Wie funktioniert eine Wärmepumpe?
Die Wärmepumpe wandelt Umweltenergie in nutzbare Wärmeenergie um. Die Umweltenergie finden wir in der Luft, Wasser und Erde.
Eine Wärmepumpe entnimmt Energie aus der Wärmequelle um diese auf der anderen Seite einem Wärmeleitmedium zu übergeben. Bei der klassischen Heizung ist i.d.R. auf der einen Seite z.B. eine Flamme und auf der anderen Seite ein kälteres Medium wie z.B. Wasser.
Aus Sicht der Physik findet hier eine Angleichung der Temperaturen statt. Wenn man sich die Wärme über eine Temperaturmessung ausgegangen von +30°C betrachtet, stellt man fest das +20°C kälter und +40°C wärmer ist.
Das gleiche gilt natürlich auch im Minusbereich wenn man von -30°C ausgeht, sind -40°C kälter und -20!°C wärmer. Fazit: Auch eine kalte Umweltquelle enthält Wärme !
Warum kann man aus Minustemperaturen Wärme gewinnen?
Kältemittel haben die Eigenschaft bei extrem tiefen Temperaturen zu verdampfen. Bei dem eingesetzten Kältemittel z.B. R407-C liegt der Siedepunkt bei -44°C. Zum Vergleich bei Wasser liegt der Siedepunkt bei +100°C; natürlich immer abhängig von der Meereshöhe.
Wenn dann das dampfförmige Kältemittel mit Hilfe des Verdichters komprimiert wird, kommt dieser dann auf ein höheres Druck- und Temperaturniveau; ähnlich wie bei einer Luftpumpe beim Fahrrad. Wenn man eine Luftpumpe schnell betätigt und dann das Fahrradventil anfasst, ist dieses sehr heiß.
Das Funktionsprinzip der Wärmepumpe
Umweltenergie 75 % + Elektrische Antriebsenergie 25 % = Heizenergie 100 %
Über einen Verdampfer wird Energie aus der Umwelt (Luft, Wasser oder Erde) über den Kältemittelkreislauf entzogen und über einen Verdichter erfolgt dann eine Druck-/Temperatur-Erhöhung. Der nachgeschaltete Verflüssiger an der Heizungsseite (Wärmesenke) baut die erzeugte Soll-Temperatur wieder ab.
Anschließend verflüssigt sich das Kältemittel wieder und über das nachgeschaltete Expansionsventil erfolgt eine Druck-/Temperatur-Absenkung. Jetzt ist das Kältemittelkreislauf wieder im Aggregatzustand und der Prozess beginnt von vorne.
Monovalente Betriebsweise
Bei der Auslegung einer monovalenten Betriebsweise, wird die Wärmepumpe bis zu der benötigten Gebäudeheizlast bei Norm-Aussentempertaur ausgelegt. Die Wärmepumpe liefert zu 100% alleinig die benötigte Heizleistung ohne einen 2. Wärmeerzeuger.
Monoenergetische Betriebsweise
Bei der Auslegung einer monoenergetischen Betriebsweise, wird die Wärmepumpe bis zu einem Bivalenzpunkt zwischen -3 OC und -7 OC Aussentemperatur ausgelegt. Je nach Regler-Betriebsweise biv.-paral. oder biv.-altern. ist der entsprechende Deckungsanteil durch die Wärmepumpe gegeben.
Bei der Einstellung biv.altern. und dem gleichen Bivalenzpunkt wäre der Wärmepumpendeckungsanteil nur 91% und der E-Heizstab müsste 9% dazu beitragen.
Bivalente Betriebsweise
Bei der Auslegung einer bivalenten Betriebsweise, wird die Wärmepumpe ab einem Bivalenzpunkt von < +4 OC durch einen 2. Wärmeerzeuger (Öl- oder Gaskessel) unterstützt. Auch hier kann eine biv.-paral. bzw. biv.-altern. Betriebsweise erfolgen um seinen gewünschten Deckungsanteil an der Jahresheizarbeit zu erzielen.
Die bivalente Betriebsweise ist ähnlich der monoenergetischen Betriebsweise, nur das bei der monoenergetischen Betriebsweise als 2. Wärmeerzeuger ein E-Heizstab eingesetzt wird und dieser 1 : 1 den elektr. Strom in Wärmeenergie umwandelt.
Bei der bivalenten Betriebsweise wird Öl- oder Gas verbrannt was dazu führt, dass aus 1 Ltr. Heizöl bzw. 1 m3 Gas ca. 10 kWh Wärmeenergie gewonnen wird. Jetzt wird es auch klar das man bei der Auslegung einer monoenergetischen WP-Anlage unbedingt auf den Bivalenzpunkt achten muss um den Anteil der elektr. Energie für den E-Heizstab niedrig zu halten.
Warmwasser-Wärmepumpe
Warmwasserwärmepumpe dient der reinen Warmwasserbereitung und umfasst i.d.R. Warmwasser bis max. 300 ltr. Speichervolumen und ist für 2 bis 4 Personenhaushalte mit normelen Warmwasserbedarf geeignet.
Diese Art der Wärmepumpe arbeitet im Umluftbetrieb oder auch optional mit der Aussenluft welche über entsprende Kanale angesaugt wird. Über einen internen Wärmetauscher kann z.B. ein externer Wärmeerzeuger wie ein Gas- / Ölkessel oder auch eine Solarthermieanlage unterstützen.
Die abgegebene Luft der Wärmepumpe kann z.B. auch in einen benachbarten Raum wie z.B. Vorratsraum abgegeben werden um eine gewisse Kühlleistung zu liefern.