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| Wärmekreislauf bei einer Wärmepumpe (Quelle: Wikipedia) |
Das Grundprinzip der Wärmepumpe kann anhand der Arbeitsweise eines Kühlschrankes erklärt werden. Dort wird dem Kühlgut über den Verdampfer Wärme entzogen und über den Verflüssiger an der Rückseite des Gerätes in
den Raum abgegeben. Bei der Wärmepumpe entzieht der Verdampfer die Wärme aus der Umwelt (Wasser, Erdreich, Außenluft) und führt sie über den Verflüssiger dem Heizsystem (Fußbodenheizung, Radiatoren) zu.
Der Kreisprozess, siehe Abbildung, erfolgt nach einfachen physikalischen Gesetzmäßigkeiten. Das Arbeitsmittel, eine schon bei niedriger Temperatur siedende Flüssigkeit (auch als Kältemittel bezeichnet), zirkuliert in einem Kreislauf und wird nacheinander verdampft, verdichtet, verflüssigt und entspannt. Im Verdampfer befindet sich das Kältemittel bei niedrigem Druck. Die Umgebungstemperatur des Verdampfers ist höher als die dem Druck entsprechende Siedetemperatur des Arbeitsmittels. Diese Temperaturdifferenz bewirkt eine Wärmeübertragung von der Umgebung auf das Kältemittel, wobei das Kältemittel siedet und verdampft (Siehe 3). Die dazu erforderliche Wärme wird der Wärmequelle (Wasser, Erdreich, Außenluft) entzogen. Das nun dampfförmige Kältemittel wird vom Verdichter aus dem Verdampfer abgesaugt und verdichtet (siehe 4). Bei der Verdichtung steigt der Druck des Dampfes und dessen Temperatur. Vom Verdichter aus gelangt der Kältemitteldampf in den Verflüssiger, der vom Heizwasser umspült wird (siehe 1). Die Temperatur dieses Wasserstromes ist niedriger als die Verflüssigungstemperatur des Kältemittels, so dass der Dampf gekühlt und dabei wieder verflüssigt wird. Die im Verdampfer aufgenommene Energie (Wärme), zuzüglich der durch das Verdichten zugeführten Energie (elektrischer Strom), wird im Verflüssiger freigesetzt und an den kälteren Heizwasserstrom abgegeben. Nach dem Verflüssigen wird das Kältemittel über ein Expansionsorgan in den Verdampfer zurückgeführt. Das Kältemittel wird von dem hohen Druck im Verflüssiger auf den niedrigen Druck im Verdampfer entspannt (expandiert) (siehe 2). Beim Eintritt in den Verdampfer sind der Anfangsdruck und die Anfangstemperatur wieder erreicht. Der Kreislauf ist geschlossen und beginnt von neuem. (Quelle: Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg "Energie sparen durch Wärmepumpenanlagen).
Das Fraunhofer-Institut hat zu Wärmepumpen eine sehr interessante Studie durchgeführt. Während der Projektdurchführung wird in ausgewählten Ein- und Mehrfamilienhäusern der Austausch der Ölkessel gegen eine Sole-Wasser, Wasser-Wasser oder Luft-Wasser Wärmepumpe vorgenommen. Mit Einverständnis der Bewohner werden die energetischen Daten gesammelt, dokumentiert und die Wärmepumpen sowie deren Effizienz bewertet. Auf diese Studie bezieht sich auch ein Artikel im aktuellen Heft Ökotest: Bauen, Wohnen & Renovieren.
Die Effizienz einer Wärmepumpe wird durch die sogenannte Jahresarbeitszahl (JAZ) beschrieben. Sie errechnet sich aus der gewonnenen Energie (Wärme) im Verhältnis zur eingesetzten Energie (Strom). So erzeugt eine Wärmepumpe mit einer Jahresarbeitszahl von 4 die vierfache Menge an Wärme bezogen auf die eingesetzte Energie/Strom. D. h. aus 1 kWh Strom erzeugt die Wärmepumpe 4 kWh Wärme.
Schaut man sich die Studie des Fraunhoferinstituts an, so sehen besonders die Ergebnisse von Wärmepumpen, die Erdwärme als Energiequelle nutzen, sehr gut aus. Sie erreichten eine durchschnittliche JAZ von 3,88, also aus 1 kWh Strom erzeugten sie 3,88 kWh Wärme. Im zweiten Teil der Studie, wo noch modernere Wärmepumpen zum Einsatz kamen, lag die durchschnittliche JAZ sogar bei knapp 4,1. Hierbei schnitten Wärmepumpen, die eine Tiefensonde nutzen besser ab als Pumpen die oberflächennahe Kollektoren einsetzen.
Schlechter sehen die Ergebnisse von Wärmepumpen aus, die die Außenluft als Energiequelle nutzen. hier lag die durchschnittliche JAZ nur bei 2,88. Das verwundert auch nicht, denn je höher die Differenz zwischen dem Temperaturniveau der Energiequelle und der Heizung ist, desto effizienter kann die Wärmepumpe arbeiten. Aber gerade in den Wintermonaten, wo die Heizung am stärksten benötigt wird, ist die Außenluft sehr kalt und somit kann ihr auch nur wenig Energie entzogen werden. Wärmepumpen gleichen dann die fehlende Wärmemenge durch einen elektrisch betriebenen Heizstab aus. Dadurch sinkt natürlich der Wirkungsgrad und die JAZ. Bei der Nutzung von Erdwärme ist das Temperaturniveau der Quelle nahezu Jahreszeit unabhängig (besonders bei Tiefensonden).
Auf Grund der oben erwähnten Temperaturdifferenzen ist auch eine Fußbodenheizung nahezu Pflicht bei der Verwendung von Wärmepumpen, da sie mit sehr niedrigen Vorlauftemperaturen (ca. 35°C) arbeitet. Alternativen sind Wandheizungen oder Heizkörper, die von der Fläche für niedrige Vorlauftemperaturen ausgelegt sind. Das ist aber meist nicht wirtschaftlich.
Am effizientesten Arbeiten im Übrigen moderne Wärmepumpen ohne Wasserpuffer. Die neuen Anlagen regeln Ihre Kompressoren entsprechend der notwendigen Leistung. Damit ist ein puffern der Energie nicht notwendig und man umgeht die Wärmeverluste eines Zwischenspeichers. Bei älteren Anlagen war das noch nicht möglich, und so war es bei diesen Anlagen sinnvoll, die erzeugte Wärme in einem Zwischenspeicher zu puffern. Nachteilig ist, dass man ohne Pufferspeicher andere energiequellen wie zum Beispiel ein Solarthermie-Panel oder ein Kamin mit Wassertasche nicht oder nur mit hohem Aufwand nutzen kann. Aber gerade ein solarthermie-Panel macht bei Wärmepumpen nur bedingt Sinn, denn im Winter, wenn die Wärmepumpe am stärksten läuft, ist der Wirkungsgrad eines Solarpanels am schlechtesten.
Bei der Ökobilanz von Wärmepumpen scheiden sich die Geister. Das Problem: Die Wärmepumpe benötigt Strom für den Kompressor. D. h. die Ökobilanz richtet sich stark danach, wie der für die Wärmepumpe benötigte Strom erzeugt wurde. Am idealsten wäre es sicher, den strom durch Photovoltaik gleich selbst zu erzeugen. Die Investitionskosten in eine solche Anlage steigen damit aber gleich dramatisch an. Eine andere Alternative ist, mit dem eigenen Stromlieferanten einen entsprechenden Vertrag abzuschließen, der nur die Lieferung von Strom aus erneuerbaren Energien enthält.
So, rechnen muss dann wohl jeder selbst (lassen) :-) Wir haben uns für eine Wärmepumpe mit Tiefensonde entschieden. Die Investitionskosten liegen inkl. Bohrung bei ca. 13.000 EUR (Uff).