Wärmepumpen

Prinzip einer Wärmepumpe:

Die Wärmepumpe wandelt Wärme niedriger Temperatur in Wärme hoher Temperatur um. Auch im Winter bei weit unter 0°C geschieht dies in einem geschlossenen Kreisprozess durch ständiges Ändern des Aggregatzustandes des Arbeitsmittels (Verdampfen, Komprimieren, Verflüssigen, Expandieren). Nach dem selben Prinzip entzieht auch ein Kühlschrank seinem Inneren die Wärme und gibt diese dann nach Aussen ab. Die Wärmepumpe entzieht der Umgebung des Hauses - Erdreich, Wasser oder Luft - gespeicherte Sonnenwärme und gibt diese plus der Antriebsenergie in Form von Wärme an den Heiz- und Warmwasserkreislauf ab.

Auswahl einer Wärmequelle:
Ein Wärmepumpen-Heizsystem besteht aus einer Wärmequelle (Wasser, Erdwärme oder Luft), der Wärmepumpe und der Wärmenutzungsanlage (z.B. Fussbodenheizung).

Tipp: Die Wärmequelle mit dem höchsten Temperaturniveau bringt die höchst mögliche Leistungszahl und damit niedrigste Heizkosten.

Wärmequelle Wasser:

Ist Grundwasser in vertretbarer Tiefe und Temperatur vorhanden, so erreicht man damit die höchsten Jahresarbeitszahlen (bewilligungspflichtig Landratsamt). Eine konstante Temperatur von +8°C bis +12°C garantiert einen optimalen Heizbetrieb. Das Grundwasser wird vom Förderbrunnen zur Wärmepumpe und von dort zum 15 Meter entfernten Sickerbrunnen geführt. Scheidet Grundwasser aus, bietet sich die Wärmequelle Erdreich an.

Wärmequelle Erdwärme:
Erdwärme ist zu 98% gespeicherte Sonnenenergie. Die Erdtemperatur hält auch an sehr kalten Wintertagen das nötige Niveau für einen wirtschaftlich optimalen Betrieb. Es werden sogenannte Erdkollektoren im Erdreich verlegt, über die die Wärme aufgenommen wird. In diesen Erdkollektoren zirkuliert das Wärmeträgermedium, welches die Wärme aufnimmt und zur Wärmepumpe weiterleitet. Je nach Wärmeträgermedium im Erdkollektor unterscheidet man zwischen den Betriebsarten Sole und Direkterwärmung.

	Bei der Direkterwärmung zirkuliert das Arbeitsmittel der Wärmepumpe (R 407C) selbst als Wärmeträgermedium im Erdkollektor. Zwischenwärmetauscher und Soleumwälzpumpe entfallen.
	Bei der Sole-Variante zirkuliert als Wärmeträgermedium Sole, welche die Wärme aufnimmt und zur Wärmepumpe leitet. Die Erdkollektoren können dabei auf verschiedene Arten verlegt werden: - Bei ausreichend Platz (Gartenfläche) sind Flachkollektoren die preisgünstigste Lösung. (Verlegefläche bei Neubauten ist ca. das 1,2- bis 1,5-fache der zu beheizenden Fläche.) - Bei weniger Platz bieten sich spiralförmige Künettenkollektoren oder Erdsonden (Tiefenbohrungen) an. Die verschieden Varianten sind teilweise melde- oder auch bewilligungspflichtig.

Wärmequelle Luft:
Scheiden Grundwasser und Erdreich aus, so ist es überall möglich die Außenluft als Wärmequelle heranzuziehen. Besonders geeignet auch für die Nachrüstung oder bivalent betriebene Anlagen.

Durch die in der Wärmepumpe integrierte Abtaueinrichtung ist eine einwandfreie Funktion bis unter -18°C gegeben. OCHSNER empfiehlt dabei die Verwendung von Split-Geräten: Aufstellung der Wärmepumpe geschützt im Haus und Aufstellung des Verdampfers verlustfrei im Freien. Vorteile: keine Luftkanäle, sehr ruhig, lange Lebensdauer und wirtschaftlicher.

Der Wärmepumpenkreislauf:
Der wesentliche Prozess der Wärmepumpe besteht darin, dass ein Arbeitsmittel (Kältemittel) in einem ständigen Kreislauf seinen Aggregatzustand (flüssig bzw. gasförmig) ändert und Wärme aufnimmt bzw. abgibt.  Der Wärmepumpen-Kreisprozess folgt im wesentlichen dem Carnot-Prozess.

Die Grafik zeigt den Prozess einer Wärmepumpe:

1. Verdampfen
In einem Wärmetauscher nimmt das flüssige Kältemittel Energie von der Wärmequelle Wasser, Erde oder Luft auf und verdampft mit zunehmender Temperatur.

2. Verdichten
In einem Kompressor wird unter Zufuhr elektrischer Energie das nun dampfförmige, aber noch kalte Kältemittel verdichtet und dadurch erhitzt. Das Kältemittel verlässt als sogenanntes Heißgas den Verdichter.

3. Verflüssigen/Kondensieren
Das Heißgas gelangt nun in den Verflüssiger, gibt Energie an das Heizsystem ab, kondensiert und verlässt als warmes, flüssiges Kältemittel den Kondensator. Das Heiz- oder Warmwasser wird dadurch auf die gewünschte Temperatur erhitzt.

4. Entspannen
Das warme, flüssige Kältemittel wird zum Expansionsventil transportiert. Im Expansionsventil wird der Druck schlagartig gesenkt. Die Temperatur des Kältemittels nimmt dadurch ohne Abgabe von Energie ebenfalls schlagartig ab. Das kalte, flüssige Kältemittel wird dem Verdampfer zugeführt und der Kreislauf beginnt von neuem.

Die Wärmepumpen-Heizanlage:
Die Wärmepumpen-Heizanlage besteht aus einer Wärmequellenanlage (WQA), der Wärmepumpe (WP) und der Wärmenutzungsanlage (WNA).

Abb.: Wärmepumpen-Heizanlage

Alle Anlagenteile müssen optimal aufeinander abgestimmt sein, um einen  einwandfreien Betrieb und hohe Leistungszahlen (Jahresarbeitszahl) zu gewährleisten.

Die Hauptdaten sind im Anlagen-Datenblatt festzuhalten, und die Anlage ist gemäß dem OCHSNER-Qualitätssicherungs-Standard entsprechend zu dokumentieren.

Folgende Betriebsweisen sind möglich:

• Monovalent
  Die Wärmepumpe ist alleiniger Wärmeerzeuger. Die Wärmepumpe deckt jederzeit 100 % des Wärmebedarfes. Geeignet für Vorlauftemperaturen von max. 55 °C bzw. 65 °C bei Typenreihe »plus«. Anlagen mit Wärmequelle Erdreich oder Wasser werden monovalent betrieben.
• Bivalent-Parallel (WP + Zusatzheizung)
  [Erfolgt die Zusatzheizung über einen E-Heizstab, spricht man von monoenergetisch.]
  Die Wärmepumpe heizt bis zum Zuschaltpunkt allein. Nach dem Zuschaltpunkt heizt sie gemeinsam mit dem Kessel oder E-Heizstab. Max. Vorlauftemperatur: 65 °C. Hauptsächlich bei Neuanlagen mit Wärmequelle Luft oder Umrüstung bei Altbausanierung.
• Bivalent-Alternativ (WP oder Zusatzheizung)
  Die Wärmepumpe heizt bis zum Umschaltpunkt allein. Nach dem Umschaltpunkt heizt der Kessel allein. Für Vorkauftemperaturen bis 90°C geeignet. Hauptsächlich verwendet bei Nachrüstungen.
  
  Beispiel: Bei einem Zuschaltpunkt von 0 ºC leistet die Luft/Wasser-Wärmepumpe selbst bei tiefster Außentemperatur von - 16 ºC noch beachtliche 88 % der Jahresheizarbeit.

Je tiefer der Zuschaltpunkt des zweiten Wärmeerzeugers liegt, desto höher ist der Anteil der Wärmepumpe an der Jahresheizarbeit. Die Jahresheizarbeit ist außerdem von der Klimazone und der Betriebsweise abhängig.