Die wichtigsten Wärmepumpentypen, Wärmequellen & Wärmequellenanlagen

Elektrisch angetriebene Kompressionswärmepumpen

1. Sole/Wasser-Wärmepumpen

Sole/Wasser-WP haben sich bisher am meisten verbreitet, weil sie wegen der ganzjährig ausreichend vorhandenen Erdwärme monovalent, also ohne weiteren Wärmeerzeuger betrieben werden können.

Das Wärmeträgermedium auf der Seite der Wärmequelle ist ein Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch (Sole aus z. B. 33% Glykol und 37% Wasser).

In einem geschlossenen Kreislauf nimmt die Wärmepumpe die Wärme über ein horizontal oder vertikal im Erdreich verankertes PE-Rohr auf und gibt sie über einen Wärmetauscher an den Kältekreislauf der Wärmepumpe ab.

Mit der Direktverdampfungstechnik, kann auf einen Wärmetauscher zwischen Wärmequellenkreis und WP verzichtet werden.

Bei diesem Verfahren werden zur Nutzung der Erdwärme Horizontal-Kollektoren aus Kupferrohr verlegt, in denen das Kältemittel aus der WP zirkuliert.

Vorteil dieser Technologie:

Durch den Wegfall eines WT treten weniger Verluste auf und eine separate Pumpe zum Antrieb des Wärmequellen-Kreislaufs ist nicht mehr notwendig, weil die Verdichtereinheit der WP diese Aufgabe bewältigt.

Ein wesentlicher Kostenfaktor bei den Sole/Wasser-WP mit Erdsonden/Flächenkollektoren und Wasser/Wasser-WP mit Brunnen ist die Erschließung der Energiequelle.

Wärmequelle Erdreich

Erdreich ist ein guter Wärmespeicher, da die Temperaturen darin über das ganze Jahr mit 8 bis 12°C relativ gleichmäßig sind.

Die nutzbare Wärmemenge und damit die Größe der notwendigen Fläche hängt stark von den thermophysikalischen Eigenschaften (Wasseranteil, Anteil an mineralischen Bestandteilen, luftgefüllte Poren etc.) des Erdreiches und den klimatischen Verhältnissen ab.

Aufstellung

Sole-Wasser Wärmepumpen werden im Haus aufgestellt. Für den Betrieb im Einfamilienhaus ist eine Aufstellfläche von ca. 1 m² für die Wärmepumpe notwendig, zzgl. Platz für Puffer und WW-Speicher.

Frostschutz

In solegeführten Wärmequellenanlagen ist eine Absicherung von -10 bis -15°C erforderlich (bei Solar -25°C).

1.1. Wärmequellenanlagen (WQA)

1.1.1. Erdsonden mit Solekreislauf

Wärmequellenerschließung  mit Tiefenbohrung

In ein oder mehrere entsprechend tiefe Bohrlöcher (Ø 15 bis 20 cm) werden Erdwärmesonden aus Kunststoffrohr (Doppel-U-Rohr Ø 32 oder 40 mm) eingesetzt.

Beim Durchpumpen der Soleflüssigkeit wird Wärme aufgenommen.

Der Abstand zwischen mehreren Sonden sollte mindestens 6 m betragen, zu Nachbargrundstücken 5 m.

Für eine Heizleistung von 10 kW wird eine Sondentiefe von ca. 70 bis 130 m benötigt.

Kosten:

ca. 50 bis 70 €/m Sonde inkl. Bohrung je nach Bodenbeschaffenheit.

Beispiel Niedrigenergie-Einfamilienhaus, Heizleistung ca. 6 kW:

Kosten zwischen 3.000 und 5.000 €

ca. netto 1.000 €/kW Entzugsleistung (Heizleistung) zzgl. Erdarbeiten

Eine Probebohrung ist zu empfehlen, sofern noch keine Bodendaten vorhanden sind. Mit diesen Daten kann die Leistung der Wärmepumpe überhaupt erst genau berechnet werden.

Bestandteile einer solegeführten WQA

Diese Bauteile sind im Heizraum neben der WP und im Sole-VL angeordnet:

- Membran-Sicherheitsventil

- Membran-Druckausdehnungsgefäß

- Anlagendruckmanometer

- Spül-, Füll- und Entleerungseinrichtung

- Absperreinrichtungen

- Temperaturanzeigen

Außerhalb des Gebäudes befindet sich nur der Sole-Verteiler als Schnittstelle zwischen Wärmeübertrager (Sonde) Soleanschlussleitung zur WP über die Sole-Hydraulik (Pumpe).

Genehmigung

Das Wasserwirtschaftsamt erteilt die Genehmigung für Erdsonden bis zu einer Tiefe von 99 m,

das Bergamt ist ab 100 m zuständig (erhöhter bürokratischer Aufwand!).

In Wasserschutzzonen I und II sind Erdsonden untersagt.

Notwendig ist ein Genehmigungsverfahren inkl. Planungsnachweis, zeichnerische Ausbauvorschläge mit Schichtenverhältnissen, Unbedenklichkeitsnachweis des Verpressungsmaterials und des Glykols sowie diverse Angaben zur WP-Anlage und Qualifizierungsnachweis.

Das Leistungsverzeichnis für den Bohrunternehmer muss die notwendige Entzugsleistung in kW enthalten.

Anforderungen an Bohrfachbetrieb

Für die Ausführung ist ein Bohrfachbetrieb erforderlich, der nach DVGW Arbeitsblatt W 120 qualifiziert sein sollte.

Ebenfalls sollte auch der Geräteführer nach DIN 4021 zertifiziert sein.

Kenndaten der Wärmequelle Erdreich:

Durchschnittstemperatur im Winter 0°C bis +10°C ->

Mittlere Auslegungstemperatur der WQA 5°C

Mittlere Jahresarbeitszahl bis 4,5

Zur überschläglichen Auslegung wird eine Entzugsleistung von 50 W/m empfohlen.

 !  Bei Sondenfeldern ist mit geringerer Entzugsleistung zu rechnen. Auch die geothermischen Einflüsse durch Nachbaranlagen über einen längeren Zeitraum sind nicht zu unterschätzen.

Dimensionierungsbeispiel für Erdwärmesonden

Nennwärmeleistung bei S5/W35                     7,80 kW

elektrisch zugeführte Leistung bei S5/W35       1,54 kW

Anteil Umweltwärme 7,80 kW - 1,54 kW =        6,26 kW

-> Auslegung Sondenleistung                         6,50 kW

angenommene Entzugsleistung                        50 W/m

Gesamtlänge Sonde -> 6,5 kW / 0,05 kW/m =   130 m

-> Gewählt z. B. 2 Sonden a 70 m

(an Bohrmetern sollte nicht gespart werden!)

Wichtige Bau- und Planungshinweise für die WQA

- Leitungen vom Haus zu den Sonden im Sandbett verlegen

- möglichst gleiche Länge der einzelnen Solekreise

- gut zugänglicher Sole-Verteiler (z. B. Betonringschacht)

- Druckabgleich am Soleverteiler (hydraulische Einregulierung)

- Soleverteiler bildet die Ausführungs- und Gewährleistungs-

  schnittstelle zwischen Bohrunternehmen und SHK-Handwerk

- im Gebäude diffusionsdichte Rohrisolierung

- Verwendung von Hocheffizienzpumpen mit Leistungsanpassung

- Verfüllung mit Betonit-Zement-Suspension mit wärmeleitenden

  Zusätzen

- nach Erstellung von Sonde/Absorber hat Ersteller diese einer

  dokumentierten Dichtheitsprüfung zu unterziehen.

  Vorher darf nicht verfüllt werden.

1.1.1.1 CO2-Tiefensonde

1.1.1.2. Erdwärmetauschersonden (Energiekorb)

Statt Sole wird hier CO2 verwendet (indirekter Kreislauf mit CO2-Wärmetauscher).

Die Anwendung ist für Erdwärmepumpen in Wasserschutzzonen interessant.

Praktische Erfahrungen in Deutschland liegen für diese neue Technik noch wenig vor.

Wärmepumpe mit CO2-Tiefensonde > Schema (Quelle: Heliotherm)

Erdwärmetauschersonden (EWTS) dienen der Erschließung der WQ Erde, wenn weder genügend Fläche für einen Flachkollektor da ist, noch die Bodenbeschaffenheit in größerer Tiefe Erdwärmesonden zulässt.

Für die EWTS ist eine Mindesttiefe von ca. 5 m erforderlich.

Die Anzahl der EWTS richtet sich nach der WP-Anlagenleistung und der Bodenqualität.

Der jeweilige Abstand zwischen zwei EWTS sollte mind. 5 m betragen.

1.1.2. Erdwärmeabsorber mit Solekreislauf

1.1.2.1. Flächenerdwärmeabsorber

Bei horizontalen Erdwärmekollektoren (Flächenerdwärmeabsorber, Flächenkollektor) aus Kunststoffrohrschlangen (PE-Rohr) ist eine ausreichend große unversiegelte Grundstückfläche (ca. 2-3fache Größe der zu beheizenden Fläche) erforderlich. Die Fläche darf nicht bebaut werden.

> Anlagenschema

Die Untergrundtemperatur verändert sich von am Anfang der Heizperiode (Herbst) ca. >15°C bis zum Ende der Heizperiode (Frühjahr) auf 0°C (S0).

Verlegungstiefe von 130-180 cm.

Die Einhaltung der Verlegetiefe ist für einen störungsfreien Betrieb über lange Zeit wichtig.

Verlegeabstand VA (Rohrabstand) in d. R. 50 cm bei DA 25 mm.

Mindestverlegeabstände in Abhängigkeit der Rohrnennweite:

- DA 20 mm:  VA mind.  30 cm

- DA 25 mm:  VA mind.  50 cm

- DA 32 mm:  VA mind.  80 cm

- DA 40 mm:  VA mind. 120 cm

Beispiel: Für 10 kW Heizleistung werden ca. 500 bis 600 m Polyethylenrohr bzw. 300 bis 480 m² Fläche (Kollektorfläche) benötigt.

Verlegungsart

zu empfehlen ist die schneckenförmige Verlegung der Rohre

Kosten

ca. netto 600 €/kW Entzugsleistung zzgl. Erdarbeiten

(von Vorteil ist, dass hier relativ viel in Eigenleistung gemacht werden kann)

Genehmigung

Eine wasserrechtliche Genehmigung ist in d. R. nicht erforderlich (Ausnahme Wasserschutzzone).

Kenndaten der Wärmequelle:

Durchschnittstemperatur im Winter -5°C bis +5°C ->

Mittlere Auslegungstemperatur der WQA 0°C (VDI 4640)

Mittlere Jahresarbeitszahl bis 4,0

Kollektorentzugsleistungen (s. Tabelle) bei Flächenkollektoren ca. 10-40 W/m² (im Mittel ca. 20 W/m² bei bindigen Lehmboden).

*) mit WW-Bereitung im Sommer

Dimensionierungsbeispiel für Flächenerdwärmeabsorber

Nennwärmeleistung bei S0/W35                     8,30 kW

elektrisch zugeführte Leistung bei S0/W35       1,85 kW

Anteil Umweltwärme 8,30 kW - 1,85 kW =        6,45 kW

-> Auslegung Absorberleistung (mindestens)     6,50 kW

angenommene Entzugsleistung (Lehm)            20 W/m²

Fläche des Absorbers -> 6,5 kW / 0,02 kW/m² = 325 m²

-> notwendiger Aushub bei ca. 1,5 m Tiefe   ca. 500 m³

Inbetriebnahme solegeführter WQA

Wichtig ist nach der dokumentierten Dichtigkeitsprüfung (Prüfdruck in d. R. 5 bar) das Spülen der Anlage und das Mischen des Wasser-Glykol-Gemisches.

Je besser die Anlage dimensioniert ist, desto geringer kann der Frostschutz gewählt werden (geringere Viskosität -> kleinerer Arbeit der Sole-Pumpe).

Der Solekreis ist vollständig zu entlüften und der Volumendurchsatz ist zu messen.

Das MAG (Membran-Ausgleichsgefäß) ist zu überprüfen und zu verplomben.

Zwischen Solevor- und Solerücklauf sollte sich eine Temperaturdifferenz von max. 3 bis 4 K einstellen.

Wichtige Bau- und Planungshinweise für die WQA

- Fläche darf nicht überbaut und versiegelt werden

- möglichst gleiche Länge der einzelnen Absorberkreise

  (max. 100m, die benötigen 50 bis 60 m Fläche)

- Ausreichend Abstand zu Gebäuden und Grundstücksgrenzen (1,5 m)

- Natürliche Regeration durch Sonnenstrahlung und Niederschläge

  gewährleisten

- Kreuzung von Versorgungsleitungen mit Soleleitungen vermeiden

- WQA reichlich dimensionieren (Absinken unter 0°C vermeiden)

- Absorberrohre vollständig in Sand oder feinen Mutterboden

  einbetten, danach mit Erdreich verfüllen und gut verdichten

- Zwischenlagerfläche für den Aushub schon im Vorfeld abklären

1.1.2.2. Kapillarrohr-Kollektor

Als Alternative gibt es neuerdings auch den Kompaktkollektor mit einem geringeren Platzbedarf.

Er besteht aus mehreren Kapillarrohr-Kollektormatten.

Die Kollektormatten der Größe 6 m x 1 m bestehen aus Polypropylen (Rohrdurchmesser 4,5 x 8 mm).

Während bei Standard-Kollektoren das Verhältnis zwischen beheizter Fläche und Kollektorfläche zwischen 2,5 und 3 liegt, gilt für den Kapillarrohr-Kollektor das Verhältnis 1:1,25 bis 1:1,5.

Die Kunststoffrohre werden an den Seitenwänden eines ca. 3 m tiefen Erdgrabens verlegt.

Für eine Heizleistung von 10 kW benötigt man einen Graben mit ca. 25 m Länge und ca. 2,5 m Breite.

Weitere Möglichkeiten sind bei Neubauten Massivabsorber, das sind z. B. erdberührende Betonteile (z. B. Gründungspfähle), in der ein Wärmetauscher von Beginn an eingebaut wird.

1.1.2.4. Erdwärmekollektor und Regenwasser-Versickerungsanlage kombiniert

Der Aqua-Geo-Kollektor (Beispiel)

vereint die Vorzüge beider Systeme: Effizienter und weniger Platzbedarf bei geringeren Anschaffungskosten

Aufbau und Funktion

Die Bedingungen werden durch ein wassergesättigtes Sandbett geschaffen. Das Sandbett liegt in einer Folienwanne und wird durch die Regenwasseranlage regelmäßig befeuchtet.

Die im Regenwasser enthaltene Wärme gelangt zusätzlich zum Kollektor.

In 1,5 m Tiefe hält eine Folie das Regenwasser zurück und umspült den aus mehreren parallel angeschlossenen Kunststoffrohren bestehenden Kollektor.

Der Rohrabstand beträgt ca. 40 cm. Die Rohre liegen im Sandbett in einer Folienwanne mit Überlauf oder Drainage.

Hinweise

Zusätzlich zur VDI 4640 sind folgende Hinweise zu beachten:

- waagerechte Verlegung des Kollektors

- Bepflanzung nur mit Durchwurzelungstiefe von ca. 0,15 bis 0,5 m

- Erdreich muss grundsätzlich versickerungsfähig sein

Vorteile des Systems

- Durch die ständige Befeuchtung sind standortunabhängige

  spezifische Entzugsleistungen von 40 W/m² gegeben

- Dadurch sind ca. 40% kleinere Kollektorflächen möglich

- planerische Unsicherheiten bzgl. Entzugsleistung sind

  auszuschließen

- Einsparung der Regenwasser-Einleitegebühren für versiegelte

  Flächen

- AquGeoThermie-Kollektoren werden durch zusätzlichen

  Energieertrag aus dem Regenwasser von Dachflächen gespeist

- Das Komplettpaket ermöglicht eine genau kalkulierbare Investition

- Durch den kapillaren Wasseraufstieg wird in der Trockenperiode

  eine bessere Wasserversorgung der Vegetation oberhalb

  der Kollektorfläche ermöglicht

- Die Kosten des Systems liegen bei einer Heizlast von ca.

  7 bis 10 kW ca. 10% unter den Kosten einer Erdwärmesonde

Quelle: Stiebel Eltron

1.1.2.5. Flächenverlegung mit Direktverdampfung

Funktion

Kupferrohre mit Schutzummantelung aus Kunststoff werden waagerecht im Erdreich verlegt. In diesen zirkuliert direkt das Kältemittel der Wärmepumpe. Eine zusätzliche Umwälzpumpe entfällt.

Der Wirkungsgrad ist ca. 10 bis 15% höher gegenüber Sole, entsprechend sind die Betriebskosten niedriger.

Bei Verwendung von reversiblen WP (mit Prozessumkehr) ist auch eine aktive Kühlung möglich.

Eine Klima-WP ist wesentlich preiswerter als eine Klimaanlage. Der Aufpreis für die Prozessumkehr beträgt nur ca. 15 bis 20% gegenüber einer reinen Heizungs-WP.

Fläche

Für 10 kW Heizleistung werden ca. 380 bis 450 m Rohr bzw. 230 bis 360 m² Fläche benötigt.

Direktverdampfung kann auch bei Tiefenbohrungen angewendet werden.

 !  Achtung, wird evtl. in Deutschland nicht überall genehmigt!

Nur wenige deutsche WP-Hersteller bieten z. Z. dieses Verfahren an (z. B. Ochsner). In Österreich wird das Verfahren schon viele Jahre mit Erfolg angewendet.

1.1.3. Massiv-Absorber aus Beton

1.1.4. Innovative Sonderlösungen (Beispiele)

2. Wasser/Wasser-Wärmepumpen

Unter allen WP-Typen erreichen Wasser/Wasser-WP die besten Leistungszahlen. Aufgrund der im gesamten Jahr ausreichend vorhandenen (Grund-) Wasserwärme lassen sich Wasser/Wasser-WP monovalent betreiben (ohne einen weiteren Wärmeerzeuger).

Im Vergleich zu anderen WP wird sie wegen der erforderlichen speziellen Rahmenbedingungen aber eher selten angewendet.

Wärmequelle Wasser

Wasser ist ebenfalls ein guter Speicher für Sonnenwärme. Selbst an kalten Wintertagen hält z. B. das Grundwasser eine konstante Temperatur von 7 bis 12°C.

Die Nutzung von Fließgewässern oder Seen etc. ist evtl. auch möglich.

Kenndaten der Wärmequelle:

Durchschnittstemperatur im Winter +8°C bis +12°C,

Leistungszahlen je nach Betriebsbedingungen bis ca. 6,0.

Funktion

Wie bei der Sole/Wasser-WP bildet der leise und wartungsarme Scroll-Verdichter das Herzstück der meisten Wasser/Wasser-WP kleiner und mittlerer Leistung.

Auch die übrige Arbeitsweise erfolgt analog zur Sole/Wasser-WP.

Genehmigung

Eine wasserrechtliche Genehmigung ist erforderlich. Teilweise kann die Genehmigung zeitlich begrenzt werden.

Die Lage in einem Trinkwasserschutzgebiet ist Ausschlusskriterium.

Aufstellung

Wasser/Wasser-WP werden im Haus aufgestellt. Für den Betrieb im Einfamilienhaus ist eine Aufstellfläche von ca. 1 m² für die WP notwendig.

2.1. Wärmequellenanlage (WQA)

2.1.1. Saug- und Schluckbrunnen

Wärmeträgermedium ist auf der Seite der Wärmequellen zum größten Teil Grundwasser, das in einem Saugbrunnen (Entnahmebrunnen) bei konstant 8-12 °C (Jahresmittel) gefördert wird.

Es gibt einen Teil seiner Wärme in einem Wärmetauscher an den Kältekreislauf der Wärmepumpe ab.

Ein Schluckbrunnen (Sickerbrunnen) muss das ca. um 5°C abgekühlte Wasser nach dem Systemdurchlauf auch unter ungünstigen Winterbedingungen unbedingt wieder aufnehmen können.

Die Entfernung zwischen Entnahme und Wiedereinleitung in Fliessrichtung des Grundwassers sollte ca. 10 - 15 m betragen.

Der Grundwasserspiegel sollte nicht tiefer als 15 m unter der Erdoberfläche liegen (höherer Stromverbrauch der Förderpumpe).

Die Brunnenkosten betragen ca. 200 €/m (z. B. 2 Brunnen a 15 m Tiefe ca. 5.500 bis 6.000 €. Im Vergleich zu Sonden können Brunnen etwas kostengünstiger sein.

Erforderliche Wassermenge

Für eine Heizleistung von 10 kW werden ca. 1500 bis 1800 l/h Grundwasser benötigt.

Ein Einfamilienhaus benötigt mindestens 2000 l/h.

Wasserqualität

An die Wasserqualität werden relativ hohe Anforderungen gestellt (Wasseranalyse erforderlich).

Um Korrosion zu Vermeiden darf die Leitfähigkeit des Wassers 450 Mikrosiemens/cm nicht unterschreiten (sauberes Trinkwasser < 80).

Ein zusätzlicher Wärmetauscher wird dann zwischengeschaltet, wenn eine geringe Wasserqualität vorherrscht, die den Wärmetauscher nach einiger Zeit zusetzt, z. B. durch Verockerung (Eisen, Mangan). Ein zwischengeschalteter Wärmetauscher lässt sich gut reinigen.

Eine Sicherheit, dass der Brunnen nach 10 Jahren auch noch die erforderliche Wassermenge bringt, gibt es nicht. Evtl. ist mit Nachfolgekosten zu rechnen.

 Neu! 2.1.2. Integral- oder Aktivsonde mit nur einer Brunnenbohrung

2.1.3. Innovative Sonderlösungen (Beispiele)

3. Luft-Wärmepumpen

3.1. Luft/Wasser -Wärmepumpe

Bis zu einer Außentemperatur von ca. -5°C kann eine moderne Luft/Wasser-WP noch effektiv Heizwärme erzeugen.

Kenndaten der Wärmequelle:

Durchschnittstemperatur der Außenluft im Winter -25°C bis +15°C.

Leistungszahl

Die Leistungszahl sollte mindestens 3,3 bei 35°C Heizungsvorlauf betragen.

Zusatzheizung

Erst bei Außentemperaturen unter -7 °C benötigen zeitgemäße Luft/Wasser-WP eine Zusatzheizung (in d. R. Elektroheizungen). In normalen Breiten kommt diese Zusatzheizung jedoch nur an wenigen Tagen im Jahr zum Einsatz (außer bei bestimmten Mittelgebirgsregionen).

Die Bauart der Luft/Wasser-WP solle ausschließlich für die Heizung (keine Trinkwassererwärmung) eingesetzt werden.

Allerdings kann der Wärmebedarf bei dieser niedrigen Außentemperatur in d. R. nicht vollständig abgedeckt werden.

Bessere Ergebnisse sind im bivalenten Einsatz zu erreichen.

Trinkwassererwärmung

Sofern das Trinkwasser mit der Luft-WP ebenfall erwärmt werden soll, muss wegen der relativ geringen Leistungszahl das Trinkwarmwasser zum großen Teil mit einer E-Heizpatrone nachgeheizt werden (das kann, je nach benötigter WW-Menge, die Stromkosten beträchtlich in die Höhe treiben).

Genehmigung

Eine wasserrechtliche Genehmigung wie bei Erd-WP ist nicht erforderlich.

Einsatz in Niedrigenergiehäusern

Bei Niedrigenergiehäusern ist der Einsatz von monovalenten Luft-Wasser Wärmepumpen zur Abdeckung des Heizwärmebedarfs effektiver. In d. R. muss nur das Trinkwasser elektrisch nachgeheizt werden.

Möglich für Niedrigenergiehäuser sind auch Luftheizungen mit Wärmerückgewinnung und Wärmepumpe.

Neue Luft/Wasser-Wärmepumpengenerationen

Diese erreichen mit R407C und leistungsstärkeren Scroll-Kompressoren in Verbindung mit einer Einspritzkühlung mit Doppeldruckausgleich, VL-Temperaturen von 55 bis 65°C bei -16 bis -20°C Außentemperatur und auch höhere Leistungszahlen (COP=4,1).

Damit sind auch eine Trinkwassererwärmung und der Einsatz in Altbauten eher möglich.  Mehr unter > Kritische Bemerkungen

3.1.1. Luft/Wasser Kompakt-Wärmepumpe

Funktion

Bei der Luft-Wasser Kompakt-WP wird die Abluft über den Verdampfer der Wärmepumpe mit dem Abluft-Ventilator geleitet.

Im Verdampfer gibt die Abluft die in ihr enthaltene Restwärme an den Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe ab.

Die WP entzieht im Verdampfer der Abluft Wärmeenergie und gibt diese im Kondensator der Wärmepumpe direkt an das Speicherwasser ab.

Um den kompletten Wärmebedarf abzudecken, wird zusätzlich Außenluft angesaugt und durch den Verdampfer geleitet.

Die Außenluft gibt dabei Wärmeenergie an den Kältemittel-Kreislauf ab.

3.1.2. Abluft/Wasser-Wärmepumpe

Funktion

Die Abluft-WP leistet einen wesentlichen Beitrag zur Einsparung von Primärenergie einerseits und CO2-Emissionen andererseits.

In Deutschland ist sie noch relativ unbekannt.

Die Abluft-Wasser WP nutzt anstelle von Umgebungswärme die Wärme, die in der Abluft des zu beheizenden Gebäudes enthalten ist.

3.2. Luft/Luft-Wärmepumpen

Bei der Luft/Luft-WP ist die Luft nicht nur die Energiequelle, sondern auch der Träger für den Wärmetransport.

Damit ist diese eigentlich ein Lüftungssystem.

Anstatt die warme, verbrauchte Luft beim Lüften nach außen zu lassen, dient ihre Wärme dazu, die frische Außenluft aufzuheizen.

Einsatz

Die Luft/Luft-WP kann z. B. zur Beheizung von Passivhäusern eingesetzt werden.

Im Passivhaus ist der Mensch zum Teil selbst der Wärmelieferant und das Passivhaus ist so gut gedämmt, dass nicht immer eine konventionelle Heizung benötigt wird.

Voraussetzung

Zwar werden Luft/Luft-WP immer beliebter, doch gibt es eine wichtige Voraussetzung für deren Einsatz:

Es muss gewährleistet sein, dass die Heizlast unter 10 W/m² liegt.

Bei höheren Heizlasten kann die Luft die benötigte Wärmemenge nur mit erhöhten Zulufttemperaturen transportieren.

Dadurch sinkt der Feuchtigkeitsgehalt der Luft bis unter 30 % relativer Feuchtigkeit stark ab, was das Wohlbefinden sehr stark beeinträchtigt.

Bzgl. der Gesundheit sollte auf eine Luft/Luft-WP verzichtet werden, wenn die Voraussetzung (Heizlast < 10 W/m²) nicht gegeben ist.

3.2.1. Split-Klimageräte zum Kühlen und Heizen mit Wärmepumpe

Aufbau, Funktion und Einsatz (Wandgerät)

Aufbau

Ein modernes Split-Klimagerät besteht aus einem Außengerät mit leistungsgeregelten Kompressor (Invertertechnologie), Wärmetauscher und Axialventilator und einem oder auch mehreren Innengeräten (Split- oder Multisplitgerät) mit Wärmetauscher und Gebläse.

Außen- und Innergerät sind über eine Kältemittelleitung aus Cu miteinander verbunden.

Funktion

Ein Split-Klimagerät zum Kühlen und Heizen kann im Kühlbetrieb als Kältemaschine und im Heizbetrieb als Luft/Luft-WP arbeiten (umkehrbarer Kältemittelkreislauf).

Es kann aber nicht in jedem Fall als Vollheizung im Winter eingesetzt werden, sondern nur als Zusatzheizung in der Übergangszeit.

Dazu sind leistungsstärkere Geräte notwendig, als z. B. die von Baumärkten etc. zum Preis von 200 bis 500 € angebotenen Geräte.

Über das Innengerät wird mittels Gebläse die Raumluft angesaugt, über den Wärmetauscher erwärmt oder gekühlt und dann wieder an dem Raum abgegeben (Umluftbetrieb).

Wärme- und Energiequelle

Die Luft ist nicht nur die Energiequelle (Außenluft), sondern auch der Träger für den Wärmetransport (Raumluft). Demzufolge ist es eigentlich ein Lüftungsgerät mit einer WP zum Kühlen oder Heizen der Raumluft.

Genehmigung

Eine wasserrechtliche Genehmigung wie bei Erd-WP ist nicht erforderlich.

Einsatz

Zur Kühlung der Raumluft in Wohn- und Geschäftsräumen (z. B. bis max. 35 m² Raumfläche).

Im Kühlbetrieb ist zu beachten, dass die Raumluft dabei entfeuchtet, d. h. trockener wird.

Zur Heizung der Raumluft in d. R. nur als Zusatzheizung in der Übergangszeit geeignet.

Die Geräte können grundsätzlich nicht an eine Warmwasser-Zentralheizung angeschlossen werden (Luft/Luft-WP).

Trinkwassererwärmung ist ohne eine eine Zusatzheizung generell nicht möglich.

Technische Daten

Beispiel für das Innengerät

Kühlleistung je nach Baugröße z. B.

2,5 bis 3,5 kW (9.000 bis 12.000 BTU)

Heizleistung je nach Baugröße z. B.

3,2 bis 4,0 kW (11.000 bis 14.000 BTU)

Arbeitsparameter (Nennbedingungen) und Leistungszahlen (COP/EER)*

Heizbetrieb:

Raumtemperatur 20 °C TK, Außentemperatur 7 °C TK/6 °C FK

COP ca. 3,6

Kühlbetrieb:

Raumtemp. 27 °C TK/19 °C FK, Außentemp. 35 °C TK/24 °C TK

EER ca. 3,2

*) EER und COP sind international genormte Leistungszahlen:
    EER (Energy Efficiency Ratio) bezieht sich auf die Leistung beim Kühlen und

    COP (Coefficient of Performance) auf die Leistung beim Heizen

Luftdurchsatz je nach Baugröße z. B.

ca. 570 bis 620 m³/h

Geräuschpegel

Die hohen Luftleistungen (ca. 2.500 m²/h) beim Außengerät sind auch mit Geräuschen verbunden, was bei der Standortwahl zu berücksichtigen ist.

Geräuschpegel ca. 50 bis 55 dB(A) in 1 m Abstand Freifeld

Der Lüfter im Innengerät arbeitet zwar relativ leise, was aber u. U. trotzdem als störend empfunden werden könnte.

Geräuschpegel ca. 30 bis 42 dB(A).

Geräusche/Lärm/Lautstärke bei Luft-WP - Geräusch-/Schallpegel

Geräuschpegel - Schalldruckpegel und Schallleistungspegel

Die hohen Luftleistungen bei Luft-WP sind z. T. auch mit Geräuschen/Lärm/Lautstärke verbunden, was bei der Standortwahl zu berücksichtigen ist.

Die TA-Lärm schreibt in "ausschließlichen Wohngebieten tagsüber einen max. Schalldruckpegel von 50 dB(A) sowie nachts (22 bis 6 Uhr) von 35 dB(A) vor, gemessen jeweils am Fenster des Nachbarn.

Der Schalldruckpegel in dB(A) ist eine messbare, abstands- und richtungsabhängige Größe.

Er ist immer in Abhängigkeit vom Abstand zur Schallquelle zu ermitteln.

Der Schallleistungspegel in dB(A) stellt den Wert der eigentlichen Schallquelle dar und wird im Labor ermittelt.

Mit dem Schallleistungspegel kann man den Schalldruckpegel in jedem beliebigen Abstand errechnen.

Der Zusammenhang zwischen Schallleistungs- und Schalldruckpegel kann auch grob über eine Faustformel für jede Schallquelle beschrieben werden:

In 1 m Entfernung beträgt der Schalldruckpegel ca. 8 dB(A) weniger als der Schallleistungspegel.

Mit jeder Verdopplung des Abstandes verringert sich der Schalldruckpegel dann um weitere 6 dB(A).

Technische Maßnahmen zur Erhöhung der VL-Temperatur bei WP

 Luft/Wasser-WP mit EVI-Zyklus (Dampfeinspritzung)

Luft/Wasser-WP mit Turbolader nach EVI-Prinzip

Mit einem technischen Trick, der Dampfeinspritzung > Funktion (EVI = Enhanced Vapour Injection = verbesserte Dampfeinspritzung)

kann man bei Luft/Wasser-WP Vorlauftemperaturen bis 65°C und somit Trinkwassertemperaturen von ca. 58°C erreichen.

Durch die Zwischeneinspritzung von Kältemittel können auch mit den Kältemittel R 407 C Heizsysteme mit einer Auslegung 65/55°C versorgt werden, ohne dass eine Jahresarbeitszahl von 3 unterschritten wird. 

R 407 C ist mindestens bis -20°C beständig und wird deshalb bevorzugt in Luft/Wasser-WP eingesetzt.

Durch die zusätzlich benötigten Komponenten (zweites Expansions- und Magnetventil, zweiter Wärmetauscher) verteuert sich das Aggregat, liegt aber bzgl. Investkosten immer noch unter der Alternative erdgekoppelter WP.

Allerdings bzgl. der Gesamtkosten kosten grundsätzlich Luft/Wasser-WP schon nach 10 Jahren Betriebszeit deutlich mehr wie erdgekoppelte Lösungen!

Dampfeinspritzung (EVI) bei Sole/Wasser- und Wasser/Wasser-Wärmepumpen?

Für wesentlich mehr Informationen stehen wir Ihnen mit einer persönlichen Fachberatung jederzeit gerne zur Verfügung.

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