Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

WÄRMEPUMPE

Was ist eine Wärmepumpe?

Eine Wärmepumpe ist ein Heizsystem, dass Erdwärme oder Umgebungswärme aus Luft oder Grundwasser als erneuerbare Energiequelle nutzt. Wärmepumpen nutzen für ihren eigenen Betrieb eine zweite Energiequelle: Strom oder Erdgas. Wenn sie effizient arbeiten, können Wärmepumpen beim Heizen Kohlendioxid einsparen und so zum Klimaschutz beitragen. Einige Wärmepumpen eignen sich auch zum Kühlen von Gebäuden. Wärmepumpen sind auch eine Möglichkeit, die Pflichten nach § 10 des Energie-Gebäude-Gesetzes (GEG) zu erfüllen: Demnach muss der Heiz- und Kühlbedarf von Neubauten in einem Verhältnis zu erneuerbaren Energien stehen. Bei Wärmepumpen beträgt der Mindestprozentsatz 50 %

Eine Wärmepumpe funktioniert wie ein umgekehrter Kühlschrank: Nicht direkt nutzbare Wärme wird der Umwelt oder der Abluft entzogen und zum Heizen oder für die Warmwasserbereitung nutzbar gemacht. Die Funktion einer elektrischen Wärmepumpe ist immer gleich:

Schritt 1: Extraktion

Die Flüssigkeit zirkuliert durch das Wärmequellensystem. Oft ist es Sole, also Wasser, dem Frostschutzmittel zugesetzt wurde. Die Flüssigkeit nimmt Umgebungswärme, etwa aus der Erde oder Grundwasser auf und transportiert sie zur Wärmepumpe. Bei Luftwärmepumpen läuft dies ganz anders ab. Diese saugen über Ventilatoren Außenluft an und versorgen Wärmepumpen mit Umgebungswärme.

Schritt 2: Nutzung

Die Wärmepumpe hat einen weiteren Kreislauf, in dem das sogenannte
Kältemittel zirkuliert. In Wärmetauschern und Verdampfern wird
Umweltenergie aus dem ersten Kreislauf auf das Kältemittel übertragen, das dann verdampft. In einer Luftwärmepumpe erwärmt Außenluft das Kältemittel. Kältemitteldampf wird zum Kondensator/Kompressor geleitet. Dadurch erhöht sich das Temperaturniveau des gasförmigen Kältemittels. Mit anderen Worten, es wird heiß. In einem weiteren Wärmetauscher, dem sogenannten Kondensator, wird das unter hohem Druck und hoher Temperatur stehende Kältemittelgas kondensiert und gibt dabei wieder Wärme ab. Das verflüssigte Kältemittel wird zur Drossel weitergeleitet und wieder entspannt. Das entspannte und flüssig gewordene Kältemittel wird schließlich wieder dem Verdampfer zugeführt.

Schritt 3: Heizung

Im zu beheizenden Gebäude wurde ein Wärmeverteiler und Speichersystem installiert. Der Wärmeträger zirkuliert in der Regel Wasser. Dieses Wasser nimmt die Wärme, die das Kältemittel im Verflüssiger abgibt, auf und leitet dieses entweder zu einem Verteilersystem, wie z. B. Flächenheizungen oder Heizkörpern oder zu einem Heizungspuffer- bzw. Warmwasserspeicher. Die niedrigen Vor- und Rücklauftemperaturen und die daraus resultierende sinnvolle Temperaturverteilung ermöglichen einen besonders energieeffizienten Betrieb der Wärmepumpe, d.h. mit einer möglichst hohen Jahresarbeitszahl (JAZ). Insbesondere Niedertemperaturheizungen liefern Wärme sparsam und arbeiten mit niedrigen Vorlauftemperaturen von 30- 35 °C, damit sie ideal in Kombination mit Wärmepumpen, aber auch in Kombination mit Flächenheizungen funktionieren und auch kühlen können. Das heißt, je besser die JAZ, desto wahrscheinlicher erhalten Sie eine Subvention für Ihre Wärmepumpe.

Wie funktioniert eine Wärmepumpe im Winter?

Grundsätzlich kann jede Wärmepumpe der Umgebung Wärme entziehen, solange die Temperatur der Wärmequelle über dem Siedepunkt des Kältemittels liegt. Typische Kältemittel, die in Wärmepumpen verwendet werden, haben Siedepunkte zwischen -57 und -12 °C.

Auch im Winter steckt noch Wärmeenergie in der Außenluft, die von der Luftwärmepumpe genutzt werden kann. Mit Erdwärme und Grundwasser ist die Wärmequelle ergiebiger. Erdwärmepumpenrohre werden unterhalb der Frostgrenze verlegt. Ab einer Tiefe von 10 Metern erreicht die Temperatur sogar ganzjährig mindestens 10 Grad.

Im Winter muss die Wärmepumpe die geringere Temperaturdifferenz mit der Vorlauftemperatur des Heizungswassers gegenüber Erdreich und Grundwasser im Vergleich zur Nutzung der Luft als Wärmequelle überbrücken. Daher haben Oberflächen- und Grundwasserwärmepumpen einen höheren Wirkungsgrad und niedrigere Stromkosten als Luftwärmepumpen.

Wirkungsgrad einer Wärmepumpe

Entscheidend für die Qualität einer Wärmepumpe ist das Verhältnis zwischen verfügbarer Wärmeenergie und eingesetzter Energie. Üblicherweise wird hierfür elektrische Energie verwendet. Ein hoher Wirkungsgrad ist wichtig, denn eine Kilowattstunde (kWh) Strom kostet mehr als eine Kilowattstunde thermischer Energie. Strom stammt ebenfalls hauptsächlich aus Kohle und Erdgas. Je effizienter die Wärmepumpe, desto größer die Auswirkung auf Stromverbrauch und Klima. Noch besser wäre es, wenn der Strom der Wärmepumpe durch Photovoltaik erzeugt würde. Das Verhältnis von erzeugter Wärme zu Stromverbrauch lässt sich in zwei verschiedenen Kennzahlen ausdrücken:

Leistungskoeffizient (COP)

Der Leistungskoeffizient (COP) ist eher ein theoretischer Wert. Sie beschreibt das zu einem Zeitpunkt unter standardisierten Bedingungen auf einem Prüfstand eingesetzte Verhältnis von Wärme und elektrischer Energie.

Jahresarbeitszahl (SPF)

Andererseits drückt die Jahresarbeitszahl (SPF) das Verhältnis zwischen Jahreswärme und elektrischer Energie in einer realen Heizungsanlage aus. Daher ist die Jahresarbeitszahl die entscheidende Kenngröße für die Effizienz der Wärmepumpe.

Wann ist eine Wärmepumpe effizient?

Laut Verbraucherzentrale gilt eine Wärmepumpe mit einer Jahresarbeitszahl (SPF) von 3 als effizient. Das bedeutet, dass die Wärmepumpe aus einer Kilowattstunde Strom drei Kilowattstunden Wärme erzeugt. Der ideale jährliche COP liegt bei 4 bis 5. Wärmepumpen arbeiten dann besonders wirtschaftlich und amortisieren sich in überschaubarer Zeit.

Für die Förderung von Wärmepumpen schreibt das BAFA eine Jahresarbeitszahl von 3,5 für bestehende Luftwärmepumpen und mindestens 4,5 für alle Wärmepumpen im Neubau vor. Maßgebend für das BAFA ist der vorberechnete Wert. Im realen Betrieb kann sich jedoch unter ungünstigen Bedingungen die Jahresarbeitszahl verringern.

Wärmepumpe & Wartung

Dadurch, dass keine Verbrennung im Prozess der Wärmepumpe stattfindet, sind die Wärmepumpen sehr wartungsarm. Trotzdem wird eine Wartung alle 1 bis 3 Jahre empfohlen. Bei der Wartung der Wärmepumpe werden folgende Punkte geprüft:

Ebenfalls sind die Kosten einer Wartung der Wärmepumpe tragbar und liegen
durchschnittlich bei 150 Euro pro Jahr.

Dichtigkeitsprüfung der Leitungen und Verbindungen für das Kältemittel
Reinigen von Wärmetauschern
Prüfen von Kondensatwanne, Kondensatablauf und Ansaugöffnung von Luftwärmepumpen auf Verstopfung
Prüfen von Filtern und Frostschutzgehalt der Sole bei Erd-/Grundwasser Wärmepumpen
Prüfen der elektrischen Verbindungen

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Kälte- und Klimatechnik in Pforzheim

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