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Wärmepumpen

Die Auswahl des passenden Heizkessels hängt von Faktoren wie Leistungsanforderungen, Brennstoffart und Umweltauflagen ab

Heizkessel sind ein wichtiger Bestandteil der Wärmeerzeugung in gewerblichen und industriellen Anwendungen. Niedertemperaturkessel und Brennwertkessel sind zwei gängige Kesseltypen, die jeweils unterschiedliche Effizienzniveaus bieten. Eine ordnungsgemäße Installation und Inbetriebnahme von Heizkesseln sind entscheidend für ihre Langlebigkeit und Leistungsfähigkeit.

Wärmepumpen
Funktionsweise der Wärmepumpen
Arten von Wärmepumpen
Die Jahresarbeitszahl
Erd-Wärmepumpe
Luft-Wärmepumpe
Gebrauchswarmwasserbereitung
Durchflusssystem
Speichersystem
Speicherladesystem

Wärmepumpen

Das Einsatzgebiet der Wärmepumpe für die Wassererwärmung ist dort gegeben, wo Wärmequellen niederen Temperaturniveaus, z.B. Außenluft, Abwasser oder Abwärme, genutzt werden können. Meist ist eine zusätzliche konventionelle Wärmeerzeugung notwendig, bestehend aus Heizflächen, Rohrleitungen und den Armaturen.

Funktionsweise der Wärmepumpen

Wärmepumpen können heizen oder kühlen. Sie „pumpen“ Wärme von einem niedrigen Temperaturniveau auf ein höheres und umgekehrt. Der Wärmepumpen-Prozess im Inneren der Maschine ist quasi die Umkehrung eines Wärme-Kraft-Prozesses (z.B. Kühlschrank). Die von der Wärmepumpe gewonnene Nutzwärme steht für Heizzwecke zur Verfügung und zwar i.d.R. im Niedertemperaturbereich.

die indirekt gespeicherte Sonnenenergie, die in der Luft vorhanden ist,
die Wärmeenergie von Wasser,
die im Erdreich vorhandene Wärmeenergie,
Abwärme aus Prozessen
oder gar die direkte Sonnenstrahlung.

Wärmepumpenkreislauf

Die Wärmepumpe wird zur Umwandlung von Umweltwärme in Heizungswärme mit elektrischem Strom angetrieben. Fußboden- und Wandheizungen, also Niedertemperatur-heizungen, sind optimal für den Wärmepumpenbetrieb. Das ist so, weil Wärmepumpen umso effektiver arbeiten, je geringer das Verhältnis von Außentemperatur zu der Systemtemperatur ist. Von 100% Heizenergie können 75% aus der Umwelt stammen. Mit dem Zuschalten von thermischen Solaranlagen lässt sich der Anlagenwirkungsgrad noch steigern. Das Bild zeigt, wie eine Wärmepumpe funktioniert.

Grundsätzlich unterscheidet man:

die Kompressionswärmepumpe und
die Absorptions- bzw. Adsorptionswärmepumpe (Gaswärmepumpe).

Häufiger gibt es die Kompressionswärmepumpe, welche die Verdampfungswärme des Kältemittels nutzt. Der Antrieb des Kompressors erfolgt üblicherweise durch Elektroenergie.

Ein Kältemittel durchläuft die folgenden Aggregate:

Verdampfer,
Kompressor (Verdichter),
Kondensator (Verflüssiger)
und ein Expansionsventil (Druckminderer).

Auch die Absorptionswärmepumpe arbeitet ebenfalls nach einem geschlossenen thermodynamischen Kreislauf, aber die Übertragung der Wärme erfolgt durch einen physikalisch-chemischen Prozess in einem Lösungsmittelkreislauf, und die Energie wird durch eine Wärmequelle eingebracht.

Die Tabelle beschreibt die Funktion des Kreislaufes in der Absorptionswärmepumpe.

Was?	Wie?
Verdampfer	Die Umweltenergie aus der Luft, der Erde oder dem Wasser bringt bei Temperaturen von z.B. 10°C das in der Wärmepumpe zirkulierende Kältemittel (tiefer Siedepunkt) zum Verdampfen.
Kompressor/ Verdichter	Der Kompressor komprimiert das verdampfte Medium auf hohen Druck und hohe Temperatur.
Kondensator/ Verflüssiger	Die Energie befindet sich nun auf einem hohen Temperaturniveau, welches übertragbar ist. Die Übertragung erfolgt an das Heizmedium. Dabei verflüssigt sich das Kältemittel wieder.
Expansionsventil	Der Druck wird wieder abgebaut. Der Kreislauf beginnt von vorn.

Funktionsbeschreibung

Bezüglich der Betriebsweise von Wärmepumpen unterscheidet man:

Monovalenz	Bivalenz
Die Wärmepumpe deckt ganzjährig den vollen Wärmebedarf.	Der Bedarf an Wärme kann nur bis zu einer bestimmten Außentemperatur gedeckt werden. Der Restbedarf muss anderweitig (z.B. Gasheizkessel) gedeckt werden.

Monovalenter vs. bivalenten Betrieb

Die Jahresarbeitszahl

Die Jahresarbeitszahl (JAZ) dient dem Effizienzvergleich. Vereinfacht ausgedrückt ist die JAZ der Quotient aus erzeugter Heizwärme und dem dafür benötigten Strom, bezogen jeweils auf ein volles Jahr.

JAZ = Heizwärme (kWh/a) / Strom (kWh/a)

Eigentlich erfolgt durch die Hersteller eine Angabe, die sich „individuelle Effizienz“ nennt. Das ist eine Leistungszahl, die experimentell auf dem Prüfstand ermittelt wird und daher nicht den Praxisbetrieb abbildet.

Fallbeispiel:

Eine Wärmepumpe produziert 10 kWh Wärme mit 2,5 kWh Strom und 7,5 kWh Umweltwärme. Teilt man die Wärmemenge (10 kWh) durch den aufgewendeten Strom (2,5 kWh), erhält man eine Jahresarbeitszahl von 4. Die Heizung nutzt einen Teil Strom und drei Teile Umweltwärme, zusammen also vier Teile an gesamter Heizwärme.

Wie wird die JAZ festgestellt?

Mit Hilfe von Berechnung. Diese ist wichtig bei der Fördermittelbeantragung, denn da kann man noch nichts in der Praxis messen. Die Berechnungsvorschrift findet man in der VDI-Richtlinie 4650: „Berechnungen von Wärmepumpen“. Die Grundlage sind die COP-Werte. Mit zu wählenden Korrekturfaktoren erfolgt die Anpassung an die zu er-wartende Praxis. Auch dient die Berechnung zum Nachweis, dass man die Vorgaben des Erneuerbare-Energien-Wärmegesetzes (EEWärmeG) einhält.
Mit Hilfe von Messung im realen Betrieb. Dafür müssen ein gesonderter Stromzähler und ein Wärmemengenmessgerät vorhanden sein.

Beide Werte weichen voneinander ab um den „Unterschied zwischen Theorie und Praxis“.

Nun wollen wir noch kurz den Unterschied zwischen Erd- und Luft-Wärmepumpe betrachten.

Erd-Wärmepumpe (geothermisches Verfahren)

Erd-Wärmepumpen

Beim geothermischen Verfahren wird entsprechend des Bedarfs eine Sonde (ggf. auch mehrere) 50-100 Meter tief in den Boden eingebracht. Eine Wärmeträgerflüssigkeit transportiert die dort unten vorgefundene Erdwärme zur Wärmepumpe. Wegen der konstanten Erdtemperatur ist die Effizienz ganzjährig nahezu gleich.

Man unterscheidet bei den Erdwärmepumpen in Abhängigkeit vom Heizmedium (Träger), an das die Wärme des Erdreiches (= Sole) abgegeben wird

Sole/Wasser-Wärmepumpen und
Sole/Luft-Wärmepumpen.

Luft-Wärmepumpe

Luft-Wärmepumpe(n)

Bei einer Luft-Wärmepumpe wird über ein leises Gebläse Außenluft angesaugt. Ein Wärmeübertrager entzieht der Luft die Wärmeenergie. In der Wärmepumpe erfolgt die Umwandlung in Nutzenergie. Diese Methode ist (materiell) wenig aufwendig und daher gut für die Umstellung von bereits vorhandenen Heizungssystemen auf Wärmepumpenbetrieb geeignet

Abhängig von dem Heizmedium (Träger), an das die Wärme aus der Umgebungsluft abgegeben wird, unterscheidet man:

Luft/Wasser-Wärmepumpen
Luft/Luft-Wärmepumpen

Für die Trinkwassererwärmung (TWE) kommen drei unterschiedliche Techniken zum Einsatz:

das Durchflusssystem,
das Speichersystem und
das Speicherladesystem.

Die Varianten können primär (direkt am Fernwärmenetz) oder sekundär (indirekt nach Wärmetauscher) angeschlossen werden. Das Durchflusssystem macht nur Sinn bei primärem Anschluss (hohe Anschlussleistung nur für WW erforderlich), da Wärmetauscher für den indirekten Anschluss sonst überdimensioniert ausgelegt werden. Speichersystem und Speicherladesystem eignen sich auch gut für den sekundären Anschluss.

Durchflusssystem

Beim Durchflusssystem wird das Trinkwasser direkt zum Bedarfszeitpunkt über einen Platenwärmetauscher erwärmt.

Die Vorteile bei diesem System sind:

Tiefe Rücklauftemperatur
Geringe Kosten
Geringer Platzbedarf
Geringe Bereitschaftsverluste
Verminderte Legionellenproblematik.

Die Nachteile sind:

Hohe Anschlussleistung erforderlich
Benötigt eine gute (aufwendige) Regelung.

Durchflusssystem

Speichersystem

Im Speichersystem wird ein Warmwasserspeicher über den im Speicher befindlichen Wärmetauscher aufgeheizt. Die Vorteile hierbei sind folgende:

Hohe Zapfmenge möglich
Unempfindlich gegen Kalk
Geringe Anforderungen an die Regelung,

Und die Nachteile ergeben sich wie folgt:

Ansteigende Rücklauftemperatur während des Ladevorganges
Wärmeverluste des Speichers
Abnehmende Aufheizleistung während des Ladevorganges
Legionellenproblematik.

Speicherladesystem

Das Speicherladesystem ist eine Kombination von Durchfluss- und Speicherprinzip. Die Aufladung des Speichers erfolgt über Wärmetauscher und Ladepumpe (Keislauf mit Trinkwarmwasser). Lastspitzen werden über den Speicher abgedeckt.

Vorteile:

Tiefe Rücklauftemperatur
Hohe Zapfmenge möglich
Kleine konstante Ladeleistung (Reduzierung des Anschlusswertes)
Hoher Nutzungsgrad des Speichers

Nachteile:

Hohe Investition
benötigt eine aufwendige Regelung
Wärmeverluste des Speichers
Legionellenproblematik.

Durchflusssystem