Kompressionswärmepumpe: Was ist eine Wärmepumpe mit Kompressor?

Was ist eine Wärmepumpe mit Kompressor?

Eine Kompressionswärmepumpe ist eine Heizungsanlage, die Wärme aus einer Quelle mit niedrigerer Temperatur aufnimmt und sie mit Hilfe von mechanischer Energie und einem Kältemittel auf eine höhere Temperatur bringt, um damit Räume zu beheizen. Dabei nutzt sie den Kompressionsprozess des Kältemittels, um die Wärmeenergie effizient zu übertragen und so eine energieeffiziente Heizlösung zu bieten.

Funktionsweise Kompressionswärmepumpe (Bildquelle: designua – stock.adobe.com)

Kompressionswärmepumpe ist ein Begriff, der im Zusammenhang mit der Installation und dem Betrieb einer Wärmepumpe verwendet wird. Eine Wärmepumpe ist ein Heiz- und Kühlsystem, das in der Lage ist, Wärmeenergie von einem Ort mit niedrigerer Temperatur auf einen Ort mit höherer Temperatur zu übertragen. Eine Kompressionswärmepumpe verwendet einen Kompressor, um das Kältemittel zu verdichten und zu komprimieren. Dadurch erhöht sich der Druck und die Temperatur des Kältemittels, wodurch es in der Lage ist, Wärme von einer Quelle mit niedriger Temperatur (z. B. Erdreich, Luft oder Wasser) auf eine Quelle mit höherer Temperatur im Gebäude zu übertragen.

Bei der Installation einer Kompressionswärmepumpe werden in der Regel je nach Wärmepumpentyp Kollektoren oder Sonden im Erdreich oder Außeneinheiten außerhalb des Gebäudes installiert. Das Kältemittel zirkuliert in einem geschlossenen System, das aus Verdampfer, Verdichter, Kondensator und Expansionsventil besteht. Während des Betriebs wird das Kältemittel im Verdampfer durch die Niedertemperaturquelle erwärmt und verdampft, wodurch es in den gasförmigen Zustand übergeht. Der Verdichter saugt das gasförmige Kältemittel an, verdichtet es und erhöht dadurch Druck und Temperatur. Das komprimierte Kältemittel strömt dann in den Kondensator, wo es die aufgenommene Wärme an das Heizsystem des Gebäudes abgibt und wieder in den flüssigen Zustand übergeht. Anschließend wird das flüssige Kältemittel durch das Expansionsventil entspannt und kehrt zum Verdampfer zurück, um den Kreislauf von neuem zu beginnen.

Der Betrieb einer Kompressionswärmepumpe ermöglicht die effiziente Nutzung von Umweltwärme und deren Übertragung in ein Gebäude zur Beheizung. Dieses Verfahren ermöglicht erhebliche Energieeinsparungen, da für den Betrieb der Wärmepumpe im Vergleich zur direkten Wärmeerzeugung weniger Primärenergie benötigt wird. Darüber hinaus können viele Kompressionswärmepumpen im Sommer auch zur Klimatisierung eingesetzt werden, indem der Prozess umgekehrt wird und Wärme aus dem Gebäude abgeführt wird.

Wie funktioniert die Kompressionswärmepumpe?

Eine Kompressionswärmepumpe arbeitet nach dem Prinzip der Wärmeübertragung von einer kälteren auf eine wärmere Umgebung mit Hilfe eines Kältemittels und eines Verdichters. Der Prozess beginnt mit dem Verdampfer, der sich in der Quellenumgebung befindet, z. B. der Umgebungsluft, dem Grundwasser oder dem Erdreich. Das Kältemittel im Verdampfer hat einen niedrigen Siedepunkt und nimmt die Umgebungswärme auf. Dabei verdampft das Kältemittel und geht vom flüssigen in den gasförmigen Zustand über.

Das gasförmige Kältemittel wird vom Verdichter angesaugt. Der Kompressor erhöht den Druck des Kältemittels, wodurch sich seine Temperatur weiter erhöht. Dieser Prozess benötigt Energie, die normalerweise von einem Elektromotor geliefert wird. Der Kompressor verdichtet das gasförmige Kältemittel, wodurch sowohl der Druck als auch die Temperatur stark ansteigen. Dadurch wird das Kältemittel sehr heiß.

Das heiße, komprimierte Kältemittel strömt nun in den Kondensator, der sich in einer wärmeren Umgebung befindet, zum Beispiel im Inneren eines Gebäudes. Im Kondensator gibt das Kältemittel die Wärmeenergie ab, die es im Verdampfer aufgenommen hat. Dabei kühlt das Kältemittel ab und geht vom gasförmigen in den flüssigen Zustand über. Die abgegebene Wärmeenergie wird über einen Wärmetauscher auf das Heizsystem des Gebäudes übertragen, um Räume zu beheizen oder Warmwasser zu erzeugen.

Nachdem das Kältemittel seine Wärme abgegeben hat, strömt es durch das Expansionsventil. Das Expansionsventil verringert den Druck des Kältemittels und lässt es zurück in den Verdampfer strömen, wo der Prozess von neuem beginnt. Aufgrund des niedrigen Drucks im Verdampfer verdampft das Kältemittel erneut und nimmt wieder Wärme auf.

Der Betrieb einer Kompressionswärmepumpe erfordert einen kontinuierlichen Kältemittelkreislauf und eine geeignete Steuerung der verschiedenen Komponenten wie Verdampfer, Verdichter, Kondensator und Expansionsventil. Durch diesen Kreislauf wird die Umgebungswärme effizient genutzt und auf ein höheres Temperaturniveau gebracht, um den Heiz- und Kühlbedarf zu decken. Die Effizienz einer Kompressionswärmepumpe wird durch den Coefficient of Performance (COP) gemessen, der das Verhältnis der abgegebenen Heizleistung zur aufgenommenen Antriebsleistung angibt.

Welche Wärmequellen können mit einer Kompressionswärmepumpe genutzt werden?

Eine Kompressionswärmepumpe kann verschiedene Wärmequellen nutzen, um thermische Energie zu gewinnen. Die Wahl der Wärmequelle hängt von den örtlichen Gegebenheiten, der Verfügbarkeit und den spezifischen Anforderungen ab. Nachfolgend sind einige gängige Wärmequellen aufgeführt, die mit einer Kompressionswärmepumpe genutzt werden können:

Umgebungsluft: Eine Luftwärmepumpe entzieht der Außenluft Wärmeenergie. Dazu wird die Umgebungsluft mit einem Ventilator durch den Verdampfer der Wärmepumpe geleitet. Diese Art von Wärmepumpe ist einfach zu installieren und benötigt keinen Zugang zu Erd- oder Wasserquellen. Die Effizienz einer Luftwärmepumpe kann jedoch von der Außentemperatur abhängen, da sie in extrem kalter Umgebung weniger effizient arbeitet.
Grundwasser: Eine Grundwasserwärmepumpe nutzt das Grundwasser als Wärmequelle. Dazu werden Brunnen oder Erdsonden installiert, die das Grundwasser anzapfen. Die Temperatur des Grundwassers ist stabiler als die der Außenluft, was zu einem höheren Wirkungsgrad der Wärmepumpe führt. Die Installation einer Grundwasserwärmepumpe setzt jedoch einen ausreichenden Zugang zu Grundwasserressourcen voraus und kann Genehmigungen und spezielle Bohrungen erfordern.
Erdwärme: Erdwärme oder Geothermie kann als Wärmequelle für eine Erdwärmepumpe genutzt werden. Dazu werden Rohre, so genannte Erdwärmesonden, entweder horizontal in flachen Gräben oder vertikal in tiefen Bohrlöchern in den Boden eingebracht. Das Erdreich hat eine relativ konstante Temperatur, die je nach Region zwischen 5 und 20 Grad Celsius liegt. Dadurch kann eine Erdwärmepumpe das ganze Jahr über effizient und mit konstanter Leistung arbeiten. Die Installation einer Erdwärmepumpe erfordert jedoch spezielle Bohrungen oder Grabungen und kann mit entsprechenden Kosten verbunden sein.
Oberflächenwasser: Befindet sich ein See, Fluss oder Bach in der Nähe des Gebäudes, kann Oberflächenwasser als Wärmequelle genutzt werden. Mit Hilfe von Wärmetauschern wird die Wärmeenergie des Oberflächenwassers auf das Kältemittel der Wärmepumpe übertragen. Die Nutzung von Oberflächenwasser erfordert eine geeignete Wasserzufuhr und eine sorgfältige Prüfung der Umweltauswirkungen.

Wichtig ist, dass die Wahl der Wärmequelle von den örtlichen Gegebenheiten und den individuellen Anforderungen abhängt. Faktoren wie die zur Verfügung stehende Fläche, die Umgebungstemperatur, der Zugang zu Wasserquellen und gesetzliche Bestimmungen können die Entscheidung beeinflussen.

Wie effizient ist eine Kompressionswärmepumpe im Vergleich zu anderen Heizsystemen?

Eine Kompressionswärmepumpe ist im Vergleich zu vielen herkömmlichen Heizsystemen eine sehr effiziente Heiz- und Kühllösung. Die Effizienz einer Wärmepumpe wird normalerweise durch den Coefficient of Performance (COP) gemessen. Der COP gibt das Verhältnis der abgegebenen Heizleistung zur aufgenommenen Antriebsleistung an.

Im Allgemeinen haben Kompressionswärmepumpen COP-Werte zwischen 3 und 5, was bedeutet, dass sie für jede aufgenommene Einheit elektrischer Energie etwa 3 bis 5 Einheiten Heizenergie liefern können. Dies entspricht einem Wirkungsgrad von 300-500%. Im Vergleich dazu haben Öl- oder Gasheizungen typischerweise Wirkungsgrade von 80-98%, was einer Effizienz von 80-98% entspricht.

Der hohe Wirkungsgrad von Kompressionswärmepumpen beruht auf dem Prinzip der Wärmeübertragung anstelle der direkten Wärmeerzeugung. Da Wärmepumpen Wärmeenergie aus der Umgebung oder dem Erdreich entziehen, anstatt sie durch Verbrennung zu erzeugen, nutzen sie vorhandene Energiequellen effizient. Der größte Teil der von einer Kompressionswärmepumpe erzeugten Wärme stammt aus der Umgebung, nur ein kleiner Teil wird in Form von Antriebsenergie (elektrischer Strom) aufgewendet.

Es ist wichtig zu beachten, dass die Effizienz einer Kompressionswärmepumpe stark von Faktoren wie der Quellentemperatur, der Betriebslast und den Systemeinstellungen abhängt. Bei niedrigen Außentemperaturen sinkt die Leistungszahl in der Regel etwas, da der Unterschied zwischen der Außentemperatur und der Zieltemperatur im Gebäude größer wird. Um die Effizienz zu maximieren, können zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden, wie z.B. eine optimale Wärmedämmung des Gebäudes oder die Kombination mit solarer Wärmeerzeugung.

Im Vergleich zu herkömmlichen Heizsystemen wie Öl- oder Gasheizungen bieten Kompressionswärmepumpen eine Reihe von Vorteilen, darunter niedrigere Betriebskosten, geringere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen, geringere CO2-Emissionen und die Nutzung erneuerbarer oder natürlicher Wärmequellen. Die Effizienz und die Einsparungen können je nach den spezifischen Bedingungen und dem Vergleich mit dem derzeitigen Heizsystem des Gebäudes variieren.

Wie groß muss eine Kompressionswärmepumpe sein, um mein Haus zu heizen?

Die Größe einer Kompressionswärmepumpe, die für die Beheizung eines Hauses benötigt wird, hängt von verschiedenen Faktoren ab. Die richtige Dimensionierung ist wichtig, um sicherzustellen, dass die Wärmepumpe sowohl effizient als auch leistungsstark genug ist, um den Heizbedarf des Hauses zu decken. Dabei sind einige Aspekte zu berücksichtigen:

Wärmedämmung des Hauses: Die Qualität der Wärmedämmung des Gebäudes beeinflusst den Heizbedarf. Ein gut gedämmtes Haus benötigt weniger Heizenergie als ein schlecht gedämmtes Gebäude. Informationen über die Dämmung, wie z.B. U-Werte von Wänden, Fenstern und Dach, sind wichtig, um die benötigte Heizleistung abzuschätzen.
Gebäudegröße und Raumvolumen: Die Größe des Hauses und das Volumen der zu beheizenden Räume spielen bei der Dimensionierung eine Rolle. Je größer das Haus und das Raumvolumen, desto mehr Heizleistung wird benötigt.
Klimatische Bedingungen: Die durchschnittliche Außentemperatur in der Region, in der das Haus steht, ist ebenfalls wichtig. In kälteren Klimazonen wird mehr Heizleistung benötigt, um die Innentemperatur zu halten.
Heizlastberechnung: Eine detaillierte Heizlastberechnung durch einen Fachmann ist empfehlenswert. Dabei werden verschiedene Faktoren wie Gebäudegröße, Wärmedämmung, Fensterflächen, Ausrichtung des Gebäudes, interne Wärmegewinne (z.B. durch Beleuchtung, Elektrogeräte) und die lokalen klimatischen Bedingungen berücksichtigt, um die genaue Heizleistung zu ermitteln, die erforderlich ist, um das Haus unter den kältesten Bedingungen zu beheizen.

Bei der Dimensionierung einer Wärmepumpe sollte darauf geachtet werden, dass die Leistung der Wärmepumpe weder zu klein noch zu groß ist. Eine zu kleine Wärmepumpe kann Schwierigkeiten haben, die erforderliche Heizleistung zu erbringen, während eine überdimensionierte Wärmepumpe ineffizient arbeiten und unnötig hohe Anschaffungskosten verursachen kann.

Braucht eine Kompressionswärmepumpe einen zusätzlichen Heizkessel?

Ob eine Kompressionswärmepumpe einen zusätzlichen Heizkessel benötigt, hängt von verschiedenen Faktoren wie dem Wärmebedarf des Gebäudes, den klimatischen Bedingungen, der Dimensionierung der Wärmepumpe und den individuellen Präferenzen des Eigentümers ab. Hier einige Aspekte, die zu berücksichtigen sind:

Heizbedarf des Gebäudes: Eine gut dimensionierte Kompressionswärmepumpe kann in den meisten Fällen den gesamten Heizbedarf eines gut gedämmten Hauses decken. Moderne Wärmepumpen sind leistungsstark genug, um auch bei niedrigen Außentemperaturen ausreichend Wärme zu liefern.
Klimatische Bedingungen: In Regionen mit sehr kalten Wintern oder in Gebieten, in denen extreme Temperaturen auftreten können, kann es sein, dass eine Kompressionswärmepumpe allein nicht ausreicht, um den Heizbedarf des Gebäudes unter extremen Bedingungen zu decken. In solchen Fällen kann es ratsam sein, einen zusätzlichen Heizkessel als Backup-System zu installieren, um die Wärmeversorgung sicherzustellen, wenn die Wärmepumpe ihre maximale Leistung nicht erreichen kann.
Systemflexibilität und Integration: Moderne Kompressionswärmepumpen bieten oft die Möglichkeit, mit anderen Heizsystemen zu interagieren. Es ist möglich, eine Wärmepumpe mit einem vorhandenen Heizkessel zu einem so genannten Hybrid-Heizsystem zu kombinieren. In diesem Fall kann die Wärmepumpe den Großteil der Heizlast übernehmen, während der Heizkessel bei Bedarf einspringt, um die Spitzenlast abzudecken oder die Wärmepumpe bei niedrigen Außentemperaturen zu unterstützen. Dies ermöglicht eine effiziente Nutzung beider Systeme und maximiert den Komfort im Gebäude.
Energieträger und Kosten: Die Entscheidung für einen zusätzlichen Heizkessel hängt auch von den verfügbaren Energieträgern und den damit verbundenen Kosten ab. Wenn z.B. die Strompreise hoch sind und ein kostengünstiger Energieträger wie Gas oder Öl zur Verfügung steht, kann es wirtschaftlich sinnvoll sein, einen Heizkessel als Backup-System zu installieren.

Wie hoch sind die Betriebskosten einer Kompressionswärmepumpe?

Die Betriebskosten einer Kompressionswärmepumpe hängen von mehreren Faktoren ab, unter anderem von der Energieeffizienz der Wärmepumpe, den spezifischen klimatischen Bedingungen, dem Wärmebedarf des Gebäudes, den Kosten des verwendeten Energieträgers und den Wartungskosten. Hier sind einige Aspekte, die es zu beachten gilt:

Energieeffizienz der Wärmepumpe: Die Energieeffizienz einer Kompressionswärmepumpe wird durch den Coefficient of Performance (COP) gemessen, der das Verhältnis der abgegebenen Heizleistung zur aufgenommenen Antriebsleistung angibt. Ein höherer COP-Wert bedeutet eine höhere Effizienz. Moderne Wärmepumpen können einen COP-Wert von 3 bis 5 erreichen, was bedeutet, dass sie für jede aufgenommene Einheit elektrischer Energie etwa 3 bis 5 Einheiten Heizenergie liefern können. Je höher die Leistungszahl, desto niedriger sind die Betriebskosten der Wärmepumpe.
Klimatische Bedingungen: Die Außentemperatur und die spezifischen klimatischen Bedingungen beeinflussen die Effizienz und damit die Betriebskosten der Wärmepumpe. Bei niedrigen Außentemperaturen sinkt die Leistungszahl einer Wärmepumpe in der Regel etwas, da der Unterschied zwischen der Außentemperatur und der Zieltemperatur im Gebäude größer wird. In kälteren Klimazonen können daher zusätzliche Heizmittel oder ein Backup-System erforderlich sein, was die Betriebskosten erhöhen kann.
Heizwärmebedarf des Gebäudes: Der Heizwärmebedarf des Gebäudes beeinflusst die Betriebskosten der Wärmepumpe. Je höher der Heizwärmebedarf, desto mehr Betriebsstunden und Energie werden benötigt, um das Gebäude auf die gewünschte Temperatur zu bringen. Eine genaue Heizlastberechnung durch einen Fachmann kann helfen, den Heizbedarf zu ermitteln und die Betriebskosten der Wärmepumpe abzuschätzen.
Kosten des Energieträgers: Die Betriebskosten einer Kompressionswärmepumpe hängen von den Kosten des verwendeten Energieträgers ab. Wird die Wärmepumpe mit Strom betrieben, hängen die Kosten stark von den Stromtarifen ab. Es ist wichtig, die aktuellen Strompreise zu berücksichtigen, um die Betriebskosten realistisch einschätzen zu können. In einigen Fällen ist es auch möglich, die Wärmepumpe mit erneuerbaren Energien wie Solarstrom zu betreiben, was die Betriebskosten weiter senken kann.

Fazit

Die Kompressionswärmepumpe arbeitet nach dem Prinzip der Wärmeübertragung. Das Kältemittel im Verdampfer nimmt Wärmeenergie aus einer Quelle mit niedrigerer Temperatur auf, zum Beispiel aus der Umgebungsluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser. Anschließend wird das gasförmige Kältemittel im Kompressor verdichtet, wodurch sich sowohl der Druck als auch die Temperatur erhöhen. Im Kondensator gibt das komprimierte Kältemittel die aufgenommene Wärme an das Heizsystem des Gebäudes ab und geht dabei wieder in den flüssigen Zustand über. Schließlich wird das flüssige Kältemittel entspannt und kehrt zum Verdampfer zurück, um den Kreislauf von neuem zu beginnen. Die Kompressionswärmepumpe ermöglicht nicht nur effizientes Heizen, sondern kann im Sommer auch zum Kühlen des Gebäudes eingesetzt werden. Durch Umkehrung des Prozesses wird dem Gebäude Wärme entzogen und nach außen abgegeben. Diese Vielseitigkeit macht die Kompressionswärmepumpe zu einer Ganzjahreslösung für Heizen und Kühlen. Im Vergleich zu herkömmlichen Heizsystemen bietet die Kompressionswärmepumpe eine erhebliche Energieeinsparung. Die Größe einer Kompressionswärmepumpe für Ihr Haus hängt von verschiedenen Faktoren ab, unter anderem von der Wärmedämmung des Gebäudes, der Größe und dem Volumen der Räume sowie den klimatischen Bedingungen.