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Pumpen fürs Klima

Erneuerbare Energien statt fossiler Brennstoffe – auch beim Heizen zu Hause ist das die Zukunft. Dabei spielen Wärmepumpen eine immer größere Rolle. Doch in Leistung, Installationsaufwand und Kosten unterscheiden sie sich stark


Von den 18 Millionen in Deutschland installierten Heizungsanlagen entsprechen nicht einmal 20 Prozent dem aktuellsten Stand der Technik. Ein großes Potenzial für moderne Anlagen, die erneuerbare Energien nutzen. Eine Lösung für energieeffizientes Heizen und Warmwasserbereitung ist die Wärmepumpe. Allerdings eignet sich nicht jede für jeden Hausbauer oder Sanierer. Zwar sind sie vom Prinzip her alle gleich, aber nach Art der Wärmequelle, Leistung und Installationsaufwand unterscheiden sie sich enorm.

Eine Wärmepumpe funktioniert im Prinzip wie ein Kühlschrank: Entzieht das Küchenmöbel Lebensmitteln Wärme und leitet sie ungenutzt ab, entzieht die Wärmepumpe ihrer Umgebung Wärme und gibt sie an ein Heizmedium ab. Dabei nutzt die Pumpe ein Kältemittel mit einem sehr niedrigen Siedepunkt. Das verdampft, sobald es an einer Wärmequelle vorbeifließt, und entzieht ihr Energie. Ein Kompressor verdichtet das nun gasförmige Kältemittel und erhöht so dessen Temperatur. Das hoch temperierte Gas gibt die Wärme schließlich an das Heizungs- oder Brauchwasser ab. Die Energie, die die Wärmepumpe zum Heizen und Warmwasserbereiten im Haus benötigt, entzieht sie zu rund drei Vierteln der natürlichen Wärmequelle. Ein Viertel der Energie verbraucht der Kompressor, meist in Form von Elektrizität.

Die drei Elemente

Wärmepumpen sind „Sonnenkollektoren“ der etwas anderen Art: Sie nutzen die in Grundwasser, Erdreich und Umgebungsluft gespeicherte Sonnenenergie. Nach diesen Wärmequellen lassen sich auch die verschiedenen Typen von Wärmepumpen unterscheiden (wobei das Medium, an das die Pumpe die Wärme abgibt, stets Wasser ist): Wasser-Wasser-Wärmepumpe, Sole-Wasser-Wärmepumpe und Luft-Wasser-Wärmepumpe. Welche Wärmequelle sich für ein spezielles Wärmepumpenprojekt am besten eignet, ist unter anderem davon abhängig, ob modernisiert oder neu gebaut und welche Leitung benötigt wird. Zudem müssen die lokalen Rahmenbedingungen wie beispielsweise die Bodenbeschaffenheit und die Investitionsmöglichkeit betrachtet werden. Denn die unterschiedlichen Quellen lassen sich zum Teil nur über aufwendige Techniken nutzen.

Luft-Wasser-Wärmepumpen sind flexibel, der Erschließungsaufwand ist gering und sie nutzen heute das Energiepotenzial optimal.

Grundwasser hat auch im Winter eine relativ hohe Temperatur – in Deutschland zwischen sieben und zwölf Grad Celsius. Wasser ist zudem aus rein energetischen Gesichtspunkten die beste Wärmequelle. Wasser-Wasser-Wärmepumpen erreichen dadurch enorm hohe Leistungszahlen. Allerdings ist die Erschließung des Grundwassers teuer und genehmigungspflichtig. Insgesamt drei Bohrungen sind dazu nötig: Zunächst muss eine Probebohrung feststellen, ob die geforderten Grenzwerte für die Wasserqualität eingehalten werden. Danach erschließt man einen sogenannten Schluck- und einen Förderbrunnen.

Energetisch gesehen ist auch das Erdreich eine sehr gute Wärmequelle. In einer Tiefe von bis zu eineinhalb Metern herrschen dort ebenfalls Temperaturen von sieben bis zwölf Grad Celsius. Die kann die Sole-Wasser-Wärmepumpe über einen Erdkollektor nutzen. Er basiert auf dünnen Kunststoffrohrmatten, die in 1,2 bis 1,5 Metern Tiefe horizontal auf einer großen Fläche vergraben werden. Diese Anlage erfordert jedoch eine große, freie Gartenfläche, die auch später frei von jeglicher Bebauung bleiben muss, um die Leistung des Erdkollektors nicht zu beeinträchtigen.

Ein zweiter Weg zur Nutzung der Erdwärme führt über eine Erdwärmesonde. Der Erschließungsaufwand für die notwendige Tiefenbohrung ist mit dem für eine Brunnenanlage vergleichbar: 100 Meter tief mit einem Durchmesser von 20 Zentimetern. Die Genehmigung durch die Wasserbehörde ist zudem schwierig.

Luft steht überall zur Verfügung und kann ohne Genehmigung genutzt werden. Ob Innen- oder Außenaufstellung, Luft-Wasser-Wärmepumpen sind extrem flexibel und der Erschließungsaufwand ist gering. Zudem nutzen hocheffiziente Geräte das energetische Potenzial der Luft optimal aus.

Aus Luft Wärme gewinnen

Beim Neubau und vor allem bei der Wohnraummodernisierung, die nur geringe Eingriffe in das Umfeld des Hauses zulässt, ist die Flexibilität der Luft-Wasser-Wärmepumpe ideal. Die in der Außenluft vorhandene Wärme lässt sich durch modernste Geräte auch bei eisigen Temperaturen von bis zu minus 25 Grad Celsius zum Heizen und zur Warmwasseraufbereitung nutzen. Mit Einsatz modernster Technik gewinnen diese Geräte daraus Vorlauftemperaturen für Heizkreisläufe von über 60 Grad Celsius.

Empfehlen sich Wärmepumpen in der Regel nur für den Einsatz mit Flächenheizungen in Wand oder Fußboden, lohnt sich mit hocheffizienten neuen Modellen auch die Sanierung in Altbauten, die über Radiatoren beheizt werden. So erzielen diese Wärmepumpen mit COP-Werten um vier hohe Jahresarbeitszahlen, die sich auch positiv auf den Geldbeutel des Anwenders auswirken. Die Effizienzsteigerung erreichen moderne Geräte durch innovative Komponenten und ein optimales Zusammenspiel.

Innen und außen ideal drehen

Luft-Wasser-Wärmepumpen sind in zwei Varianten auf dem Markt: für die Innen- und für die Außenaufstellung. Beide stellen unterschiedliche Anforderungen an die Strömungstechnik. Bei der Innenaufstellung saugt das Gerät die Außenluft über einen Kanal an und bläst sie über einen weiteren wieder aus. Durch diese Kanäle kommt es zu Druckverlusten. Daher bieten sich für diesen Bereich kompakte Radialventilatoren an, die sich für einen hohen Druckaufbau eignen und nur wenig Bauraum beanspruchen.

Beispielhaft hierfür ist die RadiCal®-Baureihe von ebm-papst: Die neuen Radialventilatoren übertreffen schon heute die demnächst geltenden gesetzlichen Fordeungen der ErP-Effizienzrichtlinie, halbieren sowohl die Energieaufnahme als auch das Geräuschverhalten und bauen äußerst kompakt.

Da sich bei der Außenaufstellung der Verdampfer außen befindet und lediglich eine Kältemittelleitung nach innen führt, sind Platzbedarf und Druckverluste meist kein Thema – Geräuschentwicklung aber schon, vor allem nachts. Um die Wärmepumpe in den Nachtstunden nicht ausschalten zu müssen, eignen sich Axialventilatoren, die mit niedriger Drehzahl betrieben werden können, wie beispielsweise der HyBlade® von ebm-papst. Der ist dank seines EC-Motors flexibel regelbar und kann so nachts mit niedrigerer Drehzahl laufen. Darüber hinaus ist er im gesamten Drehzahlbereich deutlich leiser und benötigt rund 30 bis 50 Prozent weniger Leistung als ein mit AC-Motor betriebener Ventilator.

Intelligent zusammenarbeiten

Unter den effizienten Komponenten, die Luft-Wasser-Wärmepumpen noch leistungsfähiger zu machen, sind EC-Ventilatoren lediglich ein Baustein. Der größte Energieverbraucher in jeder Wärmepumpe ist der Kompressor. Deshalb verwenden moderne Geräte einen effizienteren Gleichstromkompressor. Um den Betrieb des Verdampfers zu optimieren, kommen elektronische Expansionsventile zum Einsatz.

Die volle Effizienzausbeute erreichen Luft-Wasser-Wärmepumpen aber erst dann, wenn die innovativen Komponenten auch intelligent zusammenarbeiten. Das erreichen Regelungen von Argus Vision, der niederländischen Tochter von ebm-papst. Die integrierte, witterungsgeführte Regelung mit Raumtemperaturkompensation passt die Drehzahl der EC-Ventilatoren an, steuert den Umrichter des Kompressors bedarfsorientiert und betreibt das Expansionsventil des Verdampfers am optimalen Arbeitspunkt. Eine benutzerfreundliche Bedienerschnittstelle ist dabei noch ein zusätzlicher Komfort zum nachhaltigen Heizen.

Leistungskennzahlen von Wärmepumpen

Beispiel für eine hocheffiziente Luft-Wasser-Wärmepumpe in Außenaufstellung

Der COP-Wert (Coefficient of performance) gibt das Verhältnis von Wärmeleistung zu eingesetzter elektrischer Leistung bei einem bestimmten Betriebspunkt an. Bei der Berechnung wird auch die Leistung von Hilfsaggregaten, die Abtau-Energie und die anteilige Pumpenleistung mit einbezogen. Ein COP von vier bedeutet, dass das Vierfache der eingesetzten Leistung in nutzbare Wärme umgesetzt wird. Die Jahresarbeitszahl ist der maßgebliche Wert für die energetische Bewertung der Gesamtanlage. Sie bezeichnet über ein Jahr hinweg das Verhältnis zwischen abgegebener Wärmemenge und zugeführter Energie.

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