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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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