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Wärmepumpen

So funktioniert eine Wärmepumpe

Das Funktionsprinzip einer Wärmepumpe ist mit einem Kühlschrank vergleichbar: Wie der Kühlschrank seinem Innenraum die Wärme entzieht, um zu kühlen, entzieht die Wärmepumpe der Umwelt Wärme, um zu heizen. So wird die niedrigere Temperatur der Quellwärme auf eine höhere Vorlauftemperatur gebracht.

Die Umweltwärme wird je nach Technologie, aus der Luft (Luft-Wasser-Wärmepumpe), dem Erdreich (Sole-Wasser-Wärmepumpe) oder dem Grundwasser (Wasser-Wasser-Wärmepumpe) abgeführt, im Verdampfer via Gasbrenner (Gas-Wärmepumpe), Ölbrenner (Öl-Wärmepumpe), oder Strom (Elektro-Wärmepumpe) erhitzt. Im Anschluss wird die Wärme von einem Gas mit niedrigem Druck zu einem heissen Gas mit hohem Druck verdichtet und dann an den zentralen Heizkreislauf abgegeben. Der Dampf kondensiert und wird als Flüssigkeit wieder dem System zugefügt: Der Prozess beginnt von vorne. Für den Wärmetausch braucht es Startenergie – wie viel, ist ausschlaggebend für die Energieeffizienz der Heizungsanlage. Eine stabile, möglichst warme Quelle und eine möglichst tiefe Vorlauftemperatur optimieren die Leistung.

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Höherer Anschaffungspreis, dafür geringe Energie- und Unterhaltskosten: Über 10 Jahre gerechnet kommt eine Wärmepumpe günstiger als eine Ölheizung. (Bild: Fotolia) 

Wärmepumpen mit Erdwärmesonden bleiben das wirtschaftlichste und ökologischste Heizsystem.

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Effizienz Wärmepumpe

Wärmepumpen als Heizanlagen weisen niedrige Betriebskosten auf, benötigen wenig Platz und arbeiten nahezu wartungsfrei. Arbeitet die Wärmepumpe wenig, sinkt der Stromverbrauch. Deshalb gilt: Je kleiner die Temperaturdifferenz zwischen Umwelt und der gewünschten Raumwärme ist, desto besser. Bei der Aussenluftnutzung wirken sich tageszeitliche und jahreszeitliche Temperaturschwankungen negativ aus.

Flächenheizungen haben eine tiefe Vorlauftemperatur, deshalb werden Wärmepumpen am besten mit Bodenheizungen kombiniert. Wärmepumpen verursachen darüber hinaus ein gewisses Grundgeräusch, daher ist die Platzierung im Untergeschoss sinnvoll.   

Jahresarbeitszahl (JAZ)

Rechnerisch beziffert die Jahresarbeitszahl das Verhältnis von gewonnener Wärme zu eingesetztem Strom. Je höher sie ausfällt, desto effektiver ist die Anlage. Allerdings berücksichtigt die JAZ ein ganzes Jahr und sämtliche energierelevanten Faktoren, was Hersteller verständlicherweise nicht leisten können. Sie berufen sich auf Laborwerte und geben an, wie sich 100 Prozent Heizenergie anteilsmässig auf Umweltwärme und Strom verteilen.

Die Umgebungswärme kann in der Wärmepumpe auf unterschiedliche Weise weiter erhitzt werden:

Luft-Wasser-Wärmepumpe

Luft-Wasser-Wärmepumpen geben die gewonnene Wärme an eine herkömmliche Heizungsanlage, wie zum Beispiel Bodenheizung, Radiatoren oder an eine Wassererwärmungsanlage ab.

Besonderheiten Luft-Wasser-Wärmepumpe

Da Umgebungsluft überall vorhanden ist, kann sie problemlos und einfach als Wärmequelle genutzt werden. Allerdings unterliegt die Aussenluft im Lauf der Jahreszeiten massiven Temperaturschwankungen. Vor allem im Winter, wenn der Wärmebedarf am Grössten ist, ist das Wärmepotenzial am Kleinsten. Die immensen Fortschritte in der Kompressor-, Inverter- und Ventilatortechnik der letzten Jahre steigern die Effizienz dieser Wärmepumpen.

In der Schweiz sind diese Wärmepumpen sehr beliebt und werden häufig mit Lüftungsanlagen zur Wärmerückgewinnung kombiniert.

Wasser-Wasser-Wärmepumpe

Das Grundwasser weist in der Schweiz kaum jahreszeitliche Temperaturschwankungen auf, deshalb ist es für die Nutzung in einer Wärmepumpe gut geeignet.

Funktion Wasser-Wasser-Wärmepumpe

Meist wird die Wärme mittels Wasser über ein Brunnensystem gewonnen: Der Förderbrunnen zapft das warme Grundwasser an, der Schluckbrunnen leitet das abgekühlte Wasser über ein Rohr zurück. Natürlich können auch Bäche, Flüsse oder Seen genutzt werden. Das Wasser darf weder zu viel Feststoffe noch Eisen und Mangan beinhalten, damit die Heizungsanlage nicht beschädigt und der Betrieb gestört wird. Der Betrieb ist in der Schweiz bewilligungs- und konzessionspflichtig.

Ein Sonderfall ist der Einsatz von Wasser-Wasser-Wärmepumpen bei Abwasser zur Wärmerückgewinnung.

Wärmerückgewinnung

Als Wärmerückgewinnung (WRG) werden Wiederverwertungsmassnahmen bezeichnet, die dem Verlust von thermischer Energie bei der Wohnraumlüftung vorbeugen. Die Verfahren finden häufig Anwendung bei klimatisierten Gebäuden und Niedrigenergiehäusern mit Lüftungstechnik.

Die Rückgewinnung erfolgt über einen Wärmetauscher, der Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen ihre Wärme/Kälte entzieht und diese auf andere Gase oder Flüssigkeiten überträgt. Die Einsparung und Wiederverwertung von Heiz- und Kälteenergie reduziert den Energieverbrauch bei der Wohnraumlüftung.

Wärmerückgewinnung via Wärmepumpe

Häufig wird zur Wärmerückgewinnung eine Kombination aus Lüftungsanlagen und einer Luft-Wasser-Wärmepumpe genutzt. Das Lüftungsgerät saugt über ein Kanalsystem aus belasteten Räumen wie Küche, Bad und WC mit Schadstoffen angereicherte Luft ab. Die Luft-Wasser-Wärmepumpe entzieht der Abluft ihre Abwärme, überträgt die thermische Energie auf kühleres Wasser und wärmt dieses für den weiteren Gebrauch vor.

Bei der Abwasserwärmerückgewinnung unterstützt eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe die Rezyklierung thermischer Energie. Die Wärmepumpe entzieht Abwasser mit relativ niedrigen Temperaturen Wärme und überträgt diese auf kühleres Wasser. Inzwischen sind Duschkabinen und -wannen mit integrierten Wärmetauschern auf dem schweizerischen Markt erhältlich.

Lüftung mit Wärmerückgewinnung

Je besser die Wärmerückgewinnung, desto mehr Kondenswasser fällt an. Dementsprechend muss das Kondenswasser regelmässig entfernt werden. Die Koppelung der Wärmerückgewinnung mit Lüftungsanlagen und Klimageräten steigert die Qualität der Raumluft und beugt durch deren Entfeuchtung Schimmel vor.

Sole-Wasser-Wärmepumpe


Bereits wenige Meter unter der Erdoberfläche herrschen Temperaturen von 8 °C bis 12 °C. Pro 100 Meter Tiefe nimmt die Temperatur etwa um 3 °C zu. Deshalb ist der Boden ein konstanter und stabiler Wärmespeicher und eignet sich gut für Wärmepumpen. Die Erdwärme wird mit Sole, einem Gemisch von Frostschutzmittel und Wasser, transportiert.

Bewilligungen

Zur Erdwärmenutzung braucht es vertikale Erdsonden, die 100 bis 200 Meter tief in die Erde gebohrt werden. Erdregister, die als Rohrsysteme mindestens 80 Zentimeter horizontal unter der Erdoberfläche verlegt werden oder Energiepfähle und Energiekörbe sind weitere Alternativen. Allerdings benötigen Register eine grosse Grundstücksfläche, deshalb eignen sich Sonden vor allem für kleine Grundstücke. 

Bohrungen brauchen immer eine Bewilligung, Register benötigen nur in wenigen Kantonen eine Genehmigung. Bitte informieren Sie sich bei Ihrem zuständigen Amt.

Solar-Wärmepumpe

Die Kombination von Wärmepumpen, die niedrige Betriebskosten aufweisen und nahezu wartungsfrei arbeiten und Solaranlagen, wird aufgrund der sinkenden Produktionskosten immer wirtschaftlicher. Die Warmwasserbereitung mittels Solaranlage ist mit höheren Temperaturen möglich. Grosse thermische Solaranlagen können zusätzlich dazu verwendet werden, solare Erträge direkt in die Heizung einzuspeisen beziehungsweise der Wärmepumpe als Quelle zu dienen.

Elektro-Wärmepumpe

Wird die Wärmepumpe durch einen Elektromotor angetrieben, spricht man von einer Elektro-Wärmepumpe oder elektronischer Kompressions-Wärmepumpe.

Einsatzgebiete Elektro-Wärmepumpe

Besonders für kleinere Wärmepumpen bietet sich der elektrische Betrieb an, da dies zu einer relativ kompakten, kostengünstigen, leisen und wartungsarmen Anlage führt. Kompressions-Wärmepumpen kommen für die Heizung von Gebäuden und die Warmwasserbereitung oder die Gewinnung von Umweltwärme zum Einsatz. Kompressions-Wärmepumpen werden in Neubauten oder bei Sanierungen eingesetzt.

Gas-Wärmepumpen

Zeolith-Gas-Wärmepumpe

Zeolith, in Form von Kügelchen, ist ein Mineral aus Aluminium und Siliziumoxid, das Wasser einlagern kann. Ist die Aufnahmefähigkeit erschöpft, beginnt das Zeolith zu sieden und Wasserdampf freizusetzen. Dies erhöht den Wirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Gas-Brennwertgeräten. 

Absorptions-Wärmepumpe.

Diese Wärmepumpenart wird vor allem bei kleinen Geräten bis 40 Kilowatt eingesetzt. Im Unterschied zu anderen Wärmepumpen absorbiert diese das verdampfte Kältemittel in einer Lösung zum Beispiel aus Ammoniak und Wasser und verdichtet es, bevor die Wärmezufuhr via Gasbrenner erfolgt.

Gasmotor-Wärmepumpe

Die Gasmotorwärmepumpe arbeitet, wie die Elektro-Wärmepumpe, mit einem Kompressor der via Motor angetrieben wird. Sie wird vor allem in höheren Leistungsbereichen, wie Mehrfamilienhäusern oder in der Industrie eingesetzt. Dies hat den Vorteil, dass die Abwärme des Motors zusätzlich zur Heizung verwendet werden kann.

Öl-Wärmepumpe

Die mit einer Wärmepumpe gewonnene Umgebungswärme kann auf unterschiedliche Weise weiter erhitzt werden. Die Kombination mit einem Ölbrenner wird häufig als Hybridsystem oder auch als Hybrid Ölwärmepumpe bezeichnet.

Besonderheiten Wärmepumpe mit Öl

Die Hybrid Ölwärmepumpe stellt durch einfache Schaltungen auch höhere Temperaturen bereit, passt sich schnell an den Wärmebedarf an und ist geräuscharm. Die zentrale Voraussetzung ist ein angepasster modulierbarer Ölbrenner im Leistungsbereich von 2 bis 10 Kilowatt. Der Brenner einer ölbetriebenen Wärmepumpe sollte an besondere Anfordernisse angepasst werden.

 

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