Was sind die Unterschiede zwischen Luft-Wasser-Wärmepumpe, Luft-Luft-Wärmepumpe und anderen Wärmepumpe-Typen?
Wärmepumpen gelten als Heizungstechnologie der Zukunft. Sie arbeiten besonders effizient und benötigen keine fossilen Energieträger – nur Umweltenergie und Strom für ihren Antrieb. Die einzelnen Arten der Wärmepumpen unterscheiden sich vor allem in den genutzten Umweltenergien. Diese stellen wir in diesem Beitrag mit ihren Eigenschaften vor.
Verschiedene Wärmepumpensysteme (Bildquelle: Dirk Schumann – stock.adobe.com)
Funktionsprinzip der Wärmepumpe
Das Prinzip der Wärmepumpenheizung ist einfach:
Die Wärmequellenanlage entzieht der Umwelt Energie,
macht sie in der Wärmepumpe nutzbar und
speichert oder verteilt sie im Gebäude.
In der Praxis ist dieser Prozess etwas komplexer und läuft in mehreren Schritten ab. Bei der Wärmequellenanlage zirkuliert entweder eine Wasser-Frostschutzmischung und nimmt die Umweltwärme auf oder ein Ventilator saugt die Außenluft an.
Ein Verdampfer überträgt die Umweltwärme an den Wärmepumpenkreislauf, in dem ein flüssiges Kältemittel zirkuliert. Dieses nimmt die Energie auf und verdampft schon bei niedrigen Temperaturen.
Anschließend drückt der Verdichter, ein strombetriebener Kompressor, das gasförmige Kältemittel zusammen. Dadurch erhöhen sich der Druck und die Temperatur.
Im nächsten Schritt kondensiert das heiße Kältemittel im sogenannten Verflüssiger. Dabei gibt es die Wärme an den Heizungskreislauf ab. Durch die Abgabe der Energie kühlt sich das Kältemittel wieder ab.
Zum Schluss wird der Druck des Kältemittels in einem Entspannungsventil, oder einer Drossel, reduziert. Das flüssige und entspannte Kältemittel geht wieder zum Verdampfer und der Kreislauf beginnt von vorne.
Wärmepumpe (Bildquelle: Studio Harmony – stock.adobe.com)
Arten der Wärmepumpen
Dieses Funktionsprinzip ist bei allen Arten der Wärmepumpen gleich. Man unterscheidet die Arten der Wärmepumpe nach dem Medium der Wärmequelle und dem Medium der Wärmeabgabe.
Luft-Wasser-Wärmepumpe
Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe, auch Luftwärmepumpe genannt, saugt die Umgebungsluft mit einem Ventilator an und leitet sie an die Wärmepumpenanlage weiter. Diese gibt die Wärmeenergie an den wassergeführten Heizkreislauf oder zur Warmwasserbereitung ab.
Die Umgebungsluft enthält auch bei geringen Temperaturen noch nutzbare thermische Energie. Bis etwa -20 Grad Celsius können Luft-Wasser-Wärmepumpen wirtschaftlich betrieben werden.
Die Luft-Wasser-Wärmepumpen können sowohl innerhalb als auch außerhalb des Hauses aufgestellt werden. Sogenannte Split-Wärmepumpen bestehen aus einer Außeneinheit mit dem Ventilator für die Luftansaugung und dem Verdichter sowie aus einer leisen Einheit für eine platzsparende Aufstellung im Haus mit dem Wärmetauscher, der Umwälzpumpe und Regelungstechnik.
Diese Technologie hat die günstigsten Investitionskosten, wird daher am häufigsten eingebaut. Allerdings sinkt ihre Effizienz im Winter, da bei sinkender Temperatur der Wärmequelle “Außenluft” der Heizwärmebedarf ansteigt.
Sole-Wasser-Wärmepumpe
Sole-Wasser-Wärmepumpen, auch Erdwärmepumpen oder Solewärmepumpen genannt, nutzen die im Erdreich enthaltene Wärme für die Heizung. Dies geschieht entweder über nah an der Oberfläche verlegte Erdkollektoren oder über Sonden, die thermische Energie aus 40 bis 100 Meter Tiefe ziehen.
Durch die, im Vergleich zur Außenluft, höheren Temperaturen im Erdreich erreichen Erdwärmepumpen in der Regel einen höheren Wirkungsgrad. Dafür sind ein größerer Aufwand für die Planung und eventuell behördliche Genehmigungen erforderlich. Zusätzlich entstehen Kosten für die Erdkollektoren oder Erdsonden.
Wasser-Wasser-Wärmepumpe
Eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe arbeitet mit den konstanten Temperaturen des Grundwassers als Wärmequelle. Um die Wärme nutzen zu können, benötigt die sogenannte Grundwasser-Wärmepumpe einen Saugbrunnen für die Entnahme des Wassers und einen Schluckbrunnen für die Abgabe bzw. Rückleitung des Wassers.
Diese Wärmepumpen arbeiten besonders effizient, da die Temperaturen des Grundwassers im Jahresverlauf konstant bleiben. Für die Nutzung des Grundwassers ist jedoch eineGenehmigung erforderlich. Es müssen auch die Kosten für die Bohrungen der Brunnen berücksichtigt werden.
Luft-Luft-Wärmepumpe
Luft-Luft-Wärmepumpen kommen zum Einsatz, wenn eine herkömmliche Heizungsanlage nicht benötigt wird oder aus baulichen Gründen nicht eingesetzt werden kann. Dies ist zum Beispiel bei Gebäuden mit einem sehr geringen Wärmebedarf der Fall. Sie funktioniert wie eine Luft-Wasser-Wärmepumpe, mit Außenluft oder Abluft als Wärmequelle. Der Unterschied ist jedoch, dass sie ihre Wärme an ein Lüftungssystem abgibt und die Zuluft erwärmt.
Luft-Luft-Wärmepumpen eignen sich besonders gut für ein Passivhaus, wenn die Lüftung für die Heizung sorgt. In diesem Fall wird die Wärmepumpe mit dem Lüftungssystem mit Wärmerückgewinnung kombiniert.
Weitere Wärmepumpen
Die genannten Arten der Wärmepumpen sind bisher in der Praxis am gebräuchlichsten. Es gibt aber noch weitere Arten, die immer wieder erwähnt werden.
Eine Solar-Wärmepumpe kann auf verschiedene Arten realisiert werden. Die thermische Solaranlage kann die Wärmepumpe unterstützen und den Pufferspeicher mit Solarwärme füllen. Alternativ kann die Solarwärme das Erdreich erwärmen, um die Effizienz der Erdwärmepumpe zu verbessern oder die Wärmepumpe das Wasser der Solaranlage als Wärmequelle nutzen.
Eisspeicher-Wärmepumpen nutzen die Wärme des Wassers in einem Speicher, die Erdwärme und die Kristallisationsenergie, die beim Gefrieren des Wassers frei wird. Diese Technologie ist besonders effizient und umweltfreundlich, sie kann mit einer thermischen Solaranlage für die Regeneration verbunden werden.
Abwasser hat über das Jahr hinweg eine relativ konstante Temperatur zwischen 10 und 20°C und bietet sich daher ebenfalls als Wärmequelle für Wasser-Wasser-Wärmepumpen an. Ein Wärmetauscher entzieht dem Abwasser die Wärme und leitet sie an die Wärmepumpe weiter.
Effizienz und Stromverbrauch der Wärmepumpen
Wärmepumpen nutzen die Antriebsenergie, um kostenlos verfügbare Umweltwärme für die Heizung und Warmwasserbereitung nutzbar zu machen. Aus einer Kilowattstunde Strom für den Antrieb können sie drei bis fünf Kilowattstunden Wärme erzeugen.
Die Effizienz der Wärmepumpen wird mit der Jahresarbeitszahl (JAZ) angegeben. Diese errechnet man aus der Division der erzeugten Heizenergie durch die eingesetzte Antriebsenergie in Kilowattstunden pro Jahr. Je höher der errechnete Wert ist, desto höher ist die Effizienz des Wärmepumpensystems.
JAZ = Heizenergie pro Jahr / Stromverbrauch pro Jahr
Die Effizienz und der Stromverbrauch sind von verschiedenen Faktoren abhängig:
Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle und Heizungssystem: Bei geringerem Unterschied zwischen Temperatur der Wärmequelle und der Vorlauftemperatur des Heizungssystems steigt die Effizienz der Wärmepumpe.
Heizwärmebedarf des Gebäudes: Bei effizienten Gebäuden mit geringem Bedarf muss die Wärmepumpe weniger Arbeit verrichten.
Effizienz des Kompressors (Verdichtertechnologie): Inverter-Wärmepumpen können den Kompressor stufenlos an den Bedarf anpassen, statt ihn nur ein- und auszuschalten.
Kältemittel: Die Eigenschaften des Kältemittels, das in der Wärmepumpe zirkuliert, haben einen Einfluss auf die Effizienz der Wärmepumpe.
Heizungssystem: Die Abstimmung der Komponenten im Heizungssystem mit Wärmepumpe, Speicher, Rohrleitungen und Heizflächen wirkt sich auf den Gesamtwirkungsgrad der Wärmepumpe aus.
Fazit
Auf dem Markt stehen unterschiedliche Technologien der Wärmepumpe zur Verfügung. Aus den Faktoren Lage, Größe und Effizienz der Gebäude und den vorhandenen Wärmequellen (Außenluft, Erdwärme, Grundwasser) kann die geeignete Technologie zusammengestellt werden. Je nach System kann die Wärmepumpe das drei- bis fünffache an Wärmeenergie bereitstellen. In Verbindung mit Strom aus der eigenen PV-Anlage erhöhen Sie den Eigenverbrauch des selbst erzeugten Stroms und verbessern Ihre Klimabilanz. Dies verringert Ihre Kosten für das Heizen Ihres Hauses.
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