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Wärmepumpe - Funktion und Bauarten

Wärmekreislauf in der Wärmepumpe (Grafik: novelan)

Eine Wärmepumpe ist mit dem System eines Kühlschrankes zu vergleichen, gleiches Prinzip nur umgekehrten Nutzen. Der Kühlschrank entzieht den Lebensmitteln die Wärme und gibt sie dann über die Lamellen an seiner Rückseite in den Raum ab.
 
Die Wärmepumpe entzieht der Umwelt, also dem Wasser, der Luft oder der Erde Wärmeenergie. In der Wärmepumpe wird diese Wärmeenergie aufbereitet und an das Heizungswasser abgegeben. Selbst bei eisiger Temperatur entzieht die Wärmepumpe der Umwelt noch so viel Wärmeenergie, wie diese zum Beheizen des Hauses braucht.
 
Das Besondere an der Wärmepumpe ist, dass bei ihr die Wärme ohne Verbrennung und ohne Belastung der Umwelt durch Abgase entsteht. Die Wärmepumpe benötigt zu ihrer kostenlosen Wärmequelle einen Energieanschluss (Strom). Die Begrenzung der Vorlauftemperatur des Heizungswasser ist auf 55°C bzw. 65°C festgelegt, idealerweise sollte die Temperatur nicht höher sein als 35°C-40°C. Durch die niedrig gewählte Vorlauftemperatur hat die Wärmepumpe sehr geringe Betriebskosten.




Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Die Wärmepumpe ist eine Maschine, in der ein Arbeitsmedium (Flüssigkeit) einem Kreislauf folgt. Das Arbeitsmedium ändert im Laufe des Arbeitskreislaufs seinen Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig. In diesem Prozess gibt es 4 Bauteile bzw. Arbeitsschritte:

1. Arbeitsschritt: Verdampfer
Der Verdampfer ist aufgebaut wie ein Wärmetauscher in dem einerseits die Umweltenergie(Wärmequelle) und anderseits das Arbeitsmittel bei niedriger Temperatur und flüssig eintritt. Im Verdampfer selber kommt es dann zum Wärmeaustausch. Die zugeführte Umweltenergie gibt ihre Wärme an das Arbeitsmittel ab. Bei steigenden Temperaturen wird das Arbeitsmittel gasförmig und tritt so aus dem Verdampfer aus. Das Arbeitsmittel verdampft schon bei sehr niedrigen Temperaturen.

2. Arbeitsschritt: Verdichter
Der Verdichter saugt sich das gasförmige Arbeitsmittel an. Er komprimiert das Arbeitsmittel und stößt es dann aus. Bei diesen Prozess wird Arbeitsenergie zugeführt. Diese Arbeitsenergie wird umgewandelt in Wärmeenergie, dies geschieht wie bei einer Luftpumpe. Die Temperaturerhöhung erfolgt bei der Luftpumpe, wenn der Druck im Arbeitsmedium steigt (Heißes Gas).

3. Arbeitsschritt: Verflüssiger
Der Verflüssiger ist der zweite Wärmetauscher im Kreislauf, in dem das heiße Arbeitsmittel eintritt und seine Wärme an das kältere Heizungswasser abgibt. Das Arbeitsmittel wird dadurch abgekühlt und wird wieder flüssig.

4. Arbeitsschritt: Expansionsventil
Das Expansionsventil reduziert den Druck im Arbeitsmittel. Das Arbeitsmittel wird dadurch deutlich kälter. Bei den Sprühdosen ist der selbe Effekt zu beobachten: beim Entleeren der Sprühdose (Expandieren oder Druckminderung des Inhalt) wird die Dose deutlich kälter. Die Temperatur liegt folglich unter der Temperatur der Wärmequelle und das Arbeitsmittel fließt jetzt zum Verdampfer zurück um dort neue Wärme von der Wärmequelle aufzunehmen. Der Kreislauf ist somit geschlossen.




Einbauarten einer Wärmepumpe

Wärmequelle Erdreich


Das Erdreich speichert Wärme durch Sonnenstrahlen und Regen wie ein Pufferspeicher über längere Zeit ein, deshalb gibt das Erdreich über das ganze Jahr gleichmäßige hohe Temperaturen ab. Es gibt 2 Systeme mit denen man die Erdwärme aus dem Boden ziehen kann:

Sole/Wasserwärmepumpe Erdkollektor   Bild: novelan

Erdwärmekollektor

 

Der Erdwärmekollektor wird horizontal in einer Tiefe von 1,20-1,50m verlegt. Durch die horizontale Verlegung des Kollektors, braucht er sehr viel Platz. Die Fläche sollte nicht bebaut oder versiegelt werden, damit sich der Boden durch Niederschläge wieder regenerieren kann.

Bei Neubauten kann man den Erdwärmekollektor während der Bauphase in das Erdreich einbringen. Der Kollektor kann auch in Gräben verlegt werden, dieses hat den Vorteil, dass nicht so große Erdbewegungen anfallen.

Der Erdwärmekollektor muss bei dem zuständigen Wasserwirtschaftsamt angezeigt werden.  

Sole/Wasserwärmepumpe Erdsonde Bild: novelan

Erdwärmesonde


Die Erdwärmesonde hat durch die  Bohrung einen geringen Flächenbedarf. Die Bohrungen dürfen nur von einen zertifizierten  Brunnen-  und Sondenbauer geplant und ausgeführt werden. Sie sollten dann nicht überbaut werden, damit sich die Bohrungen wieder regenerieren können. Durch die Regeneration des Erdreiches zieht die Wärmepumpe immer eine konstante Temperatur.

Die Bohrungen sind vom Wasserwirtschaftsamt genehmigungspflichtig.

Wärmequelle Luft

Die Luft/ Wasserwärmepumpe ist eine kostengünstige Alternative zu den Wärmepumpen Sole/Wasser und Wasser/Wasser, da keine Erschließungskosten anfallen. Die Außenluft dient in der Regel der Luft/Wasserwärmepumpe als Wärmeenergiequelle. Durch Schwankungen der Außentemperatur im Winter kann es zu einem geringfügigen Mehrbedarf an Energie kommen. Der Auslegungspunkt einer Luft/Wasserwärmepumpe liegt bei -2°C bis -7°C. sie deckt ca. 95%- 98% des gesamten jährlichen Energiebedarf ab. Der Vorteil einer Luft/Wasserwärmepumpe liegt in den geringen Erschließungskosten. Außerdem sind keine Genehmigungsverfahren erforderlich. Es gibt auch hier zwei Anwendungssysteme. Das Erste wäre die Außenaufstellung. Außenaufstellung bedeutet, auf dem Grundstück in der Nähe des Hauses. Hierfür wird nur wenig Platz benötigt.

Die zweite Möglichkeit ist die Innenaufstellung, also im Haus.  Die Wärmepumpe im Innenbereich, braucht einen Zu - und Abluftkanal.   

Wärmequelle Wasser

Die Wasser/Wasserwärmepumpe entzieht dem Grund- oder dem Oberflächenwasser die Wärmeenergie. Das Entziehen der Wärmeenergie aus dem Oberflächenwasser ist nur in Ausnahmefällen zu empfehlen, da die Verschmutzung und die Schwankung der Temperatur (z.B. durch Schnee) sehr hoch ist.

In der Regel eignet sich das Grundwasser besser, weil es das ganze Jahr über eine konstante Temperatur von ca. 10°C hat. Die Wasser/Wasserwärmepumpe braucht zwei Brunnen. Einen Förder- und einen Schluckbrunnen. Vor einer Bohrung sollte geprüft werden, ob
ausreichend Grundwasser in geeigneter Tiefe und Qualität vorhanden ist. Die Wasseranalyse und die Brunnenbohrung sollten nur durch einen erfahrenden Brunnenbauer realisiert werden. Förder- und Schluckbrunnen sind genehmigungspflichtig und müssen bei der Wasserbehörde beantragt werden.




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