Grundlagen der Wärmepumpentechnik (Teil 1)

Wärmepumpen-Kn ow-how

Funktionsprinzip und Betriebsarten

Die Beheizung und Warmwasserbereitung von Gebäuden ist durch die Richtlinien zur Energieeinsparung, sei es die ENEV oder das Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG), immer mehr zu einer zentralen Fragestellung geworden. Die Nutzung regenerativer Energien wird sukzessive zur Pflicht und Wärmepumpen sind hier eine mögliche Lösung. Dabei leistet die Wärmepumpentechnologie einen großen Anteil daran, aus der fossilen Sackgasse zu kommen und die Klimaschutzziele zu erfüllen. Der Beitrag (in zwei Teilen) stellt die Grundlagen der Wärmepumpentechnik vor.

Die prinzipielle Funktion einer Wärmepumpe besteht darin, Wärmeenergie bei einem niedrigen Temperaturniveau aufzunehmen und diese unter Zuführung von mechanischer Energie auf einem höheren, nutzbaren Temperaturniveau wieder abzugeben. Dadurch wird es möglich, die in der Umwelt (Luft, Erdreich, Wasser) enthaltene Wärmeenergie (Wärmequelle) nutzbar zu machen.

Im Wärmepumpenprozess wird ein Arbeitsmittel, auch als Kältemittel bezeichnet, periodisch verdichtet (komprimiert) und entspannt (expandiert). Im expandierten Zustand wird bei niedriger Temperatur die Wärme aus der Wärmequelle aufgenommen, wobei das Arbeitsmittel verdampft, und im komprimierten, heißen Zustand unter Verflüssigung des Arbeitmittels wieder abgegeben. Da nach Ablauf eines Arbeitszyklus die Zustandsgrößen des Arbeitsmittels wieder dieselben sind, spricht man von einem Kreisprozess. Dieser Vorgang wird bei jedem Kühlschrank angewendet, man bezeichnet diesen als Carnot-Prozess. Er basiert auf Erkenntnissen des Physikers William Thompson, besser bekannt als Lord Kelvin. Dieser konnte 1852 nachweisen, dass Kältemaschinen ebenso zum Heizen verwendet werden können und dass sie durch die aus der Umwelt aufgenommene Wärme weniger elektrische Arbeitsenergie benötigen als direkte Heizsysteme (Bild 1).

Leistungszahl der Wärmepumpe

Die Effizienz einer Wärmepumpe – und damit auch die Leistungszahl – ist von mehreren inneren Faktoren abhängig, wie z. B. der im Kältekreis verbauten Komponenten, den äußeren Faktoren der Wärmequelle (Luft, Erdreich, Wasser) sowie dem Heizungssystem.

Die Leistungszahl beschreibt das Verhältnis von abgegebener Wärmeleistung zu aufgenommener elektrischer Leistung. Maßgebend für die Leistungszahl bleibt jedoch die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke. Die Graphik zeigt exemplarisch die Leistungszahl einer realen Wärmepumpe in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz (Bild 2).


Als Faustregel gilt, dass eine Verringerung des Temperaturhubes um 1 K die Leistungszahl um ca. 2,5 % verbessert. Neben einer möglichst hohen Temperatur der Wärmequelle sollte deshalb die Temperatur der Heizungsanlage so gering wie möglich gewählt werden. Damit sind Flächenheizungen vorzuziehen.

Die Leistungszahl wird auch als COP (engl. „Coefficient of Performance”) bezeichnet und beschreibt den Wirkungsgrad der Wärmepumpe unter festgelegten Randbedingungen. Sie wird gemäß DIN 14 511 bzw. DIN EN 255 im Prüfstand gemessen und stellt einen Momentanwert dar. Der COP-Wert wird immer in Verbindung mit den Medien der Wärmequelle, der Wärmenutzung und deren Temperaturen angegeben.

1. Buchstabe: Medium der Wärmequelle

B = Brine (engl. Sole)

W = Water (Wasser)

A = Air (Luft)

1. Zahl: Temperatur der Wärmequelle

0 = 0 °C

-5 = -5 °C etc.

2. Buchstabe: Medium der Wärmenutzung

W = Wasser

2. Zahl Temperatur der Wärmenutzung

35 = 35 °C

 

Beispiel: B0 / W 35 – das Beispiel beschreibt also eine Sole/Wasser-
Wärmepumpe mit einer Soletemperatur von 0 °C und einer Vorlauftemperatur der Heizung von 35 °C.

Jahresarbeitszahl (JAZ)

Während die Leistungszahl COP einen Momentanwert unter festgelegten Bedingungen darstellt und damit die Anlagen der unterschiedlichen Hersteller vergleichbar macht, gibt die Jahresarbeitszahl das Verhältnis von der während eines ganzen Jahres abgegebenen Wärmeenergie zur aufgenommenen elektrischen Arbeit an. Je höher der COP ist, desto energieeffizienter ist die Wärmepumpe.

In der aufgenommenen elektrischen Arbeit ist auch die elektrische Energie der Hilfsantriebe enthalten. Beim realen Betrieb einer Wärmepumpe variieren im Verlauf einer Heizperiode die Betriebsbedingungen und damit auch die Leistungszahl. Dies gilt insbesondere für den Verlauf der Wärmequellentemperatur über die Heizperiode (besonders bei Luft-Wärmepumpen), den Verlauf der Heizungsvorlauftemperatur über die Heizperiode und die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf der Heizung sowie die elektrische Energie für die Wärmequellenpumpe bei den Wärmequellen Grundwasser und Erdreich.

Die VDI-Richtlinie 4650 bietet ein Rechenverfahren zur Bestimmung der Jahresarbeitszahl von Wärmepumpen mit verschiedenen Wärmequellen – dieses Verfahren wird auch für die Beantragung von Fördergeldern verwendet. Die gemessene Leistungszahl wird hierbei mit Korrekturfaktoren für unterschiedliche Betriebsbedingungen und abweichende Temperaturen bzw. Temperaturdifferenzen der Wärmequelle und Wärmenutzung versehen.


Betriebsarten

Je nach Art der Wärmequelle, der benötigten Heizlast und dem Einsatzbereich sind verschiedene Betriebsarten der Wärmepumpe möglich und sinnvoll.

Monovalente Betriebsweise:

Die erforderliche Wärmeenergie wird ausschließlich von der Wärmepumpe bereitgestellt. Hierzu müssen Wärmequelle und Wärmepumpe für die maximale Heizlast dimensioniert sein. Diese Betriebsweise bietet sich für Wärmequellen mit weitgehend konstanter Temperatur wie Grundwasser oder Erdwärme an (Bild 3).

 

Monoenergetische Betriebsweise:

Bei der monoenergetischen Betriebsweise erfolgt die Wärmeversorgung durch zwei  Energieerzeuger eines Energieträgers. Die Wärmepumpe wird hierbei in der Regel intern mit einer elektrischen Zusatzheizung ausgestattet, welche Spitzenlasten bei niedrigen Außentemperaturen abdeckt. Die Dimensionierung von Wärmequelle und Wärmepumpe muss somit nicht für die niedrigste Außentemperatur erfolgen, die ohnehin nur an wenigen Tagen auftritt. Hierdurch wird sowohl die erforderliche Leistung der Wärmequellenanlage als auch der Wärmepumpe reduziert, was zu geringeren Investitionskosten und zu einer höheren Auslastung der Wärmepumpe während der Übergangszeiten führt. Bei einer solchen Anlage sollte die Heizlast zu mindestens 85 % durch die Wärmepumpe abgedeckt werden (Bild 4).

 

Bivalente Betriebsweisen:

Bei dieser Betriebsweise wird ab einer bestimmten Heizleistung, dem so genannten Bivalenzpunkt, ein zweiter Wärmeerzeuger zugeschaltet, der jedoch einen anderen Energieträger nutzt. Diese Betriebsweise wird oft bei Anlagen mit der Wärmequelle Luft oder bei der Umrüstung bestehender Anlagen (Altbausanierung) gewählt, wenn ein bestehender Wärmeerzeuger weiter genutzt werden kann. Die Grundlastabdeckung erfolgt dann durch die kostengünstige, da kleiner zu dimensionierende Wärmepumpe. Es ist jedoch auch möglich, dass die Wärmepumpe am Bivalenzpunkt komplett ausschaltet und der zweite Wärmeerzeuger die komplette Heizlast abdeckt. Dieser Fall kann bei Nachrüstungen von Anlagen, die bei höheren Heizlasten mit hohen Vorlauftemperaturen arbeiten müssen, eine sinnvolle Lösung darstellen (Bild 5).

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