Wärmepumpen-Know-how
Nutzbare Wärmequellen
Die Nutzung regenerativer Energien wird sukzessiv 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, der in Ausgabe SHK Profi 2/09 (mit einer Beschreibung der prinzipiellen Funktionsweise und der möglichen Betriebsarten) begonnen wurde, stellt die Grundlagen der Wärmepumpentechnik vor.
Da die Wärmepumpe in der Lage ist, nutzbare Energie auch aus sehr niedrigen Temperaturen zu gewinnen, können als Wärmequelle Außenluft, Erdreich, Grundwasser, aber auch Abluft aus Räumen oder z.B. Wärme aus industriellen Anlagen genutzt werden.
Außenluft
Außenluft steht als Wärmequelle in unbegrenzter Menge und ohne Genehmigung zur Verfügung. Gegenüber Wasser oder Erdreich kann Luft nur eine geringe Wärmemenge speichern. Daher muss dem Verdampfer – der die Wärmequelle bildet – einer Luft-Wärmepumpe eine große Menge Luft zugeführt werden, was mit Hilfe von Ventilatoren ermöglicht wird. Bei absinkenden Außentemperaturen sinkt (bedingt durch den größeren Temperaturhub) auch die Heizleistung und Leistungszahl der Luft/Wasser-Wärmepumpe, wobei gleichzeitig der Wärmebedarf des Gebäudes steigt. Luft/Wasser-Wärmepumpen werden deshalb normalerweise nicht monovalent betrieben (Bild 6).
Werden Luft-Wärmepumpen bei niedrigen Außentemperaturen betrieben, kommt es je nach Witterungsbedingung durch die starke Abkühlung der Luft zu Vereisungen am Verdampfer. Diese müssen abgetaut werden, so dass die Wärmepumpe kurzzeitig abgeschaltet wird. Vorteilhaft gegenüber einer Wärmenutzung des Erdreiches oder des Grundwassers sind die geringeren Kosten und die Möglichkeit der Außenaufstellung des Aggregates.
Abluft
In gut wärmegedämmten Gebäuden nähern sich die Lüftungswärmeverluste den Transmissionswärmeverlusten (Wärmeverlust über die Bauteile), d.h. derjenigen Wärmemenge, die durch den Austausch der Raumluft verloren geht. Mit Hilfe einer Wärmepumpe kann ein Teil dieser Energie zurückgewonnen werden, wenn sie mit einer Abluftanlage kombiniert wird.
Die aus der Abluft gewonnene Energie kann entweder direkt zur Heizung und/oder Warmwasserbereitung verwendet werden oder bei Erdwärmenutzung dem Wärmequellenkreislauf zugeführt werden. In Objekten mit einer Heizlast von bis zu 8 kW kann diese Technik die Heizung und Brauchwasserbereitung komplett übernehmen. Diese Systeme ermöglichen es, auf einer Fläche von 60 x 60 cm die komplette Heizungstechnik unterzubringen. (Bild 7).
Erdreich
Das Erdreich stellt aufgrund seiner großen Speicherfähigkeit und gleichmäßigen Temperatur eine ideale Wärmequelle für Wärmepumpen dar. Dabei verhält sich das Erdreich wie der Akku einer Batterie: Er wird über den Sommer geladen und über die Heizperiode entladen. Die Leistung des Akkus ist abhängig von der Größe der Wärmequelle.
In den oberflächennahen Schichten wird die Erdreichtemperatur vor allem durch die Sonneneinstrahlung und den versickernden Regen beeinflusst. Der Temperaturverlauf ist aufgrund der Speicherfähigkeit und der aus tieferen Schichten nachströmenden Wärme gedämpft und folgt zeitverzögert der Lufttemperatur. Bei einer Tiefe von 0,80 m ist bereits ganzjährig Frostfreiheit gegeben. Bild 8 zeigt exemplarisch die Monatsmittelwerte der Luft- und ungestörten Bodentemperatur in 1 m Tiefe für den Standort Essen.
Mit zunehmender Tiefe nimmt der Einfluss von Solarstrahlung und Regeneration durch Regenwasser ab. Die jahreszeitlichen Schwankungen werden geringer und ab etwa 10 m Tiefe liegt eine annähernd konstante Erdreichtemperatur vor, die in etwa dem Jahresmittel der Lufttemperaturen entspricht. Bild 9 zeigt das Profil der ungestörten Erdreichtemperatur über die Tiefe für die Monate eines Jahres. Mit der Tiefe nimmt der Einfluss des geothermischen Wärmeflusses aus dem Erdinneren zu und führt zu einer Temperaturerhöhung von etwa 3 K je 100 m. Die Nutzung der Erdwärme im Bereich bis zu ca. 100 m Tiefe wird als oberflächennahe Geothermie bezeichnet und unterliegt einer behördlichen Anzeige oder einem Genehmigungsverfahren.
Erdwärmekollektor (Flächenkollektoren)
Zur Nutzung der Wärme in den oberflächennahen Bodenschichten werden meistens horizontal verlegte, soledurchflossene Erdwärmekollektoren aus PE-Rohren oder vorgefertigten Absorbermatten verwendet. Sie werden in Tiefen zwischen 1,2 und 1,5 m verlegt (Bild 10).
Die erzielbare Wärmeentzugsleistung hängt vor allem von der Bodenbeschaffenheit ab. Bindige, feuchte Böden erzielen die höchsten Entzugsleistungen von bis zu 40 W/m², wobei dieses auch von der Dauer der Nutzung der Wärmequelle abhängig ist, den sogenannten Vollbenutzungsstunden (i.d.R 1800 bis 2400 h). Unter diesen versteht man diejenige Anzahl von Stunden pro Jahr, mit der die Wärmepumpe mit voller Leistung laufen müsste. Durch den Wärmeentzug kühlt der Boden im Bereich des Kollektors ab – der Akku wird entladen –, Wärme strömt aus ungestörten Bodenbereichen nach bzw. wird durch Solarstrahlung und Regen regeneriert.
Neben der spezifischen Entzugsleistung ist auch die spezifische jährliche Entzugsarbeit, angegeben in kWh/m²a, zu berücksichtigen. Sie sollte für einen Erdkollektor bei 50 bis 70 kWh/m²a liegen. Die spezifischen Entzugsleistungen machen deutlich, dass je nach notwendiger Heizleistung eine große Fläche für den Erdkollektor zur Verfügung stehen muss. Die Fläche darf weder überbaut noch versiegelt werden, um die Regeneration durch Solarstrahlung und Regenversickerung zu gewährleisten. Bei einer Heizleistung von 8 kW werden unter optimalen Entzugsbedingungen ca. 200 m² Kollektorfläche benötigt.
Kompakt-Absorber
Kompakt-Absorber sind eine weiterentwickelte Form des Erdwärmekollektors. Sie bestehen aus vorgefertigten Kapillarrohrmatten und arbeiten nach dem „Low-Flow-Prinzip”, das einen optimierten Wärmeentzug aus dem Erdreich bei geringen Kosten ermöglicht. Die erforderliche Entzugsfläche wird erheblich reduziert, somit können 8 kW Heizleistung mit 100 m² Kollektorfläche abgedeckt werden (Bild 11).
Erdwärmesonden (Tiefenkollektoren)
Das in größerer Tiefe vorliegende, gleichmäßige Temperaturniveau wird durch Erdwärmesonden nutzbar gemacht. Diese bestehen meist aus vier parallelen Kunststoffrohren, die zwei mit Wärmequellenflüssigkeit durchflossene Kreise bilden. Diese Systeme können auch zur passiven und aktiven Kühlung von Gebäuden verwendet werden.
Aus Gründen der vereinfachten Genehmigung werden Bohrungen mit maximal 100 m Tiefe abgeteuft (Bild 12). Je nach erforderlicher Leistung werden auch mehrere Bohrungen nebeneinander gesetzt. Auch bei Erdwärmesonden hängt die erzielbare spezifische Entzugsleistung von der Art des Bodens ab, vor allem von seiner Wärmeleitfähigkeit. Als grober Richtwert können 50 W/m Sondenlänge angesetzt werden. Dieser Wert muss aber im Planungsfortschritt in Zusammenarbeit mit einem Geologen oder Bohrunternehmen geprüft werden, denn die Voraussetzung für die genauere Planung von Erdwärmesonden ist die genaue Kenntnis des Untergrundes.
Durch Störungen der Bodenhorizonte wie Klüftung, Schieferung und Verwitterung können die Entzugsleistungen erheblich schwanken. Bei größeren Projekten wird deshalb häufig eine Probebohrung zur Bestimmung der Entzugsleistung („thermal response“) durchgeführt.
Wasser
Wärmepumpenanlagen mit der Wärmequelle Wasser nutzen in den meisten Fällen den Wärmeinhalt von Grundwasser. In seltenen Fällen werden geeignete Oberflächengewässer oder Kühl- bzw. Abwässer von technischen Anlagen erschlossen. Das Grundwasser weist unabhängig von der Jahreszeit eine nahezu konstante Temperatur von 8 bis 12 °C auf. Durch die konstante Temperatur und das relativ hohe Temperaturniveau erreichen Wasser/Wasser-Wärmepumpen die höchsten Jahresarbeitszahlen. Wärmequellenanlagen zur Grundwassernutzung bestehen aus einem Förderbrunnen mit einer Förderpumpe und einem Schluckbrunnen, der das entnommene Wasser wieder dem Grundwasserspeicher zuführt. Der Schluckbrunnen sollte dabei in Strömungsrichtung hinter dem Förderbrunnen liegen (Bild 13). Wichtig ist, dass die benötigte Grundwassermenge und Qualität dauerhaft zur Verfügung stehen, der Grundwasserspiegel sollte nicht tiefer als 15 m liegen.
Wärmepumpentypen
Wärmepumpen werden entsprechend der Art ihrer Wärmequelle und Wärmenutzung bezeichnet. Eine Luft-Wasser- Wärmepumpe nutzt demnach die Außenluft als Wärmequelle und gibt die Nutzwärme wieder an ein Heizungssystem mit dem Wärmeträger Wasser ab.
Gängige Wärmepumpentypen sind z.B.:
■ Luft/Wasser (Wärmequelle Außenluft),
■ Abluft/Wasser (Wärmequelle Abluft),
■ Sole/Wasser (Wärmequelle Erdreich),
■ Wasser/Wasser (Wärmequelle Grundwasser).
Statt des Wärmeträgers Wasser sind auf der Wärmenutzungsseite auch Luftheizungen möglich, wie z.B. Abluft/Luft-Wärmepumpen.
