Es gibt unterschiedlichste Funktionsprinzipien für Wärmepumpen. Sie nutzen Umweltwärme aus verschiedensten Quellen. Gleichzeitig wird so auch die Umwelt geschont, da keine fossilen Brennstoffe zur Wärmeproduktion genutzt werden.
Zu den verschiedenen, für das Einfamilienhaus passenden Funktionsprinzipien gehören
- Luft-Wasser-Wärmepumpen,
- Sole-Wasser-Wärmepumpen,
- und Wasser-Wasser-Wärmepumpen.
Es gibt auch noch Sonderlösungen wie Warmwasser-und Großwärmepumpen für gewerbliche Anwendungen. Diese werden hier nicht weiter beschrieben.
Das Grundprinzip der Wärmepumpen
Dem jeweiligen Medium / Umweltwärme-Lieferanten (Luft, Sole/Erdwärme, Wasser / Brunnenwasser Wärme) wird die Wärmeenergie entzogen und diese wird über einen im Gerät eingebauten Wärmeübertrager (Verdampfer), in dem ein Kältemittel fließt (das bei niedrigen Temperaturen schon verdampft), dann als Wärme weitergegeben. Die bei der Verdampfung freigesetzte Wärme ist für die Heizung noch zu gering, deswegen wird in einem zweiten Schritt das verdampfte Kältemittel komprimiert. Die Verdichtung sorgt für eine Temperaturerhöhung – das ist bei allen Wärmepumpen gleich. Diese Temperaturerhöhung wird sich im weiteren Prozess zu Nutze gemacht. Der Kältemitteldampf mit der erhöhten Temperatur strömt er weiter zu einem weiteren nächsten Wärmetauscher, Verflüssiger genannt, in diesem wird jetzt die Wärme an das Heizsystem abgegeben und dabei kondensiert der Kältedampf wieder. Im weiteren Prozess gelangt der Kältedampf auf das alte Druck und Temperaturniveau zurück und der Kreislauf kann wiederholt werden. Die so erzeugte Wärme lässt sich zum Heizen oder zur Warmwasserbereitung nutzen. Die Systeme sind zumeist so angeordnet, dass die zur Erschließung der Wärmequelle notwendigen Bauteile – wie z.B. bei einer Luft-Wasser-Wärmepumpe die Wärmetauschereinheit mit Ventilator – außerhalb des Hauses / Heizraumes sind und die Verbindung ins Haus zumeist mit Rohrleitungen durch die Außenwand mittels einer Mauerdurchführung hergestellt wird.
Die Luft-Wasser-Wärmepumpen
Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe saugt über einen Ventilator die Umgebungsluft (draußen) an, so wird der Wärmepumpe die Umgebungswärme der Luft zuführt, dieser Außenluft wird die Wärme entzogen und wird über einen im Gerät eingebauten Wärmeübertrager im Gerät in dem Wärmepumpenprozess, wie oben beschrieben, abgegeben. Sollten die Außentemperaturen deutlich unter Null Grad Celsius liegen, so wird in vielen Systemen ein Elektroheizstab zur Unterstützung eingesetzt, in diesem Moment wird mit Strom direkt geheizt, das erhöht an ganz kalten Tagen die Stromkosten. Die so aus der Außenluft erzeugte Wärme lässt sich zum Heizen oder zur Warmwasserbereitung nutzen.
Es gibt bei Luft-Wasser Wärmepumpen Systemen 2 Varianten. Zum einen eine Luftwärmepumpe als alleiniger Wärmeerzeuger, zum anderen die Kombination mit einem zweiten, zumeist Gas-Brennwertgerät. Diese Kombination nennt man auch Hybrid-Systeme.
Hybrid bedeutet die Vermischung von 2 Technologien für einen Zweck. Hybridsysteme („Misch“-Systeme) sind bei Heizungsanlagen Systeme, die aus mehreren – idealerweise aufeinander abgestimmten Energiequellen (z. B. Wärmepumpe plus Gas-Wärmeerzeuger für Spitzenlastabdeckung) – mit voll integrierter Regelung für beide Systeme bestehen. Die zumeist intelligente Regelung steuert das „Miteinander“ der unterschiedlichen Wärmeerzeuger automatisch, so, dass die Nutzung der regenerativen Energieerzeugung so optimal wie möglich geschieht und die Zusatzenergie aus fossilen Energieträgern minimiert wird. Sprich: So wenig wie möglich Gas eingesetzt wird. Dabei hilft die Erweiterung der Wärmeerzeugungsanlage durch einen Pufferspeicher. Dieser dient zur Speicherung der durch die einzelnen Wärmeerzeuger erzeugten Wärme. So wird sichergestellt, dass immer genügend Wärmeenergie zur Verfügung steht. Im besten Fall wird nur die regenerativ erzeugte Wärme bevorratet.
Was ist ein Wärmepumpen Hybrid System?
Ein Wärmepumpen Hybridsystem ist eine Kombination zweier Wärmeerzeuger – einer Wärmepumpe (im Regelfall Luft-Wasser) und einem Gas Brennwertgerät. Das System besteht generell aus mehreren Bauteilen, die zum einen als integrierte Einheiten (z. B. Brennwertgerät mit integrierter Wärmepumpe) oder zum anderen als getrennte einzelne Baueinheiten (Wärmepumpe plus Brennwertgerät) installiert werden können.
Sole-Wasser-Wärmepumpen
Die Nutzung der Wärme aus dem Erdreich ist auf zwei Arten möglich. Zum einen Erdsonden und zum anderen Erdkollektoren. Bei Erdsonden werden im Regelfall senkrechte Bohrungen im Erdreich vorgenommen, diese gehen zumeist bis in eine Tiefe von 40 bis 100 Metern. In diese Bohrungen werden Rohrleitungen, die mit einer Sole befüllt sind, eingebracht. Entgegen der Bohrungen, die in die Tiefe gehen, werden Erdkollektoren oberflächennah eingesetzt und nehmen ebenfalls über die in den Kollektoren zirkulierende Sole über die Fläche die notwendige Umweltwärme aus der Erde auf, Der Platzbedarf dabei ist größer als bei Bohrungen. So lässt sich die im Erdreich vorhandene, nahezu unerschöpfliche Wärme durch eine Sole Wasser Wärmepumpe für Heizung und Warmwasserbereitung nutzen. Bezüglich der Kosten bei diesen Systemen sind bei der Erschließung einer Erd-Wärmequelle durch Erdsonden Kosten bei einem durchschnittlichen Einfamilienhaus von 6.000 bis 12.000 Euro möglich. Ähnliche Kosten hat auch ein System mit Erdkollektoren.
Beide Systeme haben im Vergleich zu Luft-Wasser-Wärmepumpen in den meisten Fällen höhere Wirkungsgrade. Jedoch ist der Aufwand zur Planung und Erschließung der Wärmequelle einschließlich möglicher behördlichen Genehmigungsprozesse deutlich höher.
Wasser-Wasser-Wärmepumpen
Wasser-Wasser Wärmepumpen nutzen das Grundwasser als Energielieferanten, Das Grundwasser hat das ganze Jahr über eine nahezu konstante Temperaturen von ca. zehn Grad Celsius. Das ist eine ideale Energiequelle für Wärmepumpen. Gleichwohl gilt es einige Dinge wie: Wasserzusammensetzung und die benötigte Wassermenge und gegebenenfalls erforderlicher Wasserschutz zu beachten. Denn Je nach örtlicher Situation kann die zuständige Behörde die Genehmigung für eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe dann verweigern. Die Anfrage, der Antrag muss einige Zeit vor der Entscheidung und Kauf der Anlage erfolgen. Die so aus dem Grundwasser erzeugte Wärme lässt sich zum Heizen oder zur Warmwasserbereitung nutzen. Auch dieses Funktionsprinzip hat im Vergleich zu Luft-Wasser-Wärmepumpen den höhere Wirkungsgrade. Jedoch ist auch hier der Aufwand zur Planung und Erschließung der Wärmequelle einschließlich möglicher behördlichen Genehmigungsprozesse deutlich höher.
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