Wärme pumpen – wie geht das ?

Das Wort verwirrt.
Eine Wärmepumpe schafft das schier Unmögliche – aus 25% zugeführter Energie ent-stehen 100% Heizleistung.
Perpetuum mobile? Quadratur des Kreises? Die Erfindung des Jahrhunderts?

Mitnichten, jeder von uns nutzt das Prinzip ganz selbstverständlich ohne jedoch die energetische Gleichung zu kennen – der Kühlschrank.
Ein Kühlschrank entzieht einem Raum – dem Kühlraum - Wärme, um diese an seiner Rückwand – unsichtbar, meist unfühlbar – an die Zimmerluft abzugeben.
Jede Klimaanlage funktioniert ebenfalls nach diesem Prinzip –der Kühlraum ist das Zimmer und abgegeben wird die entzogene Zimmerwärme über Ventilatoren im Freien

Eine Wärmepumpe entzieht der Umgebung Umweltwärme um sie mit Hilfe elektrischer Hilfsenergie auf ein höheres Temperaturniveau zu heben, und damit z.B. Warmwasser zu erwärmen oder eine Fußbodenheizung zu beschicken.

Ein Trägergas (heute zunehmend FCKW-frei, und nicht brennbar) ist der Schlüssel. Dieses zirkuliert in einem geschlossenen System. Ein sogenannter Verdampfer (ähnlich einem Autokühler) entzieht der Außenluft Wärmeenergie. Das Gas war bis zum Eintritt in den Verdampfer flüssig und wird jetzt durch den Wärmezufluß gasförmig. Damit nicht genug, wird es nun in einem Kompressor weiter verdichtet und erhitzt. In einem Verflüssiger (Konvektor) entspannt das Gas, gibt Wärmeenergie an das Zimmer ab und wird wieder flüssig.

Das Verhältnis von Hilfsenergie zu der abgegebenen Wärmeenergie wird als Leistungszahl bezeichnet (COP). Gängige Werte sind 2,5 bis 4,5.

Je geringer der Temperaturunterschied zwischen Außen- und Innenluft um so geringer ist die zuzuführende Hilfsenergie umso größer die Leistungszahl

Egal wie schlecht die Leistungszahl einer WP ist, sie ist immer noch besser als die Direktumwandlung von Strom in Wärme (z.B. Elektroheizlüfter).

Wärme pumpen – woher nehmen?

Wärmeenergie ist, obwohl wir bei –5 Grad schon ganz schön frieren, immer vorhanden. Erst bei –273 Grad Celsius, dem absoluten Nullpunkt bewegt sich kein Elektron mehr um den Atomkern. Wichtig ist aber, der zu überwindende Temperturunterschied – je größer, umso höher wird der Einsatz von Hilfsenergie und umso unrentabler arbeitet die Wärme-pumpe. Um z.B. aus –5 Grad „warmer“ Luft, 35 Grad Wasser für eine Fußbodenheizung zu erzeugen muß ein Temperturhub von 40 Grad erzeugt werden.

Wärme ist aber eben nicht nur in der Außenluft vorhanden.
Wärme ist in den oberflächennahen Erdschichten als gespeicherte Sonnenenergie vorhanden.
Wärme ist in größeren Tiefen als Erdwärme – Geowärme vorhanden.
Wärme ist im Grundwasser gespeichert.
Wärme ist in der Abluft von Wohnungen enthalten.

Luft-Wasser Wärmepumpe (LW-WP)

In der Regel als Splitanlage ausgeführt, das heißt der Verdampfer ist im Außenbereich installiert, entnimmt der Umweltluft Wärme und führt diese zum Verflüssiger im Inneren des Hauses. LW-WP nur zur Warmwasser-bereitung gibt es auch für Innenaufstellung und haben den angenehmen Effekt der Raumentfeuchtung. Mäßiger COP von 3 bis 3,5.

Vorteil: schnelle, einfache Montage, preiswerteste WP in der Anschaffung
Nachteil: geringster Wirkungsgrad aller WP, damit höhere Energiekosten, viele LW-WP arbeiten nur bis – 5 Grad .

Erdkollektor-Wasser Wärmepumpe (KW-WP)

Die oberflächennahen Erdschichten haben i.d.R eine Temperatur über Null Grad Celsius. Ein Rohrsystem wird mäanderförmig in etwa 1,20m Tiefe verlegt. Für ein Einfamilienhaus werden ca. 300qm Fläche benötigt. Im Rohr-system kann entweder das Arbeitsmittel direkt zirkulieren (Direktverdampfer), oder eine Wärmeträgerflüssigkeit (sog. Sole, ein Wasser/Glykolgemisch). In letzterem Fall erfolgt die Wärmeübertragung an das Arbeitsgas mit einem Wärmetauscher.

Vorteil: höherer Wirkungsgrad als LW-WP, COP bis 4,0
Nachteil: hoher Flächenbedarf, höhere Investkosten als LW-WP, evtl. ein-geschränkter Bewuchs durch zu starken Wärmeentzug

Erdsonde – Wasser Wärmepumpe (SW-WP)

Ab einer Erdtiefe von etwa 10m herrscht eine konstante Temperatur von 13 Grad . Alle 33m erhöht sie sich um 1 Grad (geother-mische Tiefenstufe). In bis zu 150m tiefen Erdbohrungen (i.d.R. zwei Stück) werden je zwei Rohrschleifen eingebracht in denen Sole zirkuliert. Diese wird erwärmt und gibt diese Energie mittels Wärmetauscher an das Arbeitsgas ab.

Vorteil: höchster COP von 4 bis 4,5 , geringer Flächenbedarf
Nachteil: sehr hohe Investkosten durch Bohrung; Bohrungen in Teufen größer 100m berühren das Bergrecht und sind genehmi-gungspflichtig.
Bis 100m vorsichtshalber bei der Länder-bergbehörde anfragen.

Wasser – Wasser Wärmepumpe (WW-WP)

Eine seltenere Variante.
Hier wird Grundwasser genutzt das eine konstante Temperatur von 8 bis 11 Grad besitzt. Benötigt wird ein Förderbrunnen und ein Schluckbrunnen. D.h. Brunnenwasser wird mittels Brunnenpumpe gefördert, überträgt mittels Wärmetauscher seine Energie an den Verdampfer und wird in einen Schluckbrunnen verbracht. Förder- und Schluckbrunnen müssen in ausreichendem Abstand in Grundwasserfließrichtung liegen. In den Saug-brunnen zurückzuleiten führt zu einem sog. thermischen Kurzschluß und ist damit nicht möglich. Das Wasser an der Oberfläche versickern zu lassen, oder in die Kanalisation zu leiten ist nicht gestattet.
Ein Brunnen muß eine Förderrate von etwa 1 Liter/s ermöglichen. Das Grundwasser muß chemisch so beschaffen sein, daß es zu keiner Korrosion an Anlagenbestandteilen, oder zum vorzeitigen Zusetzen (Verockerung) des Förderbrunnens kommt. Eine wasserrechtliche Erlaubnis ist nach Wasserhaushalts-gestz (WHG) notwendig, in Wasser- und Heilquellenschutzgebieten nicht gestattet.

Vorteile: sehr hoher COP größer 5 gegenüber SW-WP
Nachteile: hohe Kosten für Brunnenbau, Brunnenpumpe benötigt relativ viel Antriebs-energie, daher erst wirtschaftliche Vorteile ab 10KW