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Arten der Wärmepumpen

Eine Wärmepumpe versetzt das Temperaturgefälle, an dem die Wärme gewöhnlich stets vom Wärmeren zum Kühleren strömt - somit bewegt sich das Kältere nun zum Wärmeren. Der Kühlschrank ist ein Verwandter der Wärmepumpe, der lediglich andersherum arbeitet: Dem Innenraum entzieht er Wärme, die er nach außen abgibt, während eine Wärmepumpe der Umgebung Wärme entzieht und in Form von Heizenergie an den Innenraum des Hauses leitet.
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Wärmepumpe

Arten der Wärmepumpe und Energielieferant

  • Wärmepumpen Wärmequelle Luft

    Die Luft-Wasser-Wärmepumpe ist eine Heizmethode aus erneuerbaren Energien, die bevorzugt bei begrenzten Platzverhältnissen, baurechtlichen Hindernissen oder geringen Investitionsmitteln eingesetzt werden kann. Wie aus dem Namen bereits abzuleiten ist, nutzt die Luft-Wasser-Wärmepumpe als Energiequelle die Luft, wobei hier sowohl Außenluft, wie genauso Abluft als Variationsmöglichkeiten in Betracht kommen. Das Arbeitsprinzip einer Luft-Wasser-Wärmepumpe basiert auf der Tatsache, dass Luft, egal wie kühl sie subjektiv auch wahrgenommen wird, immer ein Wärmereservoir ist und entsprechend der Luft zur Heizenergiegewinnung gleichfalls Wärme entzogen werden kann.

    Wie bereits erwähnt können dabei die Außenluft beziehungsweise genauso Abluft zum Energiegewinn heran gezogen werden. Um dies zu bewerkstelligen, kommt ein großer Ventilator, der die entsprechende Luft ansaugt, zum Einsatz. Er nimmt die Luft auf und leitet sie an den so genannten Verdampfer, eine mit einem Kältemittel ausgestattete Komponente der Wärmepumpe, weiter. Dieser Verdampfer entzieht der Luft die Wärme, während die „verbrauchte“ Luft wieder in die Umgebung abgegeben wird.

    Da Außen- beziehungsweise Abluft nicht zwingend die für das Heizsystem notwendige Vorlauftemperatur aufweisen, wird das Wasser durch die Luft-Wasser-Wärmepumpe selbst noch weiter erhitzt und erst danach dem Heizkreislauf zugeführt.
  • Außenluft-Wasser Wärmepumpe

    Beim Einsatz der Luft-Wasser-Wärmepumpe ist das außenluftbasierende System die in Altbauten am häufigsten eingesetzte Art. Hierfür sind keine großen Umbauten oder Vorrichtungen notwendig, denn diese Luft-Wasser-Wärmepumpe bezieht ihre Wärme ausschließlich aus der Umgebungsluft, egal ob im Keller oder im Außenbereich.

    Selbst bei tiefsten Temperaturen bis zu minus 20 Grad Celsius ist die Luft-Wasser-Wärmepumpe noch in der Lage, der Umgebungsluft Wärme zu entziehen. Dabei wird, je kälter die Außenluft ist umso mehr Stromeinsatz zur Restwärmeerzeugung notwendig.

    Vorteile:

    • Vergleichsweise geringe Investionskosten
    • Braucht wenig Platz
    • keine Baugenehmigung nötig, da keine Erdbohrung

    Nachteile

    • Niedriger Wirkungsgrad
    • Erhöhte Geräuschemission durch Luftansaugventilators
  • Abluft basierende Luft-Wasser Wärmepumpe

    Gegenüber der Nutzung der Luft-Wasser-Wärmepumpe mit Energiegewinnung ausschließlich aus der Außenluft, hat das abluftbasierende Prinzip den Vorteil, dass Ablüfte in der Regel deutlich höhere Temperaturen als die Außenluft aufweisen und entsprechend diesem Energielieferanten mehr Wärme entzogen werden kann. Zwingende Voraussetzung ist dabei jedoch das Vorhandensein eines Abluftsystems. Deshalb findet diese Form der Luft-Wasser-Wärmepumpe ihren Einsatz primär in so genannten Passivhäusern, energetisch sehr ausgereiften und ökologisch höchst effizienten Bauarten, die nicht zuletzt auf dem Einsatz eines Belüftungssystems basieren.

    Verbrauchte Luft aus dem Hausinnenraum wird von der Lüftung angezogen und kann von der abluftbasierenden Luft-Wasser-Wärmepumpe zur Energiegewinnung genutzt werden.

    Bei diesem System können deutlich höhere Temperaturen aus der Luft gewonnen werden, was den Stromeinsatz zur Restwärmeerzeugung reduziert. Wegen der benötigten Lüftungsanlage ist eine solche, nach dem Abluftprinzip arbeitende Luft-Wasser-Wärmepumpe überwiegend in neu gebauten Passivhäusern und nur gelegentlich in sanierten Altbauten zu finden.
  • Wärmepumpe mittels Erdwärme­kollektoren

    Für die Verwendung von Kollektoren wird ein großflächiges waagerechtes Rohrsystem etwa eineinhalb Meter unter der Erde (unterhalb der Frostgrenze) verlegt. Die Fläche des Kollektors ist jeweils von dem zu beheizenden Bereich sowie der Regenwasserdurchlässigkeit des Bodens abhängig, doch grundsätzlich ist sie etwa eineinhalbmal so groß wie die Heizfläche. Damit die Erde ihren Energiespeicher wieder durch Regenwasser oder Sonneneinstrahlung auffüllen kann, darf der Bereich über dem Kollektor weder versiegelt noch bebaut werden. Zudem ist davon abzuraten, tief wurzelnde Pflanzen wie Bäume an diesen Stellen anzubauen, da sie die Rohre beschädigen könnten. Erdwärmekollektoren sind in der Regel kostensparender als eine Sonde und insbesondere eine geeignete Alternative, wenn die Genehmigung einer Erdwärmesonde nicht oder nur in Verbindung mit hohen Auflagen erfolgt.

    Vorteile:

    • Geringe Betriebskosten
    • Guter Wirkungsgrad
    • Keine Zusatzheizung notwendig, die Kombination mit der Solarthermie ist jedoch ratsam
    • Nahezu wartungsfrei

    Nachteile

    • Anschaffung und Installation vergleichsweise teuer
    • Bodengutachten und Anzeige bei der Gemeinde erforderlich
    • Große unbebaute Fläche nötig
    • Pflichtabstand zu Wasserleitungen aufgrund von Frostgefahr durch den Wärmeentzug
  • Wärmepumpe mittels Tiefensonde

    Die Sole-/Wasser-Wärmepumpe mit Sondeneinsatz macht sich die natürliche Beschaffenheit des Erdreichs zu Nutze, das so konzipiert ist, dass die Temperaturen umso höher werden, je tiefer man in den Boden vordringt. Eine Bohrung von etwa 20 Zentimetern Durchmesser wird bis auf 100 Meter Tiefe in den Boden getrieben. In der Regel reichen zwischen 50 und 70 Tiefenmeter jedoch aus.

    In die Bohrung hinein wird die eigentliche Erdsonde verlegt. Sie besteht aus einem dünnen, mit Frostschutzmittel versetzten Wasser gefülltem Rohr, das oben mit der Wärmepumpenanlage verbunden ist. Das in dieser Leitung zirkulierende Flüssigkeitsgemisch nimmt die natürliche Erdwärme auf und gibt sie an der Erdoberfläche an den Wärmetauscher der Wärmepumpe ab, um den eigenen Kreislauf von neuem zu starten. In der Wärmepumpe wird die Temperatur nochmals auf das für den Heizkreislauf des Hauses benötigte Niveau angehoben, was jedoch aufgrund der relativ hohen Wärmegewinnungseffizienz der Sonde deutlich weniger Einsatz als bei anderen Wärmepumpen erfordert.In diesem Kreislaufsystem arbeitet die Erdsonde kontinuierlich weiter und kann so nicht nur das Heizungswasser auf einem notwendigen Level halten, sondern auch zur Warmwasseraufbereitung beitragen.

    Vorteile:

    • Sehr guter Wirkungsgrad je tiefer ins Erdreich gebohrt wird
    • Geringe Betriebskosten
    • Geringe Platzverhältnisse als Flächenkollektoren
    • Nahezu wartungsfrei

    Nachteile

    • Bodengutachten und Genehmigung nötig
    • Bodenqualität ist entscheidend
    • Hoher Invest erforderlich
  • Wärmepumpe mittels Grundwasser

    Wie alle anderen Wärmepumpen macht auch die Wasser/Wasser-Wärmepumpe sich natürlich vorkommende Wärmequellen zu Nutze. Energielieferant ist für diese Wärmepumpenart das Grundwasser. Dieses weist eine deutlich höhere Temperatur gegenüber der Umgebungsluft auf. Mindestens sieben bis zwölf Grad Celsius können im Grundwasser permanent gemessen werden. Diese Wärme dem Grundwasser zu entziehen und in das Heizkreislaufsystem einzuspeisen ist Auftrag der Wasser/Wasser-Wärmepumpe.

    Das recht warme Grundwasser ist ein perfektes Energiereservoire für den Wärmepumpenbetrieb und damit für die Wohnraumbeheizung. Dabei arbeitet die Wärmepumpe an sich nach den gleichen Prinzipien wie Wärmepumpen, die andere Energiequellen erschließen. In der Form der Energiegewinnung liegt jedoch der entscheidende Unterschied.Um Grundwasserwärme in den Heizkreislauf einzuspeisen, muss zunächst eine Verbindung zu diesem hergestellt werden. Hierfür ist die Installation eines Saugbrunnens angezeigt. Schließlich wird bei der Wasser/Wasser-Wärmepumpe die Wärmegewinnung nicht durch solebetriebenen Wärmeentzug absolviert, sondern durch direkte Aufnahme der Wärme aus dem Grundwasser über einen Wärmetauscher. Das Grundwasser muss also mit einer Pumpvorrichtung an die Erdoberfläche befördert und an die Wärmepumpe weitergeleitet werden. Der Wärmetauscher nimmt nun die Grundwasserwärme auf, während die abgekühlte Flüssigkeit wieder dem Erdreich übergeben wird. Hierfür ist ein zweiter Brunnen, der als Schluckbrunnen oder auch Sickerbrunnen bezeichnet wird, vonnöten. Lokal ist dieser entsprechend der Grundwasserflussrichtung hinter dem Saugbrunnen anzubringen, um keine Temperaturverschiebung im Saugbrunnen zu erwirken.

    Vorteile:

    • überschaubare Brunnenkosten bei einem Grundwasseraufkommen in 20 m Tiefe
    • besserer Wirkungsgrad im Vergleich zur Sole / Wasser Wärmepumpe
    • sparsamer Flächenverbrauch als im Vergleich der Flächenkollektorvariante

    Nachteile

    • fortwährende Grundwasserzirkulation um die Funktion der Brunnenpumpe zu erhalten
    • Grundwasser darf nicht zu tief liegen um die Brunnentiefe überschaubar zu halten
    • Im Grundwasser dürfen nur wenige Anteile an Fest- und Schwebstoffen enthalten sein; für einzelne wasserbestandteile gelten engere Grenzen; Ein Überschreiten der Werte führt zu einem Defekt der Wärmepumpe

Aufbau und Funktion einer Wärmepumpe

  • Die Wärmequellanlage: Sie entzieht der Umgebung die erforderliche Energie.
  • Die Wärmepumpe selbst: Durch sie wird die gewonnene Wärme nutzbar.
  • Das Wärmeverteil- und Speichersystem: Hierdurch erfolgt die Verteilung der Wärmeenergie im Haus oder die Zwischenspeicherung.
In dem Wärmeverteil- und Speichersystem zirkuliert gewöhnlich Wasser, das die im Verflüssiger vom Kältemittel abgegebene Wärme aufnimmt und entweder zu einem Verteilersystem (z. B. Heizkörper oder Flächenheizungen) oder zu einem Warmwasserspeicher bzw. Heizungspuffer weiterleitet.
Die in der Wärmequellanlage enthaltene Flüssigkeit, ein meist mit Frostschutzmittel versetztes Wasser (Sole), ist in der Lage, die Wärme aus ihrer Umwelt (z. B. dem Grundwasser oder Erdreich) aufzunehmen. Diese wird durch die konstante Zirkulation zur Wärmepumpe transportiert. Die Gewinnung erfolgt lediglich bei Luft-Wärmepumpen auf eine andere Weise, bei der die Außenluft von einem Ventilator angesaugt wird und die Umgebungswärme zur Wärmepumpe gelangt.

Des Weiteren ist in der Wärmepumpe ein Kältemittel in Umlauf. Ein Verdampfer überträgt die Energie aus der Umwelt des ersten Kreislaufs auf das Kältemittel. Daraufhin folgt die Weiterleitung des dabei entstehenden Kältemitteldampfes zu einem Kompressor, wodurch das gasförmige Kältemittel wärmer wird. Anschließend wird das Kältemittel in dem Wärmeaustauscher „Verflüssiger“ kondensiert, wobei es Wärme abgibt. Das nun flüssige Kältemittel gelangt daraufhin zu einer Drossel, die den Druck verringert. Schlussendlich wird das flüssige Mittel zurück zum Verdampfer geleitet.
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