhängt, bei der sie Wärme aufnimmt.

Wie funktioniert eine Wärmepumpe für die Kühlung?

Die Wärmepumpe kann auch die Kühlungsfunktion übernehmen. Die grundlegende Voraussetzung ist, dass die Wärmepumpe reversibel konzipiert ist, d. h. dass der thermodynamische Prozess der Einheit umgekehrt werden kann.

In diesem Fall entzieht die Wärmepumpe den Räumen Wärme und überträgt sie über den zuvor beschriebenen Prozesskreislauf an die Umgebung (Luft, Erde oder Wasser).

Es gibt zwei verfügbare Optionen für die Kühlung:

  • aktive Kühlung: erfordert zusätzliche elektrische Energie, um den Kompressor zu aktivieren. Obwohl dies zusätzliche Kosten verursacht, bietet es eine höhere Kühlleistung im Vergleich zur passiven Kühlung. Diese Methode wird oft bei Luft-Wasser-Wärmepumpen eingesetzt;
  • passive Kühlung: ist energetisch effizienter, kann jedoch nur bei Wärmepumpen mit Glykolwasser-Wasser oder Wasser-Wasser eingesetzt werden. In diesem Fall ist die Wärmepumpe nicht vollständig aktiv, und die Wärme des Gebäudes wird nur über die Umwälzpumpe an die Energiequelle übertragen.

Wie funktioniert eine Wärmepumpe im Winter?

Über die Nutzung der Umgebungswärme im Winter zu sprechen, mag ein ungewöhnliches Konzept erscheinen. Solange jedoch die Temperatur der Wärmequelle (Luft, Erde oder Wasser) über dem Siedepunkt des Kältemittels liegt, das die thermische Energie überträgt, ist es möglich, die Umgebungswärme effizient für Heizung und Warmwasserbereitung zu nutzen.

Da der Siedepunkt der üblicherweise verwendeten Kältemittel zwischen maximal -57°C und minimal -12°C Celsius liegt, ist der Betrieb des Heizsystems auch im Winter zuverlässig gewährleistet.

Wenn das System seine Grenze an besonders kalten Tagen erreichen sollte, wird ein zusätzliches elektrisches Heizelement aktiviert, um die Sicherheit zu gewährleisten.

Die Effizienz einer Wärmepumpe im Winter hängt von ihrer Konstruktion ab. Die Temperaturschwankungen der Energiequellen für Salz/Wasser- (Geothermie) und Wasser/Wasser- (Grundwasser) Wärmepumpen sind deutlich geringer als bei Luft/Wasser-Wärmepumpen. Im Erdreich bleibt die Temperatur ab einer Tiefe von 10 Metern das ganze Jahr über um mindestens 10 °C.

Was sind die Vorteile einer Wärmepumpe?

Die wichtigsten Vorteile der Verwendung einer Wärmepumpe für Heizung und Warmwasserbereitung sind mit den erneuerbaren und kostenlosen Energiequellen verbunden, aus denen die Wärmepumpe die Wärme für Gebäude entnimmt.

Weitere Vorteile sind:

  • erhebliche Einsparungen bei den Energierechnungen;
  • geringe Wartungskosten;
  • geringe Umweltauswirkungen;
  • Zugang zu steuerlichen Anreizen.

Die Nachteile von Wärmepumpen sind hauptsächlich mit den Installationskosten und dem Platzbedarf verbunden. Statt von Nachteilen, sollte man jedoch von Überlegungen bei der Auswahl der Modelle sprechen.

 

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