Wärmepumpen
WärmepumpenDie Funktionsweise der Wärmepumpe ist im Prinzip identisch mit der eines altbekannten Alltagsgerätes: dem Kühlschrank. Während der Kühlschrank allerdings seinem Innenraum die Wärme entzieht und nach draußen abgibt, entzieht die Wärmepumpe dem Außenbereich die Wärme und gibt sie als Heizenergie an das Haus ab. Die Funktion läuft also genau umgekehrt ab.
Eine Wärmepumpe erzeugt aus rund 75 Prozent kostenloser Umweltwärme und 25 Prozent Antriebsenergie die Wärme, die man zum Heizen und zur Warmwasserbereitung benötigt. Sie kann aber auch sehr effektiv zum Kühlen eingesetzt werden. Als Wärmequelle nutzt sie Umweltwärme, die sie der Umgebungsluft oder dem Erdboden entzieht.
Dabei arbeitet sie im Prinzip wie ein Kühlschrank – man vertauscht sozusagen nur die Seiten: In der Wärmepumpe zirkuliert ein Kältemittel, das bereits bei sehr niedrigen Temperaturen verdampft. Dabei entzieht es dem Wärmequellenkreislauf Wärme. Das verdampfte Kältemittel wird nun mittels der Antriebsenergie im Kompressor stark verdichtet: Durch den höheren Druck steigt auch die Temperatur. Anschließend wird das Kältemittel verflüssigt, wodurch es die gespeicherte Wärme – Umweltwärme plus Antriebsenergie – an das Heizsystem abgibt.
Da eine Wärmepumpe zu einem großen Teil – je nach Effizienz bis zu 75 Prozent – kostenlose Umweltwärme nutzt, ist sie nicht nur umweltfreundlich, sondern bietet auch sehr günstige Betriebs- und Verbrauchskosten. Zudem macht eine Wärmepumpe unabhängig von fossilen Energieträgern und von Energieimporten aus dem Ausland mit unkalkulierbaren Preisschwankungen. Und da der Strom, mit dem die Wärmepumpe angetrieben wird, zu einem immer größeren Anteil aus erneuerbaren Energiequellen stammt (bis 2030 sollen es über 30 Prozent sein), wird eine Wärmepumpe sozusagen von selbst immer umweltfreundlicher.
Prinzip Wärmepumpe
Der innerhalb der Wärmepumpe ablaufende Kreisprozess wird aus 4 Komponenten gebildet: dem Verdampfer, dem Verdichter, dem Verflüssiger und dem Entspannungsventil. Träger für die Wärmeenergie ist ein Kältemittel mit einem extrem niedrigem Siedepunkt.
- Im Verdampfer nimmt das Kältemittel die Wärme aus der Umwelt auf und wird dadurch gasförmig.
- Im Verdichter wird das gasförmige Kältemittel durch Kompression auf ein höheres Temperaturniveau gebracht. Hierfür benötigt das Gerät die externe elektrische Energie.
- Im Verflüssiger wird die Wärmeenergie an den Heizungskreislauf abgegeben.
- Im Expansionsventil wird das Kältemittel entspannt, um danach den Kreislauf von Neuem zu durchlaufen.
Erdsonde
Wärmequelle - Erdreich Erdsonde
Das Erdreich ist das ganze Jahr über eine Wärmequelle mit hoher Wärmeleistung. Ab einer Tiefe von etwa 10 Metern liegt die Temperatur konstant bei rund 10 Grad. Eine vertikale Erdwärmesonde nutzt diese Erdwärme effektiv und ist wegen des geringen Platzbedarfs insbesondere für kleine Grundstücke oder bereits angelegte Gärten empfehlenswert.
Bei Erdwärmesonden fließt das frostsichere Arbeitsmittel, das dem Erdboden Wärme entzieht, durch zwei u-förmige Kunststoffrohre in einem senkrechten Bohrloch. Dadurch benötigen sie nur wenig Fläche – der Bohrlochdurchmesser ist etwa so groß wie eine CD. Da ab einer Tiefe von etwa 10 Metern die Temperatur das ganze Jahr über nahezu konstant ist, ist die Erdwärmesonde insbesondere im Winter bei tiefen Temperaturen sehr effektiv. Die Tiefe der Sonde hängt vom Wärmebedarf und der Wärmeleitfähigkeit des Bodens ab. Bei einem neuen Einfamilienhaus liegt sie im Durchschnitt bei rund 100 m. Im Sommer kann man mit Erdwärmesonden auch sehr effektiv passiv kühlen.
Wärmequelle - Erdreich Erdkollektor
Kollektoren arbeiten mit einem waagerecht verlegten großflächigen Rohrsystem, das unter der Frostgrenze verlegt wird – in der Praxis bedeutet das eine Tiefe von rund 1 bis 1,5 Metern. Dafür benötigen Kollektoren je nach gewünschter Wärmeleistung rund 200 bis 250 Quadratmeter Fläche für ein Einfamilienhaus. Diese Fläche darf nicht versiegelt oder überbaut werden, da der Boden die Wärme aus Regenwasser und Sonneneinstrahlung aufnehmen muss.
Wärmequelle - Wasser
Wenn Grundwasser in ausreichender Menge, Temperatur, Qualität und in einer möglichst geringen Tiefe vorhanden ist, kann man dieses mit einer Wasser/Wasser-Wärmepumpe sehr wirtschaftlich nutzen: Selbst an den kältesten Tagen liegen die Temperaturen dieser Wärmequelle konstant bei rund 10 Grad Celsius.
Das Wasser wird über einen Förderbrunnen hochgepumpt, die Wärmepumpe entzieht ihm Wärme und anschließend wird das Wasser über einen Schluckbrunnen wieder in das Grundwasser eingeleitet. Im Sommer kann man mit Grundwasser-Wärmepumpen ebenfalls sehr effektiv passiv kühlen. Der Nachteil dieser Wärmequelle ist allerdings der hohe Planungsaufwand und ein verhältnismäßig großer Anteil von Hilfsenergie für die Wasserpumpen. Daher lohnt sich eine Wasser/Wasser-Lösung insbesondere für größere Objekte mit einem hohen Heiz- und Kühlbedarf.
Wärmequelle - Luft
Außenluft als Wärmequelle kann extrem einfach und nahezu überall erschlossen werden – hierfür sind keine Bohrungen notwendig. Daher erfreuen sich Luft-Wärmepumpen zunehmender Beliebtheit. Da keine Erdarbeiten notwendig sind, wird Luft gerne in der Altbausanierung als Wärmequelle eingesetzt.
Da die Temperaturen dieser Wärmequelle allerdings im Winter – also zu Zeiten des größten Heizbedarfs – recht niedrig liegen, ist eine Luftwärmepumpe etwas weniger effizient als erdgekoppelte Systeme. Dadurch steigt der Stromverbrauch einer Luft-Wasser-Wärmepumpe um rund 150 bis 200 Euro pro Jahr im Vergleich zu erdgekoppelten Wärmepumpen. Allerdings spart man durch den geringeren Bauaufwand.