Wärmepumpen beziehen rund drei Viertel der Energie zum Heizen aus der Umwelt. Sie funktionieren dabei ähnlich wie ein Kühlschrank. Während dieser seinem Inneren Wärme entzieht und nach Außen abgibt, entzieht die Wärmepumpe der Umgebung (Erdreich, Grundwasser oder Luft) Wärme und gibt sie an das Gebäudeinnere ab.
Die drei Hauptkomponenten, aus denen ein Wärmpumpensystem besteht, übernehmen dabei verschiedene Aufgaben: die Wärmequelle stellt die benötigte Energie bereit, die eigentliche Wärmepumpe macht die gewonnene Energie nutzbar und die Wärmesenke (z. B. eine Fußbodenheizung) bzw. der Heizkreis verteilt die Wärmeenergie im Gebäude.
Der Kreisprozess im Inneren einer Wärmepumpe läuft dabei in vier Schritten ab:
- Verdampfen:
Ein Arbeitsmedium (Kältemittel) nimmt zuerst die Wärme aus der Wärmequelle (z. B. Erdreich) auf und verdampft dabei aufgrund seines niedrigen Siedepunktes. - Verdichten:
Der Verdichter der Wärmepumpe komprimiert den Dampf unter Aufwendung von elektrischer Energie und liefert dadurch eine höhere Temperatur. - Verflüssigen:
Die Wärme des Gases wird über einen Wärmetauscher an das im Heizsystem zirkulierende Wasser übertragen. Dieser Vorgang kühlt das Kältemittel wieder ab, bis es schließlich kondensiert, also einen flüssigen Zustand annimmt. - Entspannen:
Schließlich wird der Druck des Kältemittels über ein Entspannungsventil weiter gesenkt, bis der Anfangszustand erreicht ist und der Prozess von vorne beginnen kann.
Es gibt verschiedenen Möglichkeiten Umweltwärme für den Prozess zu nutzen. Je nach genutzter Wärmequelle kann zwischen folgenden Wärmepumpenarten unterschieden werden:
Sole/Wasser-Wärmepumpe:
Die Sole/Wasser-Wärmepumpe kommt bei der Nutzung von oberflächennaher Geothermie, Gewässern und Abwasser als Wärmequelle zum Einsatz. Da das Temperaturniveau ab einer Tiefe von 12 m im Erdreich konstant bei 10 °C oder höher liegt, ist auch im Winter kein hoher Einsatz elektrischer Energie nötig. Dadurch kann diese Art der Wärmepumpe sehr gute Jahresarbeitszahl (JAZ) von bis zu 4,5 erreichen. Die Erschließung der Wärmequelle erfolgt entweder mit vertikalen Erdwärmesonden oder mit horizontalen Erdwärmekollektoren Eine weitere Anlagenvariation ist die Nutzung erdberührter Betonteile (Bauteilaktivierung). Die Wahl der Technik hängt vom Platzangebot und den Bodenverhältnissen ab.
Die Bezeichnung Sole/Wasser-Wärmepumpe bezieht sich auf das Wasser-Glycol-Gemisch, das in den Sonden bzw. Kollektoren zirkuliert und über welches die Wärme an das Arbeitsmedium übertragen wird. Diese Art von Wärmepumpe wird häufig auch Erdreich-Wärmepumpen genannt.
Wasser/Wasser-Wärmepumpe:
Die Wasser/Wasser-Wärmepumpe kommt bei der Nutzung von Grundwasser und zum Teil auch bei Oberflächenwasser als Wärmequelle zum Einsatz. Dafür werden bei der Nutzung von Grundwasser zwei Brunnenbohrungen (Förder- und Schluckbrunnen) benötigt. Die Wärme kann direkt vom geförderten Grundwasser bzw. dem Oberflächenwasser auf das Arbeitsmedium übertragen werden, sofern kein zusätzlicher Zwischenkreis benötigt wird. Die relativ konstanten Grundwassertemperaturen von 8 bis 10 °C lassen nicht nur einen Betrieb im Winter ohne hohen Stromeinsatz zu, sondern ermöglichen prinzipiell auch die Kühlung des Gebäudes im Sommer.
Auch Oberflächengewässer können als Wärmequelle bzw. im Sommer teilweise als Wärmesenke genutzt werden. Bei guten Voraussetzungen für die Wasser/Wasser-Wärmepumpe, kann diese sehr gute Jahresarbeitszahlen erreichen.
Luft/Wasser-Wärmepumpe:
Umgebungsluft, die bei der Luft/Wasser-Wärmepumpe genutzt wird, ist die am einfachsten zugängliche Wärmequelle. Die Wärme wird direkt über die angesaugte Luft auf das Arbeitsmedium übertragen. Ein Nachteil ist jedoch, dass im Winter, wenn ein hoher Wärmebedarf besteht, die Lufttemperatur am niedrigsten ist und damit wenig Umweltwärme zur Verfügung steht. Um dies auszugleichen, wird deutlich mehr Luftvolumen umgewälzt und somit mehr Hilfsenergie in Form von Strom benötigt. Dies äußerst sich in höheren laufenden Kosten bedingt durch einen schlechten Systemwirkungsgrad der Wärmepumpe. Deshalb sollten Luft-Wasser-Wärmepumpen bevorzugt in Gebäuden mit sehr niedrigem Heizenergiebedarf eingesetzt werden.
Weitere Informationen zum Thema finden Sie in der Broschüre “Nutzung von Umweltwärme mit Wärmepumpen“.