Wärmepumpe

Aufbau

 

Wärmepumpen sind keine klassischen Wärmeerzeuger, weil sie im Auslegungspunkt einen Großteil der Wärme nur von einem Ort zum anderen transportieren und nicht etwa aus chemisch gebundener Energie durch Verbrennung Wärme erzeugen. Trotzdem sind sie in diesem Zusammenhang als Wärmeerzeuger einer Heizung zu verstehen.

 

Das Prinzip ist in dem folgenden Bil dargestellt.

 

/// Bild: Prinzip Wärmepumpe ///

 

Wärmepumpen sind oft etwas schwer zu begreifen, weil in dem Prozess etwas passiert, das nicht der menschlichen Intuition entspricht. Die Verdampfung des Kältemittel findet bei geringeren Temperaturen statt als die Kondensation, wie im folgenden erläutert wird.

Wichtigster Bestandteil von Wärmepumpen ist das Kältemittel. Und je nach Druck, verschiebt sich der Siedepunkt in einem Bereich, der technisch nutzbar ist.

Dann passiert folgendes:

 

1. Das Kältemittel verdampft auf der kalten Seite. Beispielsweise bei 0°C Außenluft oder 5°C Erdreich. Es nimmt dabei Wärme auf (siehe Schaubild)

2. Das Kältemittel kondensiert auf der warmen Seite, meistens etwas über 20°C Zimmertemperatur.

Es gibt dabei Wärme ab, die als Heizwärme für die Gebäudhülle genutzt wird.

 

Zwischen diesen beiden Punkten muss das Kältemittel komprimiert und entspannt werden, damit die Siedetemperatur den jeweiligen Umgebungstemperaturen angepasst wird.

 

In der Praxis ist es wichtig zu wissen, dass die Siedetemperatur des Kältemittels nicht beliebig verändert werden kann. Der ganze Prozess kann technisch nur um den 2 - Phasen Bereich eines Kältemittels konstrukiert werden. Auch Wasser hat einen solchen 2 - Phasen Bereich. Wenn man Wasser zum Kochen bringt, siedet die Wassermenge solange bei exakt 100 °C, bis die gesamte Menge verdampft ist. Nichts anderes passiert im Falle des Kältemittels auf einem anderen, vom Druck abhängigen, Temperaturniveau.

 

/// Bild: 2 - Phasen Bereich R134a ///

 

Die Temperaturniveaus auf der kalten und warmen Seite haben einen großen Einfluss auf den thermischen Prozess und damit auch auf die Effizienz.

 

 

Typen von Wärmepumpen

 

Wärmepumpen werden unterschieden nach den Wärmereservoirs, die sie nutzen. Folgende drei Typen sind gängig:

 

1. Luft - Wärmepumpe mit Außenluft als Wärmereservoir

2. Wasser - Wärmepumpe mit Grundwasser als Wäremereservoir

3. Sole - oder Erd - Wärmepumpe mit Erdwärme als Wärmereservoir

 

/// Bild  Schaltbilder ///

 

/// Bild Luft Wärnmetauscher, Erdsonde, Wasserbohrung ///

 

 

Effizienz

 

Aber auch wenn sich ein Prrozess theoretisch realisieren läßt, ist er noch nicht effizient. Effizienz bedeutet für Wärmepumpen, dass man für die geforderte Heizleistung möglichst wenig Kompressorlesitung einsetzt. Als Messzahl zu einem bestimmten Zeitpunkt ist dafür der COP definiert:

 

COP Wärmepumpe = Wärmeleistung / Kompressorleistung

 

Die Wärmeleistung ist durch die Komfortanforderungen der Bewohner vorgegeben. Die Kompressorleistung hingegen hängt wesentlich von der Druck- und Temperaturspreizung zwischen heißer und kalter Seite ab. Geringe Vorlauftemperaturen (z.B. durch Einbau von Fußbodenheizungen) sind also für Wärmepumpen sehr hilfreich, um gute (hohe!) COPs zu ereichen.

 

In der folgenden Tabelle sind Anhaltswerte für Wärmepumpen - COPs angegeben, die sich heute (Stand 2016) gut realisieren lassen. Dabei handelt es sich um Herstellerangaben, die unter bestimmten Bedingungen gemessen werden. In den Klammern sind diese Laborbedingungen angegeben. Die kleinere Zahl ist die Temperatur der kalten Seite, die größere Zahle die Temperatur der warmen Seite.

Wärmepumpe COP
Luft - Wärmepumpe (A2/W35) 3,0...4,2
Sole/Erd/Wasser - Wärmepumpe (B0/W35) 4,2...5,2

Der COP gilt jeweils für bestimmte Temperaturen an der kalten und der warmen Seite. Da sich die realen Bedingungen im Jahresverlauf ändern, gibt die Jahresarbeitszahl einen über das Jahr ermittelten Durchschnittswert an, der dann auch eine gute Vergleichbarkeit mit Heizkesseln erlaubt.

 

In der folgenden Tabelle sind Anhaltswerte für Wärmepumpen - Jahresarbeitszahlen angegeben, die sich heute (Stand 2016) gut realisieren lassen.

Wärmepumpentyp Jahresarbeitszahl
Luft - Wärmepumpe 3,0...3,8
Erd - Wärmepumpe mit Flächenkollektor 3,5...4,0
Erd - Wärmepumpe mit Erdsonde 4,0...5,0
Grundwasser - Wärmepumpe 4,0...5,2

 

Betriebskostenvergleich

 

Zur Veranschaulichung, was das für den Verbaucher an Betriebskosten bedeutet, sind in der folgenden Tabelle Anhaltswerte für die Heizkosten der unterschiedlichen Wärmepumpentypen mit einem Gas - Brennwertkessel verglichen. Angenommen wird ein Strompreis von 25 ct/kWh und ein Gaspreis von 6,5 ct / kWh, sowie eine Jahresarbeitszahl von 0,95 für den Gaskessel (Stand 2016). Dabei sind nur Nutzenergie - Verbrauchskosten berücksichtigt, nicht jedoch Wartungs- oder Kapitalbindungskosten.

Wärmeerzeuger Betriebskosten
  [ct / kWh]
Luft - Wärmepumpe 8,3...6,6
Erd - Wärmepumpe mit Flächenkollektor 7,1...6,3
Erd - Wärmepumpe mit Erdsonde 6,3...5,0
Grundwasser - Wärmepumpe 5,2...4,8
Gas Brennwertkessel 6,8

 

Ökologische Aspekte

 

Die Einordnung der Wärmepumpe hängt sehr stark vom Strom Mix ab. Bei Stromgewinnung aus Baraunkohl ist die Bilanz wesentlich schlechter, als bei Gaskraftwerken oder sogar erneuerbaren Energien.

Die Kombination aus Photovoltaik und Wärmepumpen kann das Haus sogar autark und im Betrieb vollständig CO2 neutral machen.

 

Zudem muss auch das Kältemittel eingeordnet werden. Das gängige Kältemittel R134a hat einen GWP von 1430 und ist damit 1430 mal Treibhaus - intensiver als CO2. Für ein gut gedämmtes Einfamilienhaus soll hier als vereinfachtes Beispiel eine WP mit 2,5 kg Füllmenge und einamligem Austausch in der 20 jährigen Lebenszeit angenommen werden. Damit werden 5kg R134a mit einem GWP von 1430 verbraucht. Das entspricht 7150 kg CO2. Erdgas wird mit 260g pro Wh CO2 Emmissionen bewertet. Ein Einfamilienhaus mit 150 m² und 70 kWh / m² a würde also pro Jahr eine CO 2 Emmision von 2730 kg aufweisen. Der Kältemittelbedarf, der hier sehr positiv abgeschätzt ist, verursacht also den gleichen CO2 Ausstoß, wie 3 Betriebsjahre des Hauses.

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© Christoph Mevenkamp