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Wärmepumpe Funktion - Heizen und Kühlen mit Erdwärme

Funktion

Wärme pumpen aus der Natur!

Durch die Nutzung von kostenloser Umweltwärme gehört die Wärmepumpe zu den umweltschonendsten Methoden der Heizung und Warmwasserbereitung. Sie reduziert klimaschädliche CO2-Emissionen und den Energieverbrauch. Darüber hinaus benötigt sie kaum Wartung und stellt bei richtiger Planung und optimalem Betrieb ein Vielfaches der eingesetzten elektrischen Antriebsleistung an Wärmeenergie zur Verfügung.

Je höher die Effizienz einer Wärmepumpenanlage, desto weniger Strom wird für ihren Betrieb und die Gewinnung der gewünschten Wärme benötigt. Dabei kommt die von der Wärmepumpe gewonnene Umgebungswärme aus regionalen, erneuerbaren Ressourcen und verursacht keinerlei Treibhausgasemissionen vor Ort. Der gesamte Wärmebedarf für Raumheizung und Warmwasserbereitung kann grundsätzlich mit einer Wärmepumpe gedeckt werden.

Wärmepumpen sind keine Erfindung der Neuzeit. Ganz im Gegenteil. Wärmepumpen gibt es schon seit mehr als 150 Jahren. Die erste Wärmepumpe kam in der Saline in Ebensee zum Einsatz. Oberösterreich gilt daher als das Mutterland der Wärmepumpe. Weil es die Wärmepumpen-Hersteller seit jeher verstanden haben die Technologie laufend weiterzuentwickeln, sind heute hoch effiziente und technisch ausgereifte Wärmepumpenanlagen am Markt, die wenig Strom zum Antrieb benötigen und über Jahrzehnte zuverlässig arbeiten.

                                                                                                                                                                                                                                                

Ein umgekehrter Kühlschrank

Wärmepumpen funktionieren wie Kühlschränke – nur wird das Prinzip genau umgekehrt genutzt: Während der Kältemittelkreislauf des Kühlschranks seinem Inneren Wärme entzieht und diese an die Umgebung abgibt, entzieht der Kältemittelkreislauf einer Wärmepumpe der Umgebung Wärme. Diese wird innerhalb des Gerätes auf ein höheres Temperaturniveau gebracht und kann dann zum Heizen oder zum Erwärmen von Brauchwasser genutzt werden. Eine effiziente Wärmepumpe kann so mit 75 % kostenloser Umweltenergie 100 % Wärmeleistung erzeugen.

Die Hauptenergiequelle der Wärmepumpe ist die Umgebungswärme, also die in der Luft, im Boden oder im Grundwasser gespeicherte Sonnenenergie. Um diese Umgebungswärme von einem relativ niedrigen auf das für Heizung und Warmwasser erforderliche Temperaturniveau zu bringen, nutzt die Wärmepumpe ein Kältemittel. Dieses verdampft aufgrund seines niedrigen Siedepunktes schon bei vergleichsweise kalten Temperaturen der Wärmequelle. Durch Antriebsenergie in Form von Strom oder Gas wird das dampfförmige Kältemittel verdichtet, dadurch steigt die Temperatur auf das benötigte Niveau. In einem Kondensator wird das Kältemittel anschließend wieder verflüssigt, wobei es sowohl die zugeführte Antriebsenergie als auch die aufgenommene Umweltwärme auf einem höheren Temperaturniveau an das Heizmedium abgibt.

Wie effizient eine Wärmepumpe als Heizquelle arbeitet, zeigt das Verhältnis der eingesetzten Energie zur erzeugten Energie. Um verschiedene Bauarten und Modelle vergleichen zu können, wird unter Normbedingungen im Labor der so genannte COP-Wert (Coefficient of Performance oder Leistungszahl) ermittelt. Dieser Wert gibt an, wie hoch der Energiegewinn im Vergleich zum Energieeinsatz ist. Moderne Wärmepumpen erreichen dabei unter den genormten Prüfbedingungen COP-Werte von 4 bis 5. Einfacher ausgedrückt: Das 4- bis 5-Fache der eingesetzten Energie ist als Wärme nutzbar.

Funktionsschema einer Kompressionswärmepumpe

                                                                                                                                                                                                                                                

Wärmequellen

Erdwärme

Erdwärme kann man entweder mit vertikalen Erdwärmesonden oder horizontalen Erdwärmekollektoren für eine Wärmepumpe und somit für Heizungs- und Warmwasserzwecke nutzbar machen. Beide Techniken machen sich dabei die oberflächennahe Geothermie zunutze. Ein frostsicheres Arbeitsmittel (Sole, oder bei den sogenannten „Direktverdampfern“ das Kältemittel der Wärmepumpe direkt), entzieht dabei dem Erdreich Energie, welche durch die Wärmepumpe dann auf eine höheres Temperaturniveau gebracht wird. Erdwärmesonden sind dabei über eine Bohrung senkrecht ins Erdreich eingebrachte, U-förmige Kunststoffrohre. Vorteile dieses Systems sind z. B. der geringe Flächenbedarf und ihre hohe Effizienz, da ab einer Tiefe von etwa 10 Metern die Temperatur das ganze Jahr über nahezu konstant ist. Die Tiefe der Sonde hängt vom Wärmebedarf und der Wärmeleitfähigkeit des Bodens ab. Bei einem neuen Einfamilienhaus liegt sie im Durchschnitt bei rund 140 Metern. Eine eventuell erforderliche Genehmigung für Erdwärmesonden holt am besten der Bohrunternehmer ein; dies sollte der Auftraggeber explizit im Leistungsumfang vereinbaren.

Erdwärmekollektoren arbeiten mit einem waagerecht (oder schräg/senkrecht) angeordneten Flächenkollektor, einem unter der Frostgrenze verlegten Rohrsystem – in der Praxis bedeutet das in einer Tiefe von rund 1 bis 1,5 Metern. Die dafür benötigte Fläche darf nicht versiegelt oder überbaut werden, da der Boden die Wärme aus Regenwasser und Sonneneinstrahlung aufnehmen muss. Auch sollten dort keine tiefwurzelnden Pflanzen stehen. Durch den geringeren Aufwand spart man für die Wärmequellenerschließung im Vergleich zu einer Erdwärmesonde etwa die Hälfte der Kosten. Egal mit welchem System Sie die Erdwärme nutzen, im Sommer eignet sich ein solches System auch sehr gut zur effektiven passiven Kühlung, was zusätzlich zu einer „Regeneration“ der Sonde führt und im Winter durch die erhöhte Quelltemperatur eine noch effizientere Anlage zur Folge hat.

Grundwasser

Grundwasser ist ein optimaler Wärmelieferant und wird gerne als Wärmequelle für Wärmepumpen genutzt, sofern die Voraussetzungen für die Nutzung des Wassers gegeben sind. Über einen Förderbrunnen wird dabei Wasser hochgepumpt, welchem durch die Wärmepumpe Wärme entzogen wird. Anschließend wird das Wasser über einen Schluckbrunnen wieder in das Grundwasser eingeleitet. Im Sommer kann man auch mit dieser Technik sehr energiesparend passiv kühlen. Wärmepumpen, die Wärme aus dem Grundwasser gewinnen, erzielen die besten Leistungs- und Arbeitszahlen, sind aber in der Regel bewilligungspflichtig. Kontaktstellen für das Wasserrecht und die wasserrechtlichen Bewilligungsverfahren sind die jeweiligen Landesregierungen. Das Wasserrecht selbst ist Bundessache. Im Bewilligungsverfahren unterstützt Sie der Brunnenbauer.

Außenluft und Abluft

Luft gibt es in unbegrenzter Menge und überall. Die Wärmequelle Luft wird im Neubau, wie auch im Sanierungsbereich sehr gerne genutzt, weil der Installationsaufwand und die Investitionskosten von Luft-Wärmepumpen geringer sind. Außenluft als Wärmequelle kann einfach und nahezu überall erschlossen werden – hierfür sind keine Bohrungen oder Genehmigungen notwendig. Bei hohen Außentemperaturen arbeitet die Luft/Wasser-Wärmepumpe besonders effektiv. Das ist ideal für die Warmwasserbereitung im Sommer oder bei der Wärmequelle Abluft, die konstant hohe Temperaturen liefert. Da die Temperaturen der Außenluft im Winter – also zu Zeiten des größten Heizbedarfs – relativ niedrig liegen, arbeitet eine Luftwärmepumpe etwas weniger effizient als erdgekoppelte Systeme und benötigt etwas mehr Antriebsenergie. Allerdings spart man durch den geringeren Bauaufwand wiederum Investitionskosten. Abluft wird oftmals bei reinen Brauchwasser-Wärmepumpen oder bei der Wohnraumlüftung verwendet. Diese Varianten sind optimale Ergänzungen zu bestehenden Heizungssystemen.

Abwasser

Die Abwasserwärmerückgewinnung ist im Grunde keine neue Idee oder Erfindung. Vielmehr existieren entsprechende Anlagen bereits seit den zwanziger Jahren. Dabei wird dem Abwasser Wärme entzogen, die wiederum zu Heizzwecken verwendet werden kann. Grundsätzlich ist die Abwasserwärmerückgewinnung auf drei Arten möglich: die Abwasserwärme direkt aus der Kanalisation, über die Kläranlage oder im Gebäude selbst, in dem das Abwasser produziert wird. Dabei ist entscheidend, dass der Weg möglichst kurz ist, damit so wenig wie möglich thermische Energie verloren geht. Besonders günstig ist es zudem bei Gebäuden mit einem hohen Wärmebedarf wie öffentliche Einrichtungen, Gewerbebauten beziehungsweise Industrieanlagen oder Wohnsiedlungen. Denn dort besteht kontinuierlich eine hohe Temperatur, mit welcher das System besonders effizient betrieben werden kann.

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