Wie macht
eine Wärmepumpe
die Energie aus
der Umwelt nutzbar?

Funktion RAUM-K PUMP
Raum-K Pump

Kostenlose Umweltwärme

Heizen mit Wärme aus der Umgebung

Auf der Erde stehen uns gleich zwei natürliche Wärmequellen zur Verfügung: Die Sonne und die Wärme aus dem Erdinneren. Wärmepumpen machen diese kostenlose Energie nutzbar. Sie entziehen dem Erdreich, dem Grundwasser oder der Luft die gespeicherte Wärme und steigern die Temperatur bis zum erforderlichen Grad mit einem Kompressionsverfahren. CO2 entsteht höchstens bei der Erzeugung des Antriebsstroms für die Wärmepumpe und selbst das lässt sich durch den Einsatz von Ökostrom vermeiden.

Kühlen nach dem umgekehrten Prinzip

Ist die Wärmepumpe reversibel, kann sie die Richtung des Wärmestroms auch umkehren, um zu kühlen: Dann fördert sie die überschüssige Wärme aus dem Gebäude und gibt sie an die Außenluft, das Grundwasser oder das Erdreich ab.

Raum-K Pump

Energie aus Luft, Erde und Wasser

Dreierlei Wärmequellen

Um die Umweltwärme nutzbar zu machen, muss man sie zunächst bis zur Wärmepumpe fördern. Man unterscheidet drei Arten von Wärmequellen, die jeweils unterschiedlich angezapft werden.

Die Außenluft wird über Ventilatoren zur Wärmepumpe gefördert und gibt dort ihre Wärme ab. Die Anlagen dafür können fast überall mit relativ geringem Aufwand geplant und installiert werden. Teure Bohrungen oder Erdarbeiten sind nicht notwendig. Damit sind Luft-Wasser-Wärmepumpen in der Investition aktuell die günstigsten Heiz- und Kühlsysteme.

Dafür hat die Luft im Jahresverlauf aber eine etwas ungünstigere Temperaturverteilung als das Erdreich oder Grundwasser: In der Heizperiode ist die Luft kälter als ihre unterirdischen Alternativen und in der Kühlperiode ist sie wärmer.

Der Solekreislauf einer Erdwärmesonde nimmt die Wärme aus dem Erdreich auf und fördert sie bis zur Wärmepumpe. Die Temperaturen in 100 Meter Tiefe liegen über das Jahr hinweg zwischen 10 °C und 15 °C. Das ermöglicht im Winter einen sehr effizienten Heizbetrieb und im Sommer die passive Kühlung ohne Kompressor-­Einsatz.

Dafür ist die Planung und Ausführung der Anlage aufwendiger als bei der Aerothermie, denn jede Erdwärmesonde erfordert eine tiefe Erdbohrung und muss genehmigt werden. Je nach Bedarf können auch mehrere Tiefenbohrungen notwendig sein. Alternativ lassen sich Wärme und Kälte auch per Flächenkollektor aus den oberen Erdschichten gewinnen. Dort sind die Temperaturen jedoch weniger günstig, was eine große Fläche und aufwendige Erdarbeiten erforderlich macht.

Grundwasser wird durch einen Förderbrunnen zur Wärmepumpe geleitet, wo es seine Wärme abgibt und anschließend durch einen Schluckbrunnen zurück in die Erde fließt. Die Temperaturen des Grundwassers eignen sich in der Regel noch etwas besser zum Heizen und Kühlen als die des Erdreichs. Im Sommer ist also auch mit Grundwasser eine passive Kühlung ohne Einsatz des Kompressors möglich.

Geeignetes Grundwasser ist jedoch nicht überall verfügbar: Der Grundwasserspiegel muss hoch genug sein und die Wasserqualität sollte stimmen. Zum Beispiel führt ein zu hoher Eisengehalt im Wasser zu Schäden durch Verockerung. Und falls der Grundwasserspiegel in trockenen Sommern sinkt, lässt sich die Anlage nicht weiter betreiben. Darüber hinaus ist die Nutzung des Grundwassers genehmigungspflichtig. Der Planungsaufwand für die Hydrothermie ist also entsprechend hoch und wenn die Anlage einmal steht, muss sie auch regelmäßig überprüft und gewartet werden.

Raum-K Pump

Kreisprozess der Wärmepumpe im Heizbetrieb

So macht die Pumpe Umweltwärme nutzbar

Eine Wärmepumpe nimmt die Umweltwärme aus der Außenluft, der Sole oder dem Grundwasser auf. Dann steigert sie das Temperaturniveau und überträgt die Wärme auf den Heizkreislauf des Gebäudes. Zu diesem Zweck zirkuliert in der Wärmepumpe ein Kältemittel, das schon bei niedriger Temperaturzufuhr verdampft und seiner Umgebung die dafür notwendige Wärme entzieht. Beim Verflüssigen gibt das Kältemittel wieder Wärme an seine Umgebung ab. Während dieses Kreislaufes passiert das Kältemittel nacheinander einen Verdampfer, einen Kompressor und einen Verflüssiger, bevor es durch ein Entspannungsventil wieder zurück in den Verdampfer gelangt:

  1. Im Verdampfer nimmt das Kältemittel die Umweltwärme aus der Luft, der Sole oder dem Grundwasser auf und ändert durch diesen Temperaturschub seinen Aggregatszustand von flüssig zu gasförmig.
  2. Der Kompressor zieht das gasförmige Kältemittel an und verdichtet es, was dessen Druck und Temperatur erhöht.
  3. Anschließend gelangt das komprimierte, heiße Gas in den Verflüssiger. Dort gibt es seine Wärmeenergie wieder ab – zum Beispiel an den Heizkreislauf einer Klimadecke. Dabei wird das Kältemittel wieder flüssig.
  4. Durch ein Entspannungsventil fließt das Kältemittel zurück in den Verdampfer, verringert dabei seinen Druck und wird wieder vollständig in den Ausgangszustand zurückversetzt. Nun kann es neue Umweltwärme aufnehmen und der Kreislauf wiederholt sich.
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Reversibler Betrieb zur Kühlung

So führt die Pumpe Wärme aus dem Gebäude ab

Im Kühlbetrieb wechseln die beiden Wärmetauscher – der Verdampfer und der Verflüssiger – ihre Funktion und der Kreislauf der Wärmepumpe wird einfach umgekehrt: Der Wasserrücklauf der Kühldecke transportiert die überschüssige Wärme aus dem Raum ab und führt sie zum Verdampfer der Wärmepumpe. Das zirkulierende Kühlmittel in der Wärmepumpe nimmt die Wärme auf und gibt sie über den Verflüssiger an die Außenluft, das Grundwasser oder das Erdreich ab.

  1. Im Verdampfer nimmt das Kältemittel die Abwärme aus dem Gebäude auf und ändert durch diesen Temperaturschub seinen Aggregatszustand von flüssig zu gasförmig.
  2. Der Kompressor zieht das gasförmige Kältemittel an und verdichtet es, was dessen Druck und Temperatur erhöht.
  3. Anschließend gelangt das komprimierte, heiße Gas in den Verflüssiger. Dort gibt es seine Wärmeenergie an die Umwelt ab – an die Luft, die Sole oder das Grundwasser. Dabei wird das Kältemittel wieder flüssig.
  4. Durch ein Entspannungsventil fließt das Kältemittel zurück in den Verdampfer, verringert dabei seinen Druck und wird wieder vollständig in den Ausgangszustand zurückversetzt. Nun kann es neue Abwärme aus dem Gebäude aufnehmen und der Kreislauf wiederholt sich.

Aktive Kühlung

Wenn im Gebäude Kühlbedarf besteht, ist in der Regel auch die Außenluft sehr warm. Deshalb aktiviert die Luft-Wasser-Wärmepumpe zur Kühlung den Kompressor, damit die Temperatur am Verflüssiger hoch genug ist, um Wärme an die Außenluft abzugeben und am Verdampfer wieder kalt genug, um die Wärme aus dem Wasserrücklauf der Kühldecke aufzunehmen.

Passive Kühlung

Eine Sole-Wasser-Wärmepumpe kann in der Regel passiv kühlen. Der Kompressor bleibt aus, weil die Sole aus dem Erdreich bereits kalt genug ist, um die überschüssige Wärme aus dem Gebäude aufzunehmen. Lediglich die Umwälzpumpen der Sole- und Kühlkreisläufe sind in Betrieb.

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Energie-Multiplikation

Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe

Eine Wärmepumpe nimmt die Wärme aus der Luft, der Sole oder dem Grundwasser auf und hebt die Temperatur auf das erforderliche Maß für die Wärmenutzung im Gebäude. Um diese Arbeit zu leisten, verbraucht der Kompressor Strom. Je geringer dabei die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmenutzung ist, desto weniger muss der Kompressor leisten und desto höher ist sein Wirkungsgrad. Mit einem hohen Wirkungsgrad kann die Wärmepumpe bei gleichem Stromverbrauch noch mehr Energie aus der Umwelt nutzbar machen.

Aus eins mach vier

Das Ziel lautet: Mit möglichst wenig Antriebsstrom möglichst viel Umweltwärme nutzbar machen. Dieser Wirkungsgrad wird durch die Leistungszahl (COP) beschrieben. Eine Leistungszahl von 4 bedeutet zum Beispiel, dass die Wärmepumpe aus einem Kilowatt Antriebsstrom insgesamt 4 Kilowatt Wärme erzeugt, wobei sie drei Kilowatt kostenlos und emissionsfrei aus der Umwelt bezieht. Die Wärmepumpe vervielfacht also die eingesetzte Energiemenge.

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Den Wirkungsgrad optimieren

Der COP lässt sich auf zwei Arten verbessern

Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe ist besonders hoch, wenn die Temperatur der Wärmequelle schon möglichst nahe an der erforderlichen Temperatur für die Wärmenutzung liegt. Mit anderen Worten: Wenn die Pumpe zum Heizen nur noch wenig Wärme zuführen muss. Oder wenn sie das Temperaturgefälle zum Kühlen nur geringfügig steigern muss. Der COP lässt sich also auf zwei Arten verbessern:

Die Wärmequelle optimieren

Grundwasser und Erdreich sind im Winter deutlich wärmer als die Außenluft und erzielen daher einen höheren Wirkungsgrad beim Heizen. Gleichzeitig sind sie im Sommer kühler als die Außenluft und erzielen deshalb auch einen höheren Wirkungsgrad beim Kühlen. Das geht so weit, dass beim Kühlen mit Grundwasser oder einer Erdwärmesonde komplett auf den Einsatz des Kompressors verzichtet werden kann. Man spricht vom passiven Betrieb.

Die Wärmenutzung optimieren

Beim Heizen steigt der Wirkungsgrad der Pumpe, wenn man schon mit möglichst geringen Vorlauftemperaturen ein behagliches Raumklima erzeugt. Umgekehrt steigt der Wirkungsgrad im Kühlbetrieb, wenn man schon mit hohen Vorlauftemperaturen ein behagliches Raumklima erzeugt.

Klimadecken nutzen die Wärme am effizientesten

Eine Klimadecke arbeitet beim Heizen und Kühlen mit günstigeren Vorlauftemperaturen als jedes andere Wärmeübergabesystem und eignet sich somit am besten, um den Wirkungsgrad der Wärmepumpe zu steigern. Dadurch gewinnt die Pumpe bei gleichem Stromverbrauch noch mehr Energie aus der Umwelt oder andersherum ausgedrückt: Sie deckt den Energiebedarf bereits bei geringerem Stromverbrauch.

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