Wärmepumpe als Zunftstechnologie

Wärme oder Kälte ohne Verbrennung
Funktionsprinzip einer Wärmepumpe (Quelle: www.waermepumpe.de)

Den Begriff Wärmepumpe hat im Zusammenhang mit der Energiewende oder der Energieeinsparverordnung sicherlich jeder schon einmal gehört. Wie genau jedoch ohne Verbrennung umweltfreundliche Wärme entstehen kann, ist jedoch vielfach unbekannt. Vor diesem Hintergrund hielt EKK-Mitglied Jörg Vorländer am 12.01.2016 bei einer Infoveranstaltung im Ratssaal der Stadt Bonn einen Vortrag über die Einsatzmöglichkeiten und Vorzüge von Wärmepumpen. Über 50 interessierte Bürger wollten aktuell informiert werden. Im Prinzip besteht eine Wärmepumpe immer aus den gleichen vier wesentlichen technischen Bautei-len (siehe Abb.):

  • 2 Wärmetauscher (1;3),
  • 1 Kompressor (2),
  • 1 Expansionsventil (4)

Im Verdampfer (1) nimmt ein spezielles Kältemittel Energie aus der Umwelt (Luft/Grundwasser/Erde) auf niedrigem Temperaturniveau auf, indem das bis dahin flüssige Kältemittel verdampft.
Dieser Aggregatszustandswechsel ist erforderlich, damit das jetzt gasförmige Kältemittel im Kompressor (2) unter Zuhilfenahme von Antriebsenergie (Strom/Verbrennungsmotor) verdichtet werden kann. Durch diese Komprimierung steigt nicht nur der Druck hinter dem Kompressor sondern auch, sozusagen als Nebenwirkung, die Temperatur des Mediums. Hier bedeutet physikalisch mehr Druck mehr Antriebsenergie, aber auch höhere Temperatur. In diesem Zustand wird dem Medium im Ver-flüssiger (3) die Wärme entzogen, das Medium wird wieder flüssig und die Wärme ist somit zur Nutzung an das Heizsystem übertragen. Das jetzt wieder flüssige, aber noch unter Druck stehende Kältemittel wird nun durch das Expansionsventil (4) entspannt und strömt unter geringem Druck und Temperatur wieder in den Verdampfer und der Kreislauf beginnt erneut. Für die Überwachung dieses Kreislaufes sind darüber hinaus Temperatur- und Drucksensoren neben einer Regelung erforderlich.

Um die Effizienz zwischen eingesetzter Antriebsenergie und Nutzenergie (Heizleistung) zu steigern, sind neben wirkungsvollen Kompressoren (Scroll oder Rotation) die Randbedingungen besonders wichtig. Ziel muss es sein die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Heizsystem so gering wie möglich zu halten. Auf der Verdampferseite (1) kann durch die Auswahl der besten Wärmequelle Erdreich oder Grundwasser erheblicher Einfluss auf die Effizienz genommen werden. Auf der Verbraucherseite kann durch möglichst geringe Vor-lauftemperaturen und den hydraulischen Abgleich ebenso die Effizienz positiv beeinflusst wer-den. Eine Besonderheit stellt in diesem Zusammen-hang die Wärmequelle Luft dar, diese bietet zwar im Sommer- oder der Übergangszeit hervorragende Werte an, allerdings ist durch verschiedene starke Winterperioden mit erheblichen Verbrauchsschwankungen zu rechnen. Ein nicht zu unterschätzender weiterer Aspekt bei einer Wärmepumpenanlage ist das Bedürfnis nach warmem Wasser oder der Komfort einer Zirkulationsleitung, hier ist das notwendige Temperaturniveau gleichbleibend hoch - ganzjährig.

Um verschiedene Wärmepumpen vergleichen zu können, wurden sogenannte COP-Werte (Coefficient of Performance) definiert. Die COP-Zahl gibt Auskunft darüber, wie viel kW Leistung für ein kW Antriebsenergie bereitgestellt werden kann. Hierdurch können Effizienzwerte unter definierten Bedingungen verglichen werden z.B. B0/W35; A2/W35; W10/W35 (W = Wasser (engl. Water), B = Sole (engl. Brine) und A = Luft (engl. Air)).

Diese unterschiedlichen Betriebsbedingungen müssen im Kontext des Jahreszyklus und Verbraucher-bedürfnissen bewertet werden und bedingen daher eine genaue Planung. Die Erreichung einer energetisch sinnvollen, hohen Jahresarbeitszahl (JAZ) wird dadurch gewährleistet. Die JAZ beschreibt das Verhältnis zwischen der Jahresheizarbeit und der Jahresantriebsarbeit. Aufgrund der besseren Wär-mequellentemperatur bei Erdwärmepumpen sind JAZ von 4 und mehr möglich, Luftwärmepumpen erreichen demgegenüber JAZ von 3,3 -3,5. Auf den ersten Blick könnte man die Meinung vertreten, dass wegen der Differenz von 0,5 der Aufwand und die Kosten nicht gerechtfertigt sein könnten, aller-dings offenbart ein prozentualer Vergleich einen Unterschied von 15% ein Leben lang! Darüber hinaus wird das Erdreich als Wärmequelle nur einmal erschlossen und liefert für viele Generationen von Erdwärmepumpen kostenlose Umweltwärme ohne die direkte Umgebung zu beeinflussen. Das Thema Schallemission bekommt dafür bei dem Einsatz von Luftwärmepumpen besondere Aufmerksamkeit und muss bei der Planung berücksichtigt werden.

(JV)
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