Luft-/Wasser-Wärmepumpen

Der Energieträger Luft zählte lange zu den Exoten innerhalb der Zukunftstechnologie Wärmepumpe. Doch mittlerweile stehen Luftwärmepumpen – was ihre Absatzzahlen angeht – gleichberechtigt neben den Wärmepumpen, die als Energiequelle das Grundwasser oder das Erdreich nutzen. Zur bestmöglichen Ausnutzung und Erhalt der Energieeffizienz sowie Betriebssicherheit sind insbesondere in der Planungsphase einige Details zu berücksichtigen.

Auch wenn die Entscheidung für die Nutzung des Energieträgers Umgebungswärme bzw. Luft für den Einsatz einer Wärmepumpe bereits getroffen wurde, stehen anschließend noch weitere grundsätzliche Auswahlkriterien an. Diese betreffen die Bauweise der Wärmepumpe an sich in Form der kompletten Innen- bzw. Außenaufstellung und das bei einer Splitwärmepumpe notwendige Medium in den Verbindungsleitungen zwischen Innen- und Außeneinheit.

Aufgrund der aktuell verkauften Luft-/Wasser-Wärmepumpen lässt sich leicht ablesen, dass die Varianten für die reine Innen- oder Außenaufstellung nur noch eine Randposition im Markt einnehmen. Deswegen sollen für diesen Bericht ausschließlich Luft-/Wasser-Wärmepumpen in Splitausführung betrachtet werden. Diese Produkte werden mit zwei technischen Prinzipien umgesetzt – mit geteiltem oder geschlossenem Kältekreislauf. Bei den Splitwärmepumpen mit geschlossenem Kältekreislauf zirkuliert in den Verbindungsleitungen zwischen Innen- und Außengerät entweder Sole oder Heizungswasser. Beim geteilten Kältekreislauf sind die Verbindungsleitungen mit Kältemittel gefüllt.

Welche Technologie – der geschlossene oder geteilte Kältekreislauf – die größeren Vorteile für Fachhandwerker und Endkunden bietet, differiert vom Anwendungsbereich und Fachhandwerker-Background. Wichtig erscheinen alleine die Effizienz und bei Luftwärmepumpen insbesondere auch die Geräuschemis­sio­nen. In punkto Geräuschemissionen sind Kompressor und Ventilator in allen Bauformen unbestritten die wesentlichen Verursacher. Deswegen sollte insbesondere beim Innengerät darauf geachtet werden, welche Schallleistungspegel hier erzeugt werden.

Im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit sind es hauptsächlich die Kompressoren, die als Herzstück einer Wärmepumpe Aufmerksamkeit verdienen. Mit dem Kompressor steht und fällt die Wirtschaftlichkeit einer Luftwärmepumpe. Als Standard hat sich hier die Invertertechnologie etabliert.

Hohe Effizienz

Nur invertergeregelte Kompressoren gewährleisten hohe Effizienz. Sie alleine gewährleistet statt eines reinen On-/Off-Betriebes mit entweder 0 oder 100 % Leistung eine modulierende Leistungsabgabe, wie sie auch bei modernen Wärmeerzeugern zum Standard avanciert ist. „Auch die kommende ErP-Ökodesign-Richtlinie wird noch einmal unterstreichen, dass sich die höchste Wirtschaftlichkeit nur mit zeitgemäßer Invertertechnik erreichen lässt“, formuliert dazu Holger Thiesen, General Manager Mitsubishi Electric, Living Environment Systems.

Von welcher Relevanz diese Tatsache ist, wird im Bereich der Klimatechnik deutlich: Klimageräte ohne Leistungsmodulation durch Inverter sind nicht dazu berechtigt, Leistungsnachweise wie das Qualitätssiegel Raumklimageräte des Fachverband Gebäude-Klima e.V. (FGK) zu tragen. Dieses Qualitätssiegel, das durch die Arbeitsgruppe „Energieeffi­ziente Raumklimageräte und Wärmepumpen“ des Fachverbandes initiiert wurde, dient insbesondere dazu, Produkte von Markenherstellern von Niedrigpreisanbietern abzugrenzen. Generell unterscheiden sich moderne Raumklimageräte hinsichtlich ihrer technologischen Grundprinzipien nicht von Wärmepumpen.

Eine der ersten Fragen in der Planung ist die nach den tatsächlichen Aufgaben der künftigen Wärmepumpenanlage. Soll der vollständige oder nur ein teilweiser Heizwärmebedarf gedeckt werden? Wird die Wärmepumpe künftig auch für die Warmwasserbereitung verantwortlich sein? Gerade in punkto Warmwasserbereitung können mehrere Alternativen genutzt werden, denn ein sehr hoher Warmwasserbedarf, der über eine Wärmepumpe gedeckt wird, kann die Gesamteffizienz der Anlage reduzieren. Werden z.B. nur zwei Zapfstellen im Haus mit Warmwasser versorgt (z.B. Küche und Bad), dann könnte die dezentrale Warmwasserversorgung über Elektrodurchlauferhitzer eine interessante Möglichkeit bieten. Hierdurch könnte die Zirkulationsleitung für Warmwasser inklusive Pumpenstrom eingespart werden. Gleichzeitig würde die Dimen­sio­nie­rung der Wärmepumpe kleiner ausfallen.

Ist der Warmwasserbedarf im üblichen Rahmen oder werden weitere Zapfstellen mit Warmwasser versorgt, bilden Wärmepumpen mit integriertem oder nebenstehendem Warmwasserspeicher eine gute Lösung. Der Speicher kann dann gleichzeitig zur oftmals notwendigen Pufferung von Wärme, z.B. durch Sperrzeiten des Energieversorgers oder für den Abtau­betrieb eingesetzt werden.

Soll die Wärmepumpe mono- oder bivalent betrieben werden? Beim bivalenten Betrieb kann die Wärmepumpe durch einen zusätzlichen Spitzenlast-Wärmeerzeuger auf der Basis fossiler Energien ergänzt werden. Hierfür kann der Wärmpumpe ein Bivalenzpunkt vorgegeben werden, an dem es wirtschaftlicher wird statt mit der Wärmepumpe, mit der Strom- bzw. Gas- oder Ölzusatzheizung Wärme zu erzeugen.

Monovalenter Betrieb tatsächlich wirtschaftlich umsetzbar?

Alternativ dazu bietet der Markt auch Luft-/Wasser-Wärmepumpen, die ohne diese Beiheizung auskommen und 100 % Heizleistung bei bis zu –15 °C versprechen. Möglich wird dies durch zwei technische Prinzipien. Zum einen kann der Kompressor in einer Wärmepumpe größer dimensioniert werden, als es für die tatsächlich angegebene Heizleistung erforderlich ist. „Das Ergebnis erschließt dadurch zwar tatsächlich die Möglichkeit, einen monovalenten Heizbetrieb zu fahren. Dies muss aber durch Effizienzverlust gerade im Teillastbetrieb bezahlt werden“, so Michael Lechte, Marketing Manager Mitsubishi Electric, Living Environment Systems. „Um dieses Vorgehen vergleichbar zu machen, kann man sich leicht einen LKW-Motor in einem Kleinwagen vorstellen. Zwar kann der Wagen hohe Geschwindigkeiten und Beschleunigungen erreichen, verbraucht jedoch gerade beim Anfahren und dem normalen Stadtverkehr deutlich mehr.“

Zum anderen werden Luft-/Wasser-Wärmepumpen mit der sogenannten Flash-Injection angeboten. Hierbei wird Kältemittel direkt in den Kompressor eingespritzt, um den temperaturbedingten Druckabfall zu kompensieren und für eine zusätzliche Kühlung des Verdichters zu sorgen. Dieses Verfahren bietet zwei Vorteile: Erstens wird der Kompressor gekühlt. Dadurch wird die Gefahr ausgeräumt, dass das Kältemittel seine kritische Heißgastemperatur erreicht und die Verdichterdrehzahl reduziert werden muss. Zweitens führt die zusätzliche Einspritzung dazu, dass die Drehzahl des Verdichters erhöht werden kann, damit der Kältemittelfluss während des Betriebes konstant bleibt. Das Kältemittel kann also auch bei sehr tiefen Außentemperaturen genügend Wärme aus der Außenluft aufnehmen und im Kondensationsprozess wieder abgeben.

Bei der Flashgas-Einspritzung wird ein zweiphasiges Einspritzverfahren mit einem variablen Flüssigkeits-/Gasgemisch eingesetzt. Hierdurch können sowohl die Heißgastemperatur als auch die Einspritzmenge reguliert werden. Ein Anwendungsbeispiel, bei dem die Flashgas-Einspritzung bereits erfolgreich in Wärmepumpen eingesetzt wird, ist die Zubadan-Technologie des Herstellers Mitsubishi Electric (www.mitsubishielectric.de). Bei diesem weltweit patentierten Verfahren erfolgt die Einspritzung des Kältemittels in den Kompressor bedarfsabhängig ab einer Außentemperatur von 3 °C und tiefer.

Wärmeverteilsystem prüfen und ggf. ergänzen

Nach der grundlegenden Entscheidung über die Aufgaben und den Aufbau der Wärmepumpenanlage sollte das bestehende Wärmeverteilsystem geprüft werden. Ohne Frage bilden Flächenheizungen, die eine geringe Vorlauftemperatur erlauben, die beste Basis für eine hohe Wirtschaftlichkeit. Jedoch können im Baubestand auch alte Radiatoren verwendet werden – wenn die zur Verfügung stehenden Heizflächen auch für eine geringere Vorlauftemperatur geeignet sind. Hier muss im Einzelnen berechnet werden, ob dies der Fall ist und das bestehende Wärmeverteilsystem weiter verwendet werden kann. Möglich ist es auch, einzelne Heizkörper gegen moderne Niedertemperatursysteme auszutauschen – hier kommt es ganz auf den Einzelfall an.

Wie bei jedem Heizungstausch bzw. jeder Neuinstallation ist dann die Berechnung der Normheizlast bzw. die Erstellung einer Wärmebedarfsrechnung erforderlich. Dabei sollten im Baubestand auch ggf. gleichzeitig einfache Maßnahmen der Reduzierung des Wärmebedarfs geprüft und dem Endkunden empfohlen werden.

Anschließend sollten die Aufstellplätze der Innen- und Außeneinheit der Wärmepumpe festgelegt werden. Handelt es sich um ein Gebäude im Baubestand, bestimmt in der Regel der bestehende Heizraum den Installationsort des Innengerätes. Von hier aus sollte in möglichst geringer Entfernung die Außeneinheit aufgestellt werden. Der reine Erschließungsaufwand für eine Luft-/Wasser-Wärmepumpe in Splitausführung ist überschaubar. Fundamente sind oft nur in Punktform erforderlich und reine Erdarbeiten fallen bei verdeckter Rohrführung eventuell nur für die Verbindungsleitungen zwischen Innen- und Außengerät an.

Beim Aufstellungsort des Außengerätes sind darüber hinaus insbesondere die Schall- und Kondensatentwicklung sowie die allgemein vorherrschende Windrichtung zu beachten. Außeneinheiten von Luft-/Wasser-Wärmepumpen unterliegen der TA Lärm. Damit sind besondere Vorschriften für die Aufstellung zu beachten. Zwar sind die Außengeräte aller namhaften Hersteller schalloptimiert, jedoch gilt es Grundregeln zu beachten, die eine ungezielte Schallausbreitung oder sogar Potenzierung verhindern können. Hierzu zählen die Ausrichtung auf nicht bebaute Flächen, die Vermeidung der Schalltrichterbildung und keine frei stehende Installation auf Flachdächern. Darüber hinaus sollte das Außengerät in Ausblasrichtung der vorherrschenden Windrichtung installiert werden. Außerdem ist ein stets freier Kondensatabfluss relevant für die einwandfreie Funktion. Dabei muss auch an eventuelle Eisbildung im Winter sowie die allgemein zu erwartende Schneehöhe gedacht werden.

Darüber hinaus benötigen Wärmepumpen in der Regel einen Starkstromanschluss und einen separaten Verbrauchszähler. Vor der Installation sollte deswegen gleich die vorhandene Stromverteilung und -versorgung auf eine entsprechende Erweiterung und Absicherung geprüft werden.