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Ratgeber Direktverdampfer

Ratgeber Wärmepumpe

Wärmepumpe: Funktion

Bei einer Wärmepumpe wird in einem Kreislaufprozess ein Arbeitsmedium auf ein höheres (nutzbares) Temperaturniveau gebracht. Während als Arbeitsmedium früher FCKW-haltige Mittel eingesetzt wurden, werden in neuen Modellen umweltfreundlichere Mittel verwendet, z.B. Propan, Ammoniak, Propen und eventuell auch CO2.

Wärmepumpen werden mit Hilfe von elektrischer Energie angetrieben. Ihr Prinzip ist in umgekehrter Form bereits vom Kühlschrank bekannt.

Der Kompressor (4) verdichtet (komprimiert) das gasförmige Arbeitsmedium, wodurch es auf ein höheres Temperaturniveau "gehoben" wird (z.B. auf 35°C). Das erwärmte Arbeitsmedium gibt seine Wärme an den Heizkreis (1) ab und kondensiert dabei (es wird wieder flüssig).

Das immer noch unter Druck stehende Arbeitsmedium wird über ein Drosselventil (2) entspannt (auf niedrigeren Druck gebracht). Dabei ist es noch immer flüssig. Erst die Energie aus der Wärmequelle (3) lässt es im Verdampfer wieder gasförmig werden. Das Gas gelangt zum Kompressor (4) und der Prozess beginnt von neuem.

Quelle: wikipedia

Die Wärmepumpe ist ein sehr wirtschaftliches und umweltfreundliches Heizsystem. Sie verwandelt eine Kilowattstunde Strom durch Nutzung der in Erde, Wasser oder Luft gespeicherten Sonnenenergie in vier Kilowattstunden Heizenergie. Das heißt, für eine Kilowattstunde elektrische Antriebsenergie kann die Wärmepumpe bis zu 4 Kilowattstunden Heizenergie, oft sogar noch mehr, liefern.
Daraus ergeben sich im Vergleich zu herkömmlichen Heizsystemen außerordentlich niedrige Betriebskosten. Auf der anderen Seite liegen die Kosten für Planung und Installation einer Wärmepumpenheizung kaum noch über denen einer modernen konventionellen Heizung.

Wärmequellen sind:

  • Erdreich:
    Flächenkollektoren (unkompliziert und preiswert herstellbar bei Neubauten, großer Flächenbedarf) oder Tiefenbohrung (auch auf kleinsten Flächen anwendbar, Herstellung teuer, Genehmigung nötig)

  • Luft:
    günstig herstellbar, Arbeitszahlen niedriger, ev. Strömungsgeräusche der Luft

  • Wasser:
    Grund- oder Seewasser; gute Arbeitszahlen möglich, wasserrechtliche Bewilligung nötig

Der Stromverbrauch der Pumpe für den Solekreislauf wird praktisch nie angegeben (Richtwert je nach eingestellter Leistungsstufe 50 W bis 130 W).

Direktverdampfer benötigen keine Solekreislaufpumpe (Der Direktverdampfer wird bei Erdwärmepumpen mit Kollektoren verwendet. Anstatt der Sole wird ein Kältemittel im Rohrsystem der Wärmepumpe eingesetzt. Dadurch kann in der Regel der Wärmetauscher weggelassen werden und durch eine effektivere Energiegewinnung eine bessere - also höhere - Leistungszahl erreicht werden.)

Eine eventuell notwendige Abtauung bei Vereisung benötigt zusätzlich Energie (nach unabhängigen Untersuchungen Mehrverbrauch bis 10%).


Leistungsfähigkeit und Ertrag

Ein Maß für die Effektivität von Wärmepumpen ist die Leistungszahl oder COP (coefficient of performance). Der COP-Wert beurteilt die Qualität des Wärmepumpenprozesses. Die Leistungszahl ergibt sich aus dem Verhältnis von abgegebener Heizleistung (kW) der Wärmepumpe zu aufgewendeter elektrischer Antriebsleistung (kW) für den Verdichter. Leistungszahlen werden für bestimmte Betriebspunkte (Wärme-Eintrittstemperaturen/Heizwasser Vorlauftemperaturen) ermittelt. Im Betriebspunkt A2/W35 wird bei Luft/Wasser-Wärmepumpen die Leistungszahl bei einer Außenlufttemperatur von 2 °C und einer Heizwasser-Vorlauftemperatur von 35 °C bestimmt.

Aussagen über die Effektivität der Wärmepumpen-Heizungsanlage trifft die Jahresarbeitszahl (JAZ). Die Jahresarbeitszahl gibt das Verhältnis der pro Jahr gelieferten Heizwärme (kWh) zur in diesem Zeitraum zugeführten elektrischen Energie (kWh) an. Je höher die Arbeitszahl ist, desto besser ist die Energieausnutzung. Die Arbeitszahl ist abhängig vom Temperaturniveau der Wärmquelle und des Heizsystems.

Bei der Leistungszahl handelt es sich um einen Momentanwert bei einem definierten Betriebszustand während die Jahresarbeitszahl den Mittelwert über ein Jahr darstellt.

Gute Arbeitszahlen erreicht man unter folgenden Vorraussetzungen:

  • Vorlauftemperatur niedrig halten (eine Fußbodenheizung ist das optimale Heizsystem in Verbindung mit einer Wärmepumpe)

  • Konstanter Volumenstrom durch den Kondensator

  • Rückstau von Kondenswasser vermeiden

  • Warmwasserbereitung nicht mit der Heizungswärmepumpe durchführen (höhere Vorlauftemperaturen erforderlich, Verschlechterung der Bodenregeneration)

  • Ausreichende Erdkollektorfläche

  • Regelmäßige Wartung

Vorteile von Wärmepumpen

  • Reduzierung des Einsatz fossiler Energieträger

  • Geringer Platzbedarf - ein Tankraum kann anderweitig genutzt werden

  • Vollautomatischer und leiser Betrieb

  • Normale Kellertemperatur, da die Wärmepumpe keine Verbrennungsluft benötigt und keine Abwärme produziert.

  • Kein Kamin. Damit entfallen auch die jährlichen Kosten für den Kaminkehrer.

Beschreibung der verschiedenen Wärmepumpentechnologien

Sole/Wasser-Wärmepumpen
Bisher haben sich Sole/Wasser-Wärmepumpen am meisten verbreitet, da sie aufgrund der ganzjährig ausreichenden Erdwärme monovalent betrieben werden können, d.h. ohne zusätzlichen Wärmeerzeuger. Als Wärmeträgermedium wird auf Seite der Wärmequelle ein Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch (Sole) eingesetzt. Im geschlossenen Kreislauf nimmt die Wärmepumpe die Wärme über ein horizontal oder vertikal im Erdreich befestigtes PE-Rohr auf und gibt sie über einen Wärmetauscher an den Kältekreislauf der Wärmepumpe ab.

Bei der Direktverdampfungstechnik wird kein Wärmetauscher zwischen Wärmequellenkreis und Wärmepumpe benötigt. Zur Nutzung der Erdwärme werden Horizontal-Kollektoren aus Kupferrohr verlegt, wodurch das Kältemittel der Wärmepumpe zirkuliert. Durch den Verzicht auf einen Wärmetauscher gibt es weniger Verluste. Es ist auch keine extra Pumpe für den Antrieb des Wärmequellen-Kreislaufs erforderlich, da die Verdichtereinheit der Wärmepumpe diese Aufgabe erledigt.

 

 

Links: Horizontalkollektor, außen aufgestellte Anlage
Rechts: Vertikalkollektor (Erdspieße), innen aufgestellte Anlage
(Quelle: http://www.effiziento.de/; Januar 2008)

Kleine und mittlere Sole/Wasser-Wärmepumpen besitzen einen Verdichter, der mit einer Scroll-Technologie sehr leise und wartungsarm arbeitet. Auf der Heizkreisseite dieser Wärmepumpentypen wird die Energie über einen Wärmetauscher an Heizkörper oder eine Fußbodenheizung abgegeben. Im Normalfall werden Sole/Wasser-Wärmepumpen im Haus aufgestellt. Bei Platzmangel können sie jedoch auch außen aufgestellt werden. Für ein Einfamilienhaus beträgt die Aufstellfläche für die Wärmepumpe ca. einen Quadratmeter.

Wasser/Wasser-Wärmepumpen
Bei Wasser/Wasser-Wärmepumpen werden die besten Leistungszahlen erreicht. Sie können monovalent betrieben werden, da im gesamten Jahr genügend Grundwasserwärme vorhanden ist. Auf der Seite der Wärmequelle besteht das Wärmeträgermedium hauptsächlich aus Grundwasser, das in einem Saugbrunnen bei konstanter Temperatur von 8 - 12 °C gefördert wird. Die Wärme wird zum Teil durch den Wärmetauscher an den Kältekreislauf der Wärme abgeben. Das abgekühlte Wasser wird nach dem Systemdurchlauf von einem Schluckbrunnen aufgenommen. Bei geringer Wasserqualität kann es zur Verockerung kommen, ein zwischengeschalteter Wärmetauscher ist gut zu reinigen.

Wasser/Wasser-Wärmepumpe, Innenaufstellung, Anlage mit Saug- und Schluckbrunnen
(Quelle: http://www.effiziento.de/; Januar 2008)

Die Arbeitweise einer Wasser/Wasser-Wärmepumpe ist analog zur Sole/Wasser-Wärmepumpe. Wasser/Wasser-Wärmepumpen befinden sich im Haus. Für ein Einfamilienhaus muss mit einer Aufstellfläche von ca. einem Quadratmeter gerechnet werden.

Luft/Wasser-Wärmepumpen
Die Wärmequelle einer Luft/Wasser-Wärmepumpe ist die Umgebungsluft.
Da die Luft einfach angesaugt wird, entsteht kein großer Aufwand für diese Art der Wärmebeschaffung. Die Anschaffungskosten von Luft/Wasser-Wärmepumpen sind daher geringer als bei den anderen Wärmepumpentypen.

Luft/Wasser-Wärmepumpen können innen und außen aufgestellt werden. Bei beiden Aufstellungsarten wird die angesaugte Umgebungsluft an einem Wärmetauscher, der Teil des Kältekreislaufes der Wärmepumpe ist, vorbeigeleitet. Die Räume werden mit einer konventionellen, von Wasser durchströmten Radiatoren- oder Fußbodenheizung beheizt.

 

 

Links: Luft/Wasser-Wärmepumpe, Innenaufstellung
Rechts: Luft/Wasser-Wärmepumpe, Außenaufstellung
(Quelle: http://www.effiziento.de/; Januar 2008)

Bei Luft/Wasserwärmepumpen werden bei Außentemperaturen von unter -7 °C Zusatzheizungen benötigt. Dabei handelt es sich meist um Elektroheizungen. In mitteleuropäischen Breiten wird diese Zusatzheizung jedoch nur an einigen wenigen Tagen im Jahr benötigt.