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Aufbau und Funktion von Wärmepumpen

Wärmepumpen sind umweltschonende Heizsysteme, die die Wärme aus der Umgebungsluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser nutzen, um ganzjährig Warmwasser für den Verbrauch und die Heizung zu liefern. Das Prinzip einer Wärmepumpe ist dabei so einfach wie genial. Zunächst wird die Wärme über ein Wärmetauschersystem dem jeweiligen Medium entzogen und über einen Wärmepumpenkreislauf auf ein nutzbares Temperaturniveau angehoben.

So werden etwa 75 % der kostenlos zur Verfügung stehenden Umweltenergie genutzt und durch ca. 25 % Fremdenergie in Form von Strom ergänzt. Das der Wärmepumpe zugrunde liegende physikalische Prinzip nennt man den Joule-Thomson-Effekt, der übrigens auch im Kühlschrank genutzt wird – nur eben genau andersherum.

Der Kreislauf einer Wärmepumpenheizung

Es gibt verschiedene Arten von Wärmepumpen, die später genauer beschrieben werden sollen, aber die Funktion einer Wärmepumpe ist im Prinzip, die gleiche. Stets gibt es eine Wärmequellenanlage, die eigentliche Wärmepumpe und ein Wärmeverteil- und Speichersystem.

Die Übertragung der Wärme erfolgt in dem geschlossenen Kreislauf einer Wärmepumpe über ein Kältemittel, welches in den Sonden der Wärmequellanlage zirkuliert. Nur bei der Luft-Luft-Wärmepumpe entfällt dieses Kältemittel. Im Verdampfer der Wärmepumpe findet der eigentliche Umweltwärmegewinn statt. Dabei nutzt man die Eigenschaften des flüssigen Kältemittels, welches auch bei Minustemperaturen kocht und verdampft. So wird die aufgenommene Energie gespeichert.

Das gasförmig gewordene Kältemittel wird in einem nachgeschalteten Verdichter zusammengedrückt und somit der Druck erhöht. Dadurch steigt auch die Temperatur des Kältemittels stark an. Im Verflüssiger wird die Wärme des heißen Kältemittels von einem Wärmetauscher aufgenommen und auf das Heizsystem übertragen. Das abgekühlte Kältemittel strömt dagegen wieder zum Anfang des Kreislaufs und nimmt dort erneut Wärme aus der Umwelt auf.

Die Gewinnung der Wärme

Je nach Art der Wärmepumpe ist die Wärmequellanlage unterschiedlich gestaltet. So gibt es bei Erdwärmenutzung die Möglichkeit, großflächig über das Grundstück verteilt Sonden auszulegen. Diese sind dann ähnlich wie eine Fußbodenheizung im Erdreich verteilt. Ist die Grundstückgröße nicht ausreichend oder das Terrain nicht geeignet, kann auch eine vertikale Bohrung erfolgen und so die Erdwärme aus der Tiefe genutzt werden. Für die Bohrung braucht man allerdings eine Genehmigung und einen spezialisierten Fachbetrieb.

Bei einer Wasser-Wasserwärmepumpe wird die Wärme des Grundwassers, welches ganzjährig zwischen 10 °C und 12 °C liegt, genutzt. Auch wenn das Grundwasser damit ein idealer Energieträger ist und diese Art von Pumpen zu den effektivsten gehören, sind sie weniger stark verbreitet. Schließlich muss man hier zunächst prüfen, ob genügend Grundwasser vorhanden ist und zwei Brunnen bauen. Der Saugbrunnen dient dabei der Förderung des Grundwassers, während der Schluckbrunnen das genutzte Wasser wieder ins Erdreich zurückführt.

Luft-Wärmepumpen benötigen dagegen keine Sonden oder Brunnen, sondern saugen die Umgebungsluft einfach an. Dies erzeugt allerdings einen gewissen Geräuschpegel, der von vielen Menschen als störend empfunden wird. Zudem benötigt der Ventilator etwas Platz und ist nicht unterirdisch versteckt.

Luft-Luft-Wärmepumpen für Niedrigenergie- oder Passiv-Häuser

Bei einer Luft-Luft-Wärmepumpe wird kein Kältemittel zur Übertragung der Wärme genutzt. Vielmehr folgt der Wärmeaustausch direkt von einem Luftkreislauf auf einen anderen. Die Abluft wärmt damit die neue Frischluft auf.

Dies funktioniert allerdings nur in besonders gut gedämmten, luftdichten Häusern wie Niedrigenergie- oder Passivhäuser. In Gebäuden mit einer kontrollierten Wohnraumlüftung kann diese Art der Wärmepumpe sogar die Warmwasseraufbereitung mit übernehmen.

Kühlen mit einer Wärmepumpe

Wärmepumpen können aber nicht nur zum Heizen genutzt werden, sondern im Sommer auch zum Kühlen. Dabei unterscheide man in passives und aktives Kühlen. In beiden Fällen dienen die vorhandenen Heizflächen wie Wandheizungen oder Fußbodenheizung als Kühlflächen und können die Räume kostengünstig kühlen.

Während bei der passiven Kühlung der Umstand genutzt wird, dass Grundwasser und Erdreich im Sommer kühler als die Umgebungsluft sind, wird beim aktiven Kühlen der Prozess einfach umgekehrt. Durch die passive Kühlung kann man die Temperatur je nach Wärmequellanlage und -temperatur um zwei bis drei Grad absenken.

Die aktive Kühlung erreicht dagegen bessere Werte, ist aber auch mit erheblichen Mehrkosten verbunden.

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