Was ist eine Wärmepumpe und wie funktioniert sie?

Eine Wärmepumpe ist ein Wärmeerzeuger, der ohne Verbrennungsprozess und direkten CO2-Ausstoß arbeitet. Sie nutzt elektrische Energie, um kostenfreie Umweltwärme zum Heizen nutzbar zu machen. Eine Wärmepumpe funktioniert ähnlich wie ein Kühlschrank, indem sie Wärme in den Raum hineinleitet.

Sie besteht aus verschiedenen Komponenten wie einem Verdampfer, einem Verdichter, einem Verflüssiger und einem Expansionsventil. Hierbei spielt der Verdampfer eine wichtige Rolle. Er entzieht der Umwelt, beispielsweise dem Erdreich, der Luft, dem Grundwasser oder der Abwärme technischer Anlagen, Wärme und verdampft ein Kältemittel. Anschließend wird das Kältemittel vom Verdichter komprimiert und dadurch aufgeheizt. Die warme Luft wird dann in den Verflüssiger geleitet, wo sie ihre Wärme an das Heizsystem abgibt. Das abgekühlte Kältemittel fließt wieder zurück zum Verdampfer und der Kreislauf beginnt von vorne.

Wärmepumpen können unterschiedliche Wärmequellen nutzen, um Energie zu gewinnen. Neben dem Erdreich, der Luft und dem Grundwasser können auch technische Anlagen Abwärme liefern. Dabei ist die Kompressionswärmepumpe die bekannteste Art von Wärmepumpe. Diese arbeitet mit einem Kältemittel, das in einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert. Eine alternative Art ist die Adsorptionswärmepumpe, die ohne mechanische Verdichtung auskommt und auf den Eigenschaften eines porösen Materials basiert. Wärmepumpen finden in verschiedenen Einsatzbereichen Anwendung, zum Beispiel in privaten Haushalten, Bürogebäuden oder industriellen Prozessen.

Arten von Wärmepumpen und ihre Funktionsweise

Wärmepumpen sind effiziente Systeme zur Gewinnung von Wärme und werden zunehmend in Gebäuden eingesetzt. Aber welche Arten von Wärmepumpen gibt es und wie funktionieren sie?

Luft-Wasser-Wärmepumpen: Diese Art von Wärmepumpen entzieht der Außen- oder Raumluft Wärme und leitet sie an einen Wärmeübertrager weiter. Dort verdampft ein Kältemittel bei niedriger Temperatur und wird anschließend komprimiert, um die Temperatur zu erhöhen. Luft-Wasser-Wärmepumpen sind eine beliebte Wahl für Wohngebäude, da sie einfach zu installieren und kostengünstig sind.

Sole-Wasser-Wärmepumpen: Diese Wärmepumpen nutzen die im Erdreich gespeicherte Energie. Es gibt zwei Methoden, um die Wärme zu gewinnen: Erdkollektoren, die oberflächennah verlegt werden, und Erdsonden, die senkrecht oder schräg in die Erde eingebracht werden. Bei diesem System wird ein Kältemittel durch die Rohrleitungen gepumpt und nimmt die Wärme aus dem Boden auf. Sole-Wasser-Wärmepumpen sind besonders effizient und werden oft in Einfamilienhäusern eingesetzt.

Wasser-Wasser-Wärmepumpen: Diese Wärmepumpen nutzen das Grundwasser als Energiespeicher. Es müssen verschiedene Faktoren wie die Wasserzusammensetzung und die Wassermenge berücksichtigt werden. Die Genehmigung für den Betrieb einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe muss bei den zuständigen Behörden eingeholt werden. Diese Art von Wärmepumpen bietet eine hohe Effizienz und eignet sich besonders für größere Gebäude wie Gewerbe- und Kommunalbauten.

Warmwasser-Wärmepumpen: Diese Wärmepumpen dienen ausschließlich der Bereitung von Warmwasser. Als Wärmequellen können sowohl Umluft als auch Abluft verwendet werden. Die Warmwasser-Wärmepumpe kann den selbst erzeugten Solarstrom optimal nutzen und den Raum entfeuchten. Sie sind eine gute Wahl für Haushalte, die ihren Warmwasserbedarf umweltfreundlich decken möchten.

  • Wärmepumpen mit Eisspeicher: Neben Erdreich, Grundwasser und Umgebungsluft kann auch ein Eisspeicher als Wärmequelle dienen. Dabei handelt es sich um eine mit Wasser gefüllte Zisterne, die knapp unterhalb der Erdoberfläche vergraben wird. Das Wasser gefriert im Winter zu Eis und gibt im Sommer die gespeicherte Kälte ab. Dieses System eignet sich gut für Regionen mit kaltem Winterklima.
  • Großwärmepumpen: Diese Wärmepumpen werden nicht nur in Ein- und Mehrfamilienhäusern, sondern auch in Gewerbe und Kommunen eingesetzt. Sie sind hocheffizient und für dauerhaft hohe Anforderungen ausgelegt. Viele Großwärmepumpen können auch zum Kühlen verwendet werden und stellen somit eine umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen Klimaanlagen dar.

Die vielseitigen Arten von Wärmepumpen bieten eine nachhaltige Lösung für die Wärmegewinnung in Gebäuden. Jede Art hat ihre eigenen Vorzüge und Funktionsweise, die den individuellen Bedürfnissen und Gegebenheiten eines Hauses oder Gebäudes entsprechen können.

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Funktionsweise einer Luft-Wasser-Wärmepumpe

Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe nutzt die Umgebungsluft als Wärmequelle, um ein komplettes Gebäude mit Wärme zu versorgen. Dank ihres effizienten Funktionsprinzips kann sie sowohl zur Heizung als auch zur Warmwasserbereitung eingesetzt werden.

Im Betrieb saugt ein eingebauter Ventilator die Luft aktiv an und leitet sie an einen Wärmeübertrager, den Verdampfer, weiter. Hier kommt ein spezielles Kältemittel ins Spiel. Dieses Kältemittel verfügt über thermische Eigenschaften, die es bereits bei geringer Temperatur verdampfen lassen. Wenn das Kältemittel mit der “warmen” Außenluft in Berührung kommt, erwärmt es sich weiter, bis es schließlich verdampft.

Der verdampfte Kältemitteldampf strömt nun zum elektrisch angetriebenen Verdichter. Dabei erhöht der Verdichter den Druck, wodurch auch die Temperatur des Kältemittels ansteigt. Sobald der Kältemitteldampf das gewünschte Temperaturniveau erreicht hat, fließt er weiter zum Verflüssiger, einem anderen Wärmeübertrager. Hier gibt das Kältemittel seine Wärme an das Heizsystem ab und kondensiert dabei. Die so gewonnene Wärme kann zur Beheizung des Gebäudes oder zur Warmwasserbereitung genutzt werden.

Bevor das abgekühlte Kältemittel erneut erwärmt und verdichtet werden kann, durchströmt es ein Expansionsventil. Hier sinken sowohl der Druck als auch die Temperatur des Kältemittels auf das Ausgangsniveau ab, und der Kreislauf beginnt von vorne. Die Luft-Wasser-Wärmepumpe kann somit kontinuierlich Wärme aus der Umgebungsluft gewinnen und für verschiedene Zwecke nutzen.

Funktionsweise einer Sole-Wasser-Wärmepumpe

Eine Sole-Wasser-Wärmepumpe besteht aus einer Wärmepumpe, einem Verdichter, einem Verdampfer und einem Verflüssiger. Zur Gewinnung von Wärme aus dem Erdreich werden entweder Erdsonden oder Erdkollektoren verwendet. Erdsonden werden tief in die Erde gebohrt, während sich Erdkollektoren knapp unterhalb der Erdoberfläche befinden. Beide bestehen aus einem geschlossenen Kreislauf, in dem eine frostsichere Flüssigkeit (Sole) zirkuliert. Eine Pumpe sorgt dafür, dass die Sole in Bewegung bleibt und die Wärme aus dem Erdreich an die Wärmepumpe abgibt.

Die Funktionsweise basiert auf einem Kältekreislauf. Das Kältemittel verdampft mit der gewonnenen thermischen Energie und wird anschließend mit einem Verdichter komprimiert. Dabei erhöht sich sowohl der Druck als auch die Temperatur des Kältemittels. In einem Verflüssiger gibt das Kältemittel die Wärme an das Heizsystem ab und kondensiert. Nachdem das Kältemittel entspannt wurde, kann der Vorgang von vorne beginnen.

Die Effizienz einer Sole-Wasser-Wärmepumpe hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie zum Beispiel der Differenz zwischen der Wärmequelle und der Vorlauftemperatur des Heizsystems. Die VDI-Richtlinie 4650 wird verwendet, um die Effizienz einer solchen Anlage zu prognostizieren. Die Jahresarbeitszahl (JAZ) wird basierend auf dem COP der Wärmepumpe und verschiedenen Anlagenparametern berechnet. Die JAZ ist die Summe aller innerhalb eines Jahres aufgetretenen COPs.

Sole-Wasser-Wärmepumpen arbeiten das ganze Jahr über effizient und können in der Regel als alleiniger Wärmeerzeuger für Heiz- und Warmwasser verwendet werden. In einigen Fällen kann auch ein kombinierter Betrieb mit einem vorhandenen Heizsystem sinnvoll sein.

Wie funktioniert eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe?

Eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe nutzt das Grundwasser als Wärmequelle, um zu heizen. Dabei wird ein Förderbrunnen gebohrt, aus dem das Grundwasser nach oben gepumpt und zur Wärmepumpe geleitet wird. Die Funktionsweise besteht darin, dass dem Grundwasser über ein Kältemittel die Wärme entzogen wird. Anschließend wird das Kältemittel verdichtet und gasförmig zu einem Wärmetauscher geführt, wo die Wärme an das Heizungswasser abgegeben wird. Das abgekühlte Grundwasser wird über Rohre in einen Schluckbrunnen zurückgeleitet. Eine Besonderheit der Wasser-Wasser-Wärmepumpe ist, dass sie auch im Sommer zur Kühlung verwendet werden kann.

Bei der Nutzung des Grundwassers als Wärmequelle sind bestimmte gesetzliche Vorschriften des Gewässerschutzes zu beachten. Eine Genehmigung ist erforderlich. Außerdem sollten die beiden Brunnen einen Mindestabstand von etwa zehn bis fünfzehn Metern haben und nicht viel tiefer als fünfzehn Meter gebohrt werden. Des Weiteren muss das Grundwasser eine bestimmte Qualität aufweisen, da zu hohe Konzentrationen von Mangan oder Eisen zu Ablagerungen führen können.

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Der Aufwand für eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe ist relativ groß, da die Brunnenbohrungen hohe Kosten verursachen. Es ist auch eine zusätzliche Pumpe für das Grundwasser erforderlich. Die Effizienz der Anlage kann durch den Stromverbrauch dieser Pumpe beeinträchtigt werden. Allerdings benötigen Wasser-Wasser-Wärmepumpen wenig Platz auf dem Grundstück und sind bei hoher Grundwassertemperatur wirtschaftlich. Sie können genau berechnet und im monovalenten Betrieb eingesetzt werden, ohne dass eine zusätzliche Heizung erforderlich ist.

Zusammenfassend nutzen Wasser-Wasser-Wärmepumpen das Grundwasser als Wärmequelle. Die Installation und der Betrieb erfordern bestimmte Voraussetzungen, wie die Erlaubnis der Behörden und die Überprüfung des Grundwasserspiegels und der Wasserqualität. Die konstante Temperatur des Grundwassers ermöglicht eine gute Jahresarbeitszahl (JAZ) und die ganzjährige Nutzung der Wärmepumpe, einschließlich der Kühlung im Sommer.

Entwicklung und Verbreitung von Wärmepumpen in Deutschland

Die Entwicklung und Verbreitung von Wärmepumpen in Deutschland ist in den letzten Jahren stark angestiegen. Die Absatzzahlen der Wärmepumpen werden jährlich vom Bundesverband Wärmepumpe (BWP) veröffentlicht. Diese Zahlen zeigen, dass die Nachfrage nach Wärmepumpen kontinuierlich wächst.

Im Jahr 2022 verzeichnete Deutschland einen bemerkenswerten Anstieg im Verkauf von Heizungswärmepumpen. Insgesamt wurden 236.000 Geräte verkauft, was einem beeindruckenden Wachstum von 53 Prozent im Vergleich zum Vorjahr entspricht. Diese Zahlen zeigen deutlich, dass Wärmepumpen zu einer immer beliebteren Wahl für die Heizung von Häusern in Deutschland werden.

Ein Blick auf die Vergangenheit zeigt ebenfalls einen stetigen Anstieg der Absatzzahlen von Wärmepumpen. Im Jahr 2021 wurden bereits 120.000 Heizungswärmepumpen installiert, was einem Wachstum von 28 Prozent im Vergleich zum Vorjahr entspricht. Auch in den Jahren zuvor konnte ein kontinuierlicher Anstieg verzeichnet werden, wenn auch in etwas geringerem Maße.

Insgesamt zeigen diese Statistiken, dass die Entwicklung und Verbreitung von Wärmepumpen in Deutschland einen deutlichen Aufwärtstrend aufweist. Dies ist auf verschiedene Faktoren zurückzuführen, darunter steigendes Umweltbewusstsein, staatliche Förderungen und die verbesserte Technologie der Wärmepumpen. Experten sind sich einig, dass der Einsatz von Wärmepumpen eine effiziente und umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen Heizsystemen darstellt und dass dieser Trend in Zukunft weiter anhalten wird.

Förderungen für Wärmepumpen in Deutschland

Möchten Sie eine Wärmepumpe in Deutschland installieren oder erneuern? Dann haben Sie Glück! Der Staat vergibt attraktive Förderungen für Wärmepumpen, die kostenfreie Umweltwärme aus der Luft, dem Boden oder dem Wasser zum Heizen nutzen.

Wenn Sie ein mindestens fünf Jahre altes Haus sanieren möchten, können Sie eine Förderung von 25 bis 40 Prozent für die Wärmepumpe beantragen. Diese Fördermittel stehen auch für den Neubau zur Verfügung. Dabei können Kredite mit Tilgungszuschüssen über die Effizienzhaus-Förderung in Anspruch genommen werden.

Um von den Förderungen zu profitieren, sollten Sie den Antrag vor Beginn der Maßnahme stellen. Dadurch haben Sie außerdem die Möglichkeit, nachträglich einen Steuerbonus zu erhalten. Es gibt auch attraktive Fördermittel für Luft-, Wasser- und Erdwärmepumpen. Diese beinhalten Zuschüsse über die Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG EM), Steuerboni für Bestandsgebäude und Kredite für Neubauten.

  • Ab 2023 entfällt die Förderung für Split-Klimageräte und gasbetriebene Wärmepumpen.
  • Für neue Warmwasser-Wärmepumpen ist keine Förderung möglich, jedoch können beim Einbau steuerliche Vergünstigungen in Anspruch genommen werden.
  • Die Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) bietet Zuschüsse von 25 bis 40 Prozent für die Wärmepumpe bei Sanierung und Neubau. Die Fördermittel sind auf bestimmte Höchstbeträge gedeckelt.
  • Über die BAFA-Förderung für Wärmepumpen erhalten Sanierer einen Zuschuss von 25 Prozent, der um weitere fünf Prozent erhöht werden kann, wenn Wasser, Erdreich oder Abwasser als Wärmequelle genutzt werden.
  • Zusätzlich können fünf Prozent Förderung beantragt werden, wenn das Heizsystem mit einem natürlichen Kältemittel arbeitet.
  • Beim Austausch einer alten Gas-, Öl-, Kohle- oder Stromheizung gegen eine Wärmepumpe kann die Förderung um zehn Prozentpunkte erhöht werden, wenn komplett auf fossile Energieträger verzichtet wird.
  • Eine Austauschpflicht für alte Heizungen besteht nicht, jedoch muss eine Gasheizung mindestens 20 Jahre alt sein, um die erhöhte Förderung zu erhalten.
  • Der iSFP-Bonus für den Heizungstausch wurde mit der BEG-Reform 2022 eingestellt.
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Installation und Wartung einer Wärmepumpe

Die Installation und Wartung einer Wärmepumpe sind entscheidend, um einen zuverlässigen Betrieb und eine lange Lebensdauer sicherzustellen. Wärmepumpen sind im Vergleich zu herkömmlichen Heizungssystemen wartungsarm, da sie keine fossilen Brennstoffe verwenden und dadurch weniger verschmutzen. Dennoch ist es wichtig, die empfohlenen Wartungsintervalle der Hersteller einzuhalten, die normalerweise zwischen ein und drei Jahren liegen.

Obwohl es keine gesetzliche Wartungspflicht gibt, müssen bestimmte Prüfungen in einigen Fällen obligatorisch durchgeführt werden. Wärmepumpen, die mehr als drei Kilogramm Kältemittel enthalten, müssen jährlich auf Undichtigkeiten geprüft werden. Bei Wärmepumpen, die Luft als Wärmequelle nutzen, sollte die Kältemittelleitung einmal im Jahr überprüft werden.

Die Wartung umfasst die Überprüfung des Kältemittels auf Verunreinigungen und der gesamten Kältekreisläufe auf Dichtheit. Es werden auch die elektrischen Verbindungen und mechanischen Bauteile auf Verschleiß untersucht und gegebenenfalls ausgetauscht. Darüber hinaus werden Druck und Temperatur überprüft und bei Bedarf angepasst. Je nach Art der Wärmepumpe können spezielle Wartungsarbeiten erforderlich sein.

Bei Luft-Wasser-Wärmepumpen sollten die Luftkanäle überprüft und gereinigt werden. Es ist auch wichtig, die ordnungsgemäße Ableitung des Kondenswassers zu überprüfen. Bei Sole-Wasser-Wärmepumpen muss die chemische Zusammensetzung der Sole überprüft werden, und es wird geprüft, ob die Sole nachgefüllt werden muss oder ob ein Leck vorliegt. Bei Wasser-Wasser-Wärmepumpen sollte der Brunnen sowie die Pumpen, Ventile und Filter überprüft werden.

Die Kosten für die Wartung einer Wärmepumpe können variieren. Es ist ratsam, professionelle Fachleute zu beauftragen, um die Installation und Wartung durchzuführen und sicherzustellen, dass alle Anforderungen erfüllt werden, um einen reibungslosen Betrieb zu gewährleisten.

Verbindung von Wärmepumpen mit erneuerbaren Energien wie Solar- und Photovoltaikanlagen

Die Verbindung von Wärmepumpen mit erneuerbaren Energien wie Solar- und Photovoltaikanlagen bietet zahlreiche Vorteile und Synergien. Die Wärmepumpe selbst gilt bereits als erneuerbare Energie, da sie bis zu 80% der benötigten Energie aus der Umwelt gewinnt. Dies geschieht, indem sie Wärmeenergie auf niedrigem Temperaturniveau aus Luft, Wasser oder Erde entzieht und mit Strom in eine für die Heizung nutzbare höhere Temperatur transformiert. Dadurch spart eine Wärmepumpe im Vergleich zu herkömmlichen Heizungen eine wesentlich größere Menge an CO2 ein.

Durch den Einsatz von erneuerbaren Energien wie Solar- und Photovoltaikanlagen in Verbindung mit Wärmepumpen wird die Herkunft des Stroms aus 100% erneuerbaren Quellen sichergestellt. Dies ermöglicht den Betrieb der Wärmepumpe mit selbst erzeugtem Sonnenstrom und schont somit die Umwelt. Zusätzlich haben Nutzer die Möglichkeit, überschüssige Energie, die von den Solar- und Photovoltaikanlagen erzeugt wird, in das Stromnetz einzuspeisen und somit einen Beitrag zur Energiewende zu leisten.

Technisch betrachtet ist die Verbindung von Wärmepumpen mit Solar- und Photovoltaikanlagen relativ einfach umsetzbar. Die Wärmepumpe kann direkt an die Anlage angeschlossen werden, um den selbst erzeugten Strom für den Betrieb zu nutzen. Dabei sollte berücksichtigt werden, dass der Anteil erneuerbarer Energien im Strommix einen Einfluss auf die ökologische Bewertung der Wärmepumpe hat. Es ist ratsam, den Strombedarf der Wärmepumpe mit erneuerbaren Quellen zu decken, um die positiven Umweltauswirkungen weiter zu maximieren.

Insgesamt können die Verbindung von Wärmepumpen mit erneuerbaren Energien wie Solar- und Photovoltaikanlagen eine effiziente und umweltfreundliche Lösung für das Heizen von Gebäuden sein. Sie ermöglichen es, Energie zu sparen und saubere elektrische Energie zu nutzen, was essentiell für das Gelingen der Energiewende ist.

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