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Funktionen einer Wärmepumpe

26.01.2016

Warum sollte eine Heizungsanlage nicht auch im Sommer für angenehmes Raumklima sorgen, wo sie doch zur Warmwasserbereitung eh das ganze Jahr in Betrieb ist?

Kühlen mit der Heizung – für eine elektrische Wärmepumpe ist das kein Problem. Eine Wärmepumpe kann je nach Bedarf entweder Umweltwärme in das Gebäude hinein oder überschüssige Raumwärme aus dem Gebäude heraus transportieren. Dabei arbeitet sie ökonomischer als eine Klima­anlage, denn der Stromverbrauch ist wesentlich geringer. Das liegt daran, dass ein beträchtlicher Teil der benötigten Energie aus der Umwelt entnommen wird. Wie das funktioniert und welche Heiz- und Kühlleistungen möglich sind, hängt vom eingesetzten System ab. Doch zunächst zur Funktionsweise: Je nachdem, aus welchem Medium die Umweltenergie entnommen und wie sie an das Haus abgegeben wird, unterscheidet man die Typen von Wärmepumpen. Es gibt Erdwär­mepumpen, die ihre Energie aus der Erde oder dem Grundwasser entnehmen und an ein wasserführendes Heizsystem im Haus abgeben. Das sind Sole/Wasser- und Wasser/Wasser-Wärmepumpen. Bei Luft-Wärmepumpen wird die Energie der Umgebungsluft oder der Abluft einer Lüftungsanlage entnommen und an ein wasser- oder luftführendes Heizsystem abgegeben.

Heizen und kühlen je nach Wärmequelle

Um mit einer Wärmepumpe heizen zu können, muss die Temperatur im System erhöht werden. Das geschieht unter Einsatz von Strom. Dabei gilt: Je geringer die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Heizkreislauf ist, desto wirtschaftlicher arbeitet eine Wärmepumpe. Zur Bewertung der Effizienz der gesamten Wärmepumpenanlage eignet sich vor allem die Jahresarbeitszahl (JAZ). Sie bezeichnet über ein Jahr hinweg das Verhältnis zwischen der erzeugten Wärmemenge und der eingesetzten Strommenge. Grundsätzlich gilt: je größer die JAZ, desto höher der Anteil kostenfreier Umwelt­energie. Geringere Stromkosten sind die Folge.

Besonders effizient: Die Erdwärmepumpe

Von zentraler Bedeutung für eine hohe JAZ ist ein hoher energetischer Standard des Hauses. Großen Einfluss hat außerdem das Wärmeverteilsystem, das mit möglichst niedrigen Vorlauftemperaturen auskommen sollte. Optimal ar­beiten Wärmepumpen daher in Verbindung mit Fußboden- und Wandheizungen mit Vorlauftemperaturen von ungefähr 35 Grad Celsius.

Wird als Wärmequelle das Erdreich gewählt, ist eine Wärmepumpe besonders effizient. Das liegt daran, dass hier je nach Bodentiefe das ganze Jahr relativ konstante Temperaturen zwischen etwa sieben bis 13 Grad Celsius herrschen, was sowohl für das Heizen im Winter als auch für das Kühlen im Sommer eine gute Ausgangstemperatur ist. „Angezapft“ wird die sogenannte oberflächennahe Geothermie über 50 bis 100 Meter tiefe, senkrechte Erdwärmesonden oder ein Kollektorfeld, sofern die notwendige Grundstücksfläche vorhanden ist. Dazu wird meist ein Kunststoff-Rohrschlangensystem waagerecht unterhalb der Frostgrenze verlegt, durch welches ein frost­sicheres Wärmeträgermedium zirkuliert.

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Ein solches erdgekoppeltes System kann im Sommer zur passiven Kühlung ohne zusätzlichen Stromeinsatz genutzt werden. Dabei wird die den Räumen über die Heiz- beziehungsweise Kühlflächen entzogene Wärme mittels eines Plattenwärmetauschers auf den Solekreislauf übertragen. Die Sole gibt die Wärme anschließend über die Erdwärmesonde an das Erdreich ab. Die Wärmepumpe muss lediglich mit einem zusätzlichen Plattenwärmeaustauscher sowie einem soleseitigen Umschaltventil ausgestattet sein. So können die Räume um etwa drei bis fünf Grad abgekühlt werden. Weiterer Vorteil: Durch den Wärmeeintrag ins Erdreich im Sommer ist das Temperaturniveau im Winter auch höher, was wiederum die Effizienz der Heizleistung verbessert.

Günstiger Zugang zu Energie: Luft-Wärmepumpen

Etwas günstiger in der Anschaffung sind Luft-Wärmepumpen, da hier unter anderem die Bohrung entfällt. Dafür sind die zu erwartenden Stromkosten höher, da die Außenluft übers Jahr großen Temperaturschwankungen unterworfen ist. Im Winter, wenn die meiste Wärme benötigt wird, ist es draußen am kältesten. Der integrierte Kältekreislauf von modernen Wärmepumpen kann der Luft selbst bei -20 oder -25 Grad Celsius Außentemperatur noch einen gewissen Heizwärmeanteil entziehen. Damit es auch an eisigen Tagen kein Desaster gibt, findet sich in vielen Systemen eine integrierte, kompakte Elektro-Zusatzheizung. Prinzipiell wird eine relativ große Menge Außenluft angesaugt, im Verdampfer des Aggregats abgekühlt und dann wieder an die Umgebung abgegeben. Zu- und Abluftöffnungen müssen so platziert sein, dass sich die Luftströme nicht kreuzen und keine Geräuschbelästigung für Bewohner und Nachbarn entsteht.

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Die Geräte können im Haus, aber auch im Außenbereich aufgestellt werden, wobei es zwei Varianten gibt: die Außenaufstellung des gesamten Aggregats (Monoblock) sowie als Split-Aufstellung, bei welcher der Verdampfer (Ventilator) im Außenteil und der Kondensator im Gebäudeinneren untergebracht sind.

Mit einer solchen Anlage ist die aktive Kühlung (unter Einsatz von Strom) im Sommer möglich. Dafür muss die Wärmepumpe über einen reversiblen Kältekreislauf ver­fügen. Im Kühlfall wird der Kältekreislauf der Wärmepumpe so umgekehrt, dass Wärmequelle und Wärmesenke getauscht werden. Dem Gebäude wird nach dem gleichen Prinzip einer Klimaanlage Wärme entzogen.

Als Kühlflächen kommen Fußboden- und Wandheizungen infrage. Mit der aktiven Kühlung ist eine höhere Kühlleistung als mit der vorher beschriebenen passiven Kühlung möglich. Dabei muss eine Unterschreitung des Taupunkts der Raumluft vermieden werden, da es sonst zur Kondensation von Wasser auf der Kühlfläche kommen könnte. Ein Raumtemperatur- und ‑feuchtefühler, der an den Wärmepumpenregler angeschlossen ist, kann solche Probleme vermeiden helfen. In seltenen Fällen kann die Kühlleistung durch die Gefahr der Taupunktunterschreitung begrenzt werden.

Heizen und lüften mit einem System

Dank Inverterregelung passt diese sehr leise Luft-Wärmepumpe ihre Leistung stets dem Energiebedarf an. Zudem bietet die „WPL Trend“ die Möglichkeit einer aktiven Kühlung durch Kreislaufumkehr. www.stiebel-eltron.deHoch gedämmte Neubauten werden meist sowieso mit einer Lüftungsanlage ausgestattet. Bei besonders niedrigem Wärmebedarf kann diese auch mittels einer Luft/Luft-Wärmepumpe zum Heizen und Kühlen genutzt werden. Hierbei wird die Energie aus der Außenluft oder der warmen, verbrauchten Raumluft auf die frische Zuluft von außen übertragen. Im Sommer kann dann kühle Luft ins Haus eingeblasen werden. Dabei kann der Raum auch entfeuchtet werden, sodass es nicht zu Tauwasserproblemen kommt. Im Winter kann die Luft allerdings sogar unangenehm trocken werden. Wichtig bei einer solchen Lüftungsheizung ist eine sorgfältige Planung, damit es in den Räumen auch an kalten Tagen zugfrei warm wird. Nicht jede Bau­familie empfindet ein Luftheizungssystem als behaglich. Zum einen fehlt der angenehme Strahlungswärmeanteil. Zudem ist eine gleichzeitige Wärmeregulierung in Nord- und Südräumen (ohne elektrische Zusatzheizelemente) schwierig. Aus diesen Gründen wird statt der Luftheizung nach wie vor oft ein klassisches, wassergeführtes Heizsystem installiert – in Verbindung mit einer Luft/Wasser-Wärmepumpe. Und die Lüftungsanlage sorgt zusätzlich für die notwendige Frischluftzufuhr.

Die Anschaffungskosten für eine Wärmepumpen-Anlage variieren je nach System stark. Die Preise für die Geräte liegen zwischen 8.000 und 13.000 Euro, bei Erdwärmepumpen kommen Kosten für den Erdwärmekollektor oder die Bohrung dazu, die je nach Bodenbeschaffenheit bei durchschnittlich 60 bis 90 Euro pro Meter liegen.

Dafür werden die Kosten für Schornstein oder Brennstofflager gespart. Und wer die Wärmepumpe mit selbst erzeugtem Photovoltaik-Strom oder einem speziellen Wärmepumpen-Ökostromtarif betreibt, heizt nicht nur emissionsfrei, sondern auch mit regenerativer Energie.

Außerdem sind viele Geräte schon „smart grid ready“. Wird ein entsprechender Stromanbieter wie beispielsweise „Lichtblick“ gewählt, können die Heiz­geräte, intelligent vernetzt und gesteuert, zu einem großen „Schwarm-Energie-Speicher“ zusammengefasst werden. So kann die Heizung Strom dann beziehen, wenn das Netz durch ein Überangebot belastet ist und ihn für die Wärmeversorgung nutzen, wenn er gebraucht wird. Bereits mit dem derzeitigen Strommix im deutschen Versorgungsnetz benötigt eine Wärmepumpe im Vergleich zu einem alten Ölkessel ab einer JAZ von 3,8 weniger als die Hälfte der Energie. Mit steigendem Ökostrom-Anteil wird sich die Umwelt-Bilanz der Wärmepumpe automatisch immer weiter verbessern.

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