Wärmepumpen

Funktionsprinzip

Man kann die Quellen zur Energiegewinnung mit einer Wärmepumpe in folgende Bereiche einteilen:

• Luft
• Erdreich
• Grundwasser

Die Grafik rechts zeigt das Funktionsprinzip einer Wärmepumpe.

Luftwärmepumpe

Bei der Luftwärmepumpe wird Umgebungsluft mit Hilfe eines Ventilators durch den Wärmetauscher (Verdampfer) geführt. Ein Kältemittel wird dadurch gasförmig und über einen Kompressor mechanisch verdichtet. Dies setzt Wärme frei, die an das Heizsystem abgegeben wird. Das Kältemittel wird wieder flüssig und über ein Druckreduzierventil zurück zum Verdampfer befördert. Bei diesem Vorgang wird der Umgebungsluft Verdampfungswärme entzogen, der durchschnittliche Volumenstrom für ein Einfamilienhaus beträgt 2000m³ bis 4000m³ Luft pro Stunde.

Der daraus resultierende Wärmegewinn ist abhängig von:

• Lufttemperatur
• Luftvolumenstrom
• Temperaturdifferenz der Luft vor und nach dem Verdampfer
• Konstruktion der Wärmepumpe z.B.: Anordnung der Luftansaugöffnung

In den Monaten von Oktober bis März ist die Energieausbeute geringer, bei monoenergetischem Betrieb wird ein Heizstab zur Wärmepumpe zugeschaltet, um mit zu heizen bzw. den Verdichter zu enteisen. Bei bedarfsgerecht ausgelegten Anlagen ist die Zuschaltung mit wenig Zusatzenergie zu beziffern.

Erdreich-Wärmepumpe

Es gibt verschiedene Varianten das Erdreich als Wärmequelle zu nutzen:

• Erdreichkollektoren mit horizontal verlegten Wärmeaustauschrohren
• Grabenkollektoren mit in schrägen Wänden eines Grabens verlegten Wärmeaustauschrohren
• Vertikal in der Erde liegende Erdwärmesonden

Bei der Wärmequelle des Erdreichs wird hauptsächlich die gespeicherte Sonnenenergie in der Erde genutzt, diese wird dem Erdreich entzogen. Mit PE-Rohr gelegte Kollektoren mit einem DN20er Durchmesser, einem Verlegeabstand von 10 bis 20cm und einer Verlegetiefe von 1,2m – 1,5m wird in einem geschlossenem Solekreislauf dem Erdreich die Wärme entzogen. Es ist dabei darauf zu achten, dass dem Erdreich nicht mehr als 20W/m² entzogen wird, um Vegetationsstörungen und Dauerfrost sowie Frosterhebungen zu vermeiden. Das Erdreich als Wärmequelle ist genau zu planen, da durch Vegetation und schwankende Wetterbedingungen Leistungsschwankungen einzurechnen sind.

Erdsonden werden durch eine oder mehrere Bohrungen bis zu 100m Tiefe je Sonde eingebracht. In dieser Sonde zirkuliert die Sole, mit der die Tiefenwärme genutzt wird. Es handelt sich um eine sehr stabile Wärmequelle.

Grundwasser

Grundwasser hat durch eine konstante Temperatur von 7° – 12°C die optimalen Eigenschaften als konstanter Wärmelieferant. Diese Anlagen bestehen aus einem Förder- und einem Schluckbrunnen. Über den Schluckbrunnen wird das abgekühlte Wasser wieder dem Boden zugeführt. Für ein Einfamilienhaus werden 1 bis 2m³ Wasser die Stunde benötigt. Ein Schluckbrunnen muss mind. 15-30m entfernt vom Saugbrunnen vorhanden sein und zwar in Fließrichtung. Es ist darauf zu achten, dass Menge und Temperatur des zurückgeführten Wassers überwacht werden kann.

Betriebsarten der Wärmepumpe

Es gibt fünf verschiedene Betriebsarten bei einer Wärmepumpe:

• Monovalent
  Die Wärmepumpe dient als alleiniger Wärmeerzeuger
• Monoergetisch
  Beim monoergetischen Betrieb wird der Restwärmebedarf bei tiefen Außentemperaturen durch einen Elektroheizstab im Pufferspeicher gedeckt.
• Bivalent
  Im bivalenten System wird ein zweiter unabhängiger Wärmeerzeuger genutzt und im Wechselbetrieb betrieben, um den Restwärmebedarf zu decken.
• Bivalent-parallel
  Erfolgt die Bivalente jedoch gleichzeitig, um den Wärmebedarf zu decken, nennt man dieses eine bivalent-parallel Betriebsweise.
• Multivalent
  Bei dieser Variante werden drei oder mehrere Wärmeerzeuger genutzt.