Voraussetzung für den wirtschaftlichen Betrieb einer Wärmepumpe ist eine Niedertemperaturheizung und das Vorhandensein einer geeigneten Wärmequelle.

Kleine Technikeinführung

Bestandteile einer jeden Wärmepumpenheizanlage sind neben der Wärmepumpe als Zentralgerät immer eine Wärmequelle, welche kostenlos Umweltwärme liefert, sowie ein geeignetes Wärmeabgabesystem, z. B. Fußbodenheizung. Entscheidend für eine gute Anlage ist, dass die Wärmequelle möglichst konstant hohe Temperaturen liefert und die Wärmeabgabe bei möglichst niederer Temperatur erfolgt.

Kompressionswärmepumpe

Kompressionswärmepumpen mit elektromotorischem Antrieb werden überwiegend in Ein- und Zweifamilienhäuser eingebaut. Kompressionswärmepumpen arbeiten alle nach dem gleichen, in Abbildung 1 dargestellten Prinzip:

Prinzip der Kompressionswärmepumpe

Umgebungswärme wird auf niedrigem Temperaturniveau im Verdampfer aufgenommen. Dieser wird von einem Kältemittel durchströmt, welches bereits bei niedrigen Temperaturen verdampft (1). Ein Kompressor komprimiert den Kältemitteldampf, wodurch dieser auf ein höheres Temperaturniveau gebracht wird (ähnlich der Erwärmung einer Luftpumpe). Der Kompressor benötigt Antriebsenergie in Form von elektrischem Strom, Gas oder Dieselkraftstoff. In einem zweiten Wärmetauscher, dem Kondensator (4), gibt der nun heiße Kältemitteldampf Wärme an die Heizung oder an das Brauchwasser ab. Die Abkühlung führt zur Verflüssigung des Kältemitteldampfes. Durch ein Expansionsventil (5) wird das noch unter Druck stehende Kältemittel entspannt, wobei es noch weiter, bis unter die Temperatur der Umgebungswärmequelle, abkühlt. Der Kreislauf kann nun von neuem beginnen. Bei diesem Prozess werden in Abhängigkeit von Wärmequelle und Wärmeverteilsystem Jahresarbeitszahlen von 3 bis 5 erreicht, d. h. nur 1/3 bis 1/5 der gewonnenen Wärme muss als Antriebsenergie bereitgestellt werden, 2/3 bis 4/5 sind kostenlose und umweltfreundliche Umgebungswärme.

Handelsübliche Kompressionswärmepumpen erreichen aufgrund der eingesetzten Kältemittel maximale Heizwassertemperaturen von ca. 55 °C, was Niedertemperaturheizsysteme voraussetzt.

Absorptionswärmepumpe

Absorptionswärmepumpen arbeiten mit einem „thermischen Kompressor“. Ähnlich dem vom Camping bekannten Absorberkühlschrank haben Absorptionswärmepumpen kaum bewegte Teile. Daher ist eine hohe Lebensdauer zu erwarten. Als Antriebsenergie dient bei Absorptionswärmepumpen anstelle von Strom für die Erzeugung der mechanischen Antriebsenergie Erdgas zur Erzeugung der thermischen Antriebsenergie. Durch die Verbrennung entsteht Wärmeenergie auf hohem Temperaturniveau, womit der Wärmepumpenprozess aufrechterhalten wird (Abbildung 2).

Prinzip der Absorptionswärmepumpe

Im Absorber treffen kältemittelarmes Absorptionsmittel und Kältemittel aufeinander, wobei eine Auflösung des Kältemittels im Lösungsmittel erfolgt. Hierbei entsteht Kondensations- und Lösungswärme, welche vom Heizungswasser aufgenommen wird. Die an Kältemittel angereicherte Lösung wird anschließend von einer kleinen Lösungsmittelpumpe im flüssigen Zustand auf das höhere Druckniveau des Kondensators gebracht und in den so genannten Austreiber gefördert. In diesem Austreiber wird die angereicherte Lösung „ausgekocht“, wodurch das Kältemittel wieder freigesetzt wird. Im Kondensator überträgt sich die Kondensationswärme ebenfalls an das Heizungswasser.

Die verbleibende „arme“ Lösung wird an einem Expansionsventil auf geringeren Druck entspannt, nimmt im Verdampfer Umweltwärme bei geringerem Temperaturniveau auf und fließt erneut dem Absorber zu.

Das Verhältnis aus der abgegebenen Nutzwärmeleistung (für Heizung und Brauchwassererwämung) zur Brennerbelastung des Austreibers (entspricht dem Gasverbrauch) wird bei Absorptionswärmepumpen als Heizzahl bezeichnet. Ähnlich wie bei Brennwertgeräten ist auch bei Gas-Absorptionswärmepumpen eine Abgaskondensation möglich. Absorptionswärmepumpen erreichen üblicherweise Heizzahlen um 1,5 bis 1,7.

Wärmequellen

Außenluft
Ein Vorteil der Außenluft ist, dass diese überall verfügbar ist. Da sie aber jahreszeitlich starken Temperaturschwankungen unterliegt, ist ihr Einsatz zu Heizzwecken nur sehr bedingt möglich. Bei Luftwärmepumpen wird die Luft von außen über einen Ventilator angesaugt und am Verdampfer vorbeigeleitet oder der Verdampfer wird mit Ventilator gleich im Freien aufgestellt (Split-Gerät) und über Kältemittelleitungen mit dem Heizkeller verbunden. Da sich bereits ab Lufttemperaturen unter 5 °C Reif auf den Wärmetauscherflächen niederschlagen kann, ist eine Abtauvorrichtung unerlässlich.

Aufgrund der o. g. Nachteile werden Luftwärmepumpen i. d. R. bivalent, d. h. mit einer Zusatzheizung für Außentemperaturen unterhalb von 0 bis 3 °C betrieben.

Erdreich
Sind große, nicht versiegelte Flächen vorhanden, bietet sich ein Erdreichkollektor als Wärmesammler an. Bei diesem System werden in frostfreier Tiefe (mind. 1,1 m) großflächig mehrere Kreise aus PE-Rohr oder auch Matten aus PP-Rohr verlegt und über einen Sammler zusammengeführt. Je nach Bodenbeschaffenheit erreichen diese Absorber Wärmeentzugsleistungen von etwa 35 W pro m2 Absorberfläche. Damit sich das Erdreich regenerieren kann, d. h. nicht dauerhaft auskühlt, ist unbedingt eine große unversiegelte Fläche notwendig, welche auch Versickerung von Niederschlägen zulässt.

Ist keine ausreichend große Fläche vorhanden, kann der Wärmesammler auch als vertikale Erdsonde ausgeführt werden. Eine Erdsonde benötigt keine freie Fläche und kann sogar unter der Grundplatte des Hauses ausgeführt werden. Hierbei wird ein Rohrkreis aus PE-HD in eine bis zu 160 m tiefe Bohrung eingeführt. Die Entzugsleistung beträgt je nach Bodenbeschaffenheit 30 bis 80 W pro m Sondenlänge.

Grundwasser
Jahreszeitlich unabhängig gleich bleibend „hohe“ Temperaturen von 8 bis 10 °C machen Grundwasser zu einer günstigen Wärmequelle für den Wärmepumpenbetrieb. Zur Nutzung des Grundwassers ist ein Saugbrunnen und in mindestens 10 Meter Abstand (in Grundwasserfließrichtung) ein Schluckbrunnen zu errichten. Eine Pumpe fördert aus dem Saugbrunnen Grundwasser zum Verdampfer der Wärmepumpe, in der dieses um etwa 3 °C (max. 5 °C nach Wasserhaushaltsgesetz) abgekühlt wird. Von dort wird es über den Schluckbrunnen wieder in den Grundwasserleiter eingeleitet. Vor der Entscheidung für Grundwasser als Wärmequelle ist eine Wasseranalyse unbedingt einzuholen. Ist der Anteil an Fe oder die Leitfähigkeit zu hoch, ist wegen der zu erwartenden Korrosion des Wärmetauschers und Verockerung des Schluckbrunnens von einer Nutzung abzusehen. Auch die Ergiebigkeit des Grundwassers sollte im Vorfeld durch einen Pumpversuch abgeklärt werden. Die Nutzung des Grundwassers ist genehmigungspflichtig!

Vergleich verschiedener Wärmequellen

Gebäudeheizung mit der Wärmepumpe

Als Wärmeverteilung ist eine Niedertemperaturheizung empfehlenswert, da eine niedrige Heizungs-vorlauftemperatur die Effektivität der Wärmepumpe steigert. Bei heute üblichem Wärmeschutz für Neubauten ist eine alleinige Beheizung z. B. mittels Fußbodenheizung problemlos und komfortabel möglich.

Für den Betrieb einer Wärmepumpe werden verschiedene Betriebsweisen unterschieden: Heizt die Wärmepumpe das Gebäude alleine, spricht man von monovalenter Betriebsweise, heizt die Wärmepumpe in Verbindung mit einem zweiten Wärmeerzeuger (z. B. Holzkessel, Gasbrennwertkessel etc.), so nennt sich dies bivalenter Betrieb. Wird die Wärmepumpe als einziger Wärmeerzeuger betrieben, hat das den Vorteil, dass keine Investitions- und Wartungskosten für eine Zusatzheizung mit einer eventuell zusätzlich erforderlichen Brennstoffversorgung und -lagerung anfallen. Der bivalente Betrieb bietet sich bei großen Objekten oder für Sanierungen bestehender Heizanlagen an, hierbei wird die Wärmepumpe durch einen eventuell schon vorhandenen Heizkessel oder anderen Wärmeerzeuger unterstützt.