Wärmepumpe

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Die Wärmepumpe ist eine Maschine, die Wärme von einem niedrigen Temperaturniveau auf ein höheres Temperaturniveau transportiert. Wärmepumpen benötigen benötigen neben der thermischen Energie eine weitere Energiequelle zum Antrieb der Pumpe (in der Regel Strom oder Gas).

Eine Wärmepumpen-Anlage (WPA) besteht aus folgenden 3 Komponenten

• Wärmequellenanlage (WQA)
• Wärmepumpe (WP)
• Wärmenutzungsanlage (WNA)

Für die Beheizung von Gebäuden werden in der Regel Kompressions-Wärmepumpen (siehe #Anlagentypen) verwendet. Je nach Wärmequelle werden meist folgende Kombinationen verwendet:

Wärmequelle	Medium der Heizungsanlage
Wasser	Wasser
Sole	Wasser
Sole	Luft
Luft	Wasser
Luft	Luft

Wärmepumpen können auch zur Kühlung benutzt werden, dann werden diese Geräte Kältemaschinen genannt.

Anlagentypen

Technologie	Beschreibung / Anwendung
Kompressionswärmepumpen	Die Kompressions-Wärmepumpe nutzt den physikalischen Effekt der Verdampfungswärme. In ihr zirkuliert ein Kältemittel in einem Kreislauf, das, angetrieben durch einen Kompressor, die Aggregatzustände flüssig und gasförmig abwechselnd annimmt. elektrisch betriebene Wärmepumpen Gasmotor-Wärmepumpe
Adsorptionswärmepumpen	Die Adsorptions-Wärmepumpe arbeitet mit einem festen Lösungsmittel, dem "Adsorbens" , an dem das Kältemittel ad- oder desorbiert wird. Dem Prozess wird Wärme bei der Desorption zugeführt und bei der Adsorption entnommen. Da das Adsorbens nicht in einem Kreislauf umgewälzt werden kann, kann der Prozess nur diskontinuierlich ablaufen, indem zwischen Ad- und Desorption zyklisch gewechselt wird. Die meisten Geräte verwenden Zeolith (keramikähnliches Material aus Aluminium- und Siliziumoxid) als Sorptionsmittel und Wasser als Kältemittel. gasbetriebene Adsorptionswärmepumpen
Absorptionswärmepumpen	Die Absorptions-Wärmepumpe nutzt den physikalischen Effekt der Reaktionswärme bei Mischung zweier Flüssigkeiten oder Gase. Sie verfügt über einen Lösungsmittelkreis und einen Kältemittelkreis. Das Lösungsmittel wird im Kältemittel wiederholt gelöst oder ausgetrieben. Gas-Absorptionswärmepumpen

Wärmequellen

Wärmequelle	Beschreibung / Randbedinungen
Wasser	Wärmequellen sind: Grundwasser (meist über Brunnenanlage erschlossen, notwendig sind ein Saugbrunnen und ein Schluckbrunnen, Abstand der Brunnen mind. 15 m, maximale Tiefe des Grundwassers ca. 15 m, Problematisch kann die Versandung des Schluckbrunnens werden!) Oberirdische Gewässer Kühl-, Abwasser, Brauchwasser
Erdreich / Sole	Wärme wird über eine Sonde oder Kollektoren im Erdreich übertragen: Erdsonde (Sonden in der Regel zwischen 40..100 m tief) Erdkollektor (Rohrsystem, das großflächig ca. 20 cm unterhalb der Frostgrenze verlegt wird, d. h. in der Regel in einer Tiefe von 1,20 - 1,50 m. Der Platzbedarf liegt bei ca. 250 m² für 9 kW) Kompaktkollektor (System, wie Erdkollektor, jedoch aus Kollektormatten. Es wird nur etwa 50% des Platzes benötigt) Grabenkollektor (z.B. sogenannte Energiekörbe, kompakte spiralförmige Körbe, die in Gräben in einer Tiefe von 2-4 m Tiefe eingebracht werden)
Luft	Als Wärmequellen stehen zur Verfügung: Außenluft (Direkte Ansaugung von Außenluft über die Gebäudehülle) Abluft aus Lüftungsanlagen Luft aus Wärmerückgewinnungsanlagen (z.B. kontrollierte Wohnungslüftung) Absorber
Sonstige	Sonstige Wärmequellen können sein: Prozesswärme von Anlagen und Maschinen

Gruppierungen für die Nutzung von Geothermie

Tiefe Geothermie (20-200°C)

• HOT-DRY-ROCK (bis > 5.000 m tief)
• Hydrogeothermie (einige 100 m bis > 3.000 m tief)

Oberflächennahe Geothermie (8-25°C)

• Erdwärmesonden (einige 10 m bis 400 m tief)
• Kollektoren, Energiepfähle (wenige 10 m tief)
• Grundwasserbrunnen mit Wiederversickerung (meist < 50 m tief)

notwendige Genehmigungen

• Genehmigungen nach dem Wasserhaushaltsgesetz (WHG) für:
  • Erdsonden (§ 3 Abs. 2)
  • Grundwasser (ist grundsätzlich genehmigungsbedüftig durch die Untere Wasserbehörde)
• Bergrecht (BBergG)
  • für Erdsonden über 99 m Tiefe
• Lärmentwicklung (BImSchG bzw. TA Lärm)
  • Wärmepumpen mit Luft als Wärmequelle

Pufferspeicher

Heizungs-Pufferspeicher sind bei einer Wärmepumpenanlage aus folgenden Gründen notwendig

• Überbrückung von Sperrzeiten der Energieversorgungsunternehmen, um eine kontinuierliche Wärmelieferung zu gewährleisten
• Mindestlaufzeiten der Wärmepumpe werden bei Anlagen mit geringem Wasserumlauf durch den Pufferspeicher erhöht
• Gewährleistung der Mindeswasserumlaufmenge bei Verschaltung des Pufferspeichers als Trennspeicher
• Pufferung von Wärmeenergie für den Abtauvorgang des Verdampfers bei Luft-Wasser-Wärmepumpen

Pufferspeicher werden entweder als

• Trennspeicher (hydraulische Trennung zwischen WP und Heizkreis)
• Rücklaufreihenspeicher (vor allem bei Radiatorenheizungen zur Erhöhung der Waserumlaufmenge, Mindestumlaufmenge wird durch ein Überstromventil garantiert.

Dimensionierung von Pufferspeichern:

In der Regel hat der EVU (VNB) die Möglichkeit eine Wärmepumpe 3 x 2 h vom Netz zu trennen. Der Start einer WP ist auf max. 3 Starts pro Stunde zu begrenzen.

Daraus errechnet sich die Größe des Pufferspeichers:

• Mind. Wärme aus 20 Minuten Laufzeit müssen in den Speicher passen (max. 3 Starts pro Stunde)
• Es muss genügend Wärme zur Verfügung stehen um für 2 Stunden Wärme zu bevorraten.

Faustformel

m = Q / (c * ΔT ) mit Q = P * t

• m [m³] => Wasser-Masse des Speichers
• Q => Wärmeenergie = Heizleistung der Wärmepumpe (P) * Überbrückungszeit (t)
  • min. Überbrückungszeit: 0,33 h
  • max. Überbrückungszeit: 2 h
• c => 1,163 Wh/kg K
• ΔT => Temperaturdifferenz von Vorlauf und Rücklauf in K (sollte zwischen 5..10 K liegen

Energieeffizienz

Die Energieeffizienz einer Wärmepumpe wird durch die Jahresarbeitszahl (JAZ) [engl. SPF Seasonal Performance Factor] ausgedrückt. Für die Förderung von Wärmepumpen wird in der Regel eine theoretische Jahresarbeitszahl nach DIN EN 15450 oder VDI 4650 ermittelt, die meist deutlich höher ist, als in der Praxis.

Für den Betrieb in neuen Gebäuden können etwa folgende Werte angenommen werden:

• SFP=2,8 für Luft/Wasser
• SFP=3,5 für Sole/Wasser
• SFP=3,8 für (Grund-)Wasser/Wasser
• SPF=4,3 für Erdreich(Direktverdampfer)/Wasser

Im Gebäudebestand liegen die Werte wegen des höheren Temperaturniveaus höher als bei energieeffizienten Gebäuden.

Für die Berechnung von Jahresarbeitszahlen wird der Wirkungsgrad von Wärmepumpen für verschiedene Quellen- und Nutztemperaturen gemessen. Dafür werden Leistungszahlen (COP Coefficient of Performance) nach DIN EN 255-3 (Warmwasserbereitung) und DIN EN 14511 (Heizung) ermittelt.

Weblinks

• wikipedia:de:Wärmepumpe
• wikipedia:de:Wärmepumpenheizung
• wikipedia:de:Erdwärmekollektor
• wikipedia:de:Erdwärmesonde
• Jahresarbeitszahlen