Dach und Dachsanierung

Raumwärme mit der Wärmepumpe

Mit einer Wärmepumpe lassen sich Räume effizient, kostengünstig und umweltfreundlich beheizen. Die Systeme arbeiten mit der natürlich in der Umwelt vorhandenen Wärme und leisten durch die Einsparung von fossilen Energieträgern einen entscheidenden Beitrag zur Energiewende und zum Umweltschutz.

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Wärmepumpenheizungen sind wartungsarm und langlebig, die geringen Betriebskosten sorgen dafür, dass sich die höheren Anschaffungskosten in wenigen Jahren amortisieren. Die Umsetzung von umweltfreundlichen Heizsystemen ist umso wichtiger, da in Deutschland mehr als 50 % der verbrauchten Energie für die Raumheizung und Warmwasserbereitung verwendet werden. Der Anteil an CO2-Emissionen, der diesen Energieverbrauchern zugeordnet wird, beträgt etwa 40 %. Die Wärmepumpenheizung setzt hier wichtige Maßstäbe. Durch den Einsatz von Umweltenergie, die mit Hilfe von Kühlmitteln als Nutzwärme in die Heizungsanlage eingetragen wird, wird nur durch den Bedarf an Strom CO2 produziert.

Das Funktionsprinzip der Wärmepumpe

Mit Hilfe einer Wärmepumpe wird Umweltenergie aus verschiedenen Quellen entzogen. Das Prinzip beruht zum einen darauf, dass im Erdboden oder im Grundwasser durch ein konstantes Temperaturniveau Energie gespeichert ist. Mit Hilfe eines Kühlmittels wird diese Energie entzogen und zur Wärmepumpe transportiert. Innerhalb der Pumpe wird dem Kühlmittel die gespeicherte Wärme entzogen und in das Heizungssystem eingeleitet. Das Kühlmittel fließt anschließend zurück in den Kreislauf und nimmt neue Energie auf. Die Energie zum Heizen gewinnt die Wärmepumpe je nach Funktionsprinzip aus der Erde, der Luft oder aus Wasser.

Wärmepumpen – die Systeme im Überblick

Wärmepumpen werden als zuverlässige Heizungssysteme schon seit mehreren Jahrzehnten genutzt. Der Hauptunterschied der einzelnen Systeme liegt im Bereich der genutzten Wärmequelle, ebenfalls differenzieren sich die Geräte durch verschiedene Temperaturbereiche. So unterscheidet man Niedertemperatur-Wärmepumpen mit einer Höchsttemperatur von 55 Grad, Mitteltemperatur-Wärmepumpen mit einer Höchsttemperatur von 65 Grad sowie Hochtemperatur-Wärmepumpen mit einer Höchsttemperatur von 75 Grad. Diese Unterscheidung wird hauptsächlich in Fachkreisen vorgenommen, gebräuchlicher sind folgende Einteilungen:

  • Sole-/ Wasser Wärmepumpen nutzen das Erdreich als Wärmequelle und entziehen diesem Umweltenergie. Dazu werden Erdkollektoren als Flächen- oder Tiefenkollektoren verlegt. Das Grundstück, auf dem sich das Gebäude befindet, muss verschiedene Voraussetzungen erfüllen, dazu gehört zum Beispiel die Bodenqualität. Wassergesättigter Sand oder Kies ist für Flachkollektoren ideal, für Erdsonden eignen sich Gneis oder Granit, bzw. Kalkstein, Sandstein und Ton in den tieferen Schichten.
  • Wasser-/ Wasser Wärmepumpen nutzen das Grundwasser als Energiequelle. Für den reibungslosen Betrieb ist ein stabiler Grundwasserspiegel erforderlich, auch die Wasserqualität spielt eine wichtige Rolle. Die Installation der Anlage ist aufwendig, der Wirkungsgrad bleibt gleichbleibend hoch.
  • Luft-/ Wasser Wärmepumpen sind leicht zu installieren und für die Heizungssanierung in Altbauten beliebt. Als Energiequelle dient hier die Außenluft oder auch Raumluft, die über einen Ventilator angesaugt wird.

Bestandteile der Wärmepumpenheizung

Auch wenn sich die Systeme unterscheiden, bleibt das Grundprinzip der Wärmepumpe jedoch das Gleiche. Für die Gewinnung und Nutzung von Umweltenergie als Raumwärme benötigen die Wärmepumpen verschiedene System-Komponenten:

Die Wärmequellanlage

Die Wärmequellanlage dient der Energiegewinnung aus der Umwelt. Die Wärmeenergie wird der Umwelt entzogen, in einem Medium gespeichert und zur Wärmepumpe transportiert. In einem geschlossenen Rohrleitungssystem zirkuliert eine Flüssigkeit, häufig wird dazu eine Sole eingesetzt. Diese Sole besteht aus einem Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch. Wärmequellanlagen können zum Beispiel folgendermaßen gestaltet sein:

Erdsonden mit Solekreislauf

Erdsonden mit Solekreislauf erschließen die Energie über eine Tiefenbohrung. In ein oder mehrere Bohrlöcher mit einem Durchmesser von 15 bis 20 cm werden Erdwärmesonden aus Kunststoff als Doppel U Rohr eingeführt. Durch diese Rohre wird die Soleflüssigkeit gepumpt und nimmt beim Durchfluss die Wärmeenergie auf. Die Bohrlöcher müssen vom Wasserwirtschaftsamt genehmigt werden, liegt die Tiefe bei mehr als 99 Metern, ist das Bergamt zuständig. Statt Sole kann als Trägermittel auch CO2 verwendet werden. Diese neue Technik eignet sich zum Beispiel für Wasserschutzzonen, ist aber in Deutschland noch kaum erprobt. 

Erdwärmeabsorber mit Solekreislauf

Erdwärmeabsorber mit Solekreislauf werden vorwiegend als Flächenkollektor in der Erde verlegt. Die horizontalen Absorber bestehen aus Kunststoffschlangen, die in einer Tiefe von 1,3 bis 1,8 m verlegt werden. Die Dimensionierung erfolgt durch den Fachbetrieb, der Erdboden über dem Kollektor darf nicht verbaut oder versiegelt werden. Als Richtwert kann für die Kollektorfläche die zwei- bis dreifache Größe der zu beheizenden Fläche angenommen werden. Alternativen zum Flächenkollektor bilden Kapillarrohr- oder Grabenkollektoren sowie Massivabsorber. Letztere werden innerhalb von erdberührenden Betonbauteilen eingebaut.

Saug- und Schluckbrunnen

Saug- und Schluckbrunnen bilden Wärmequellanlagen für Grundwasser als Wärmelieferant. Das System besteht aus zwei Brunnen, über die das Grundwasser zirkuliert, die Wärmeabnahme erfolgt über einen Wärmetauscher. Wichtig ist hier eine angemessene Wasserqualität, um beste Effizienz zu erreichen.

Luft-/Wasserwärmepumpen

Bei Luft-/Wasserwärmepumpen bildet die Außenluft die Wärmequelle. Die Außenluft wird angesaugt, für die effektive Erzeugung von Heizwärme ist eine Außentemperatur von maximal -5 Grad geeignet. Darüber hinaus kann die Luft-/ Wasser-Wärmepumpe als Zusatzheizung verwendet werden. 

Die Wärmepumpe

Wärmepumpen beruhen auf dem gleichen Prinzip wie Kühlschränke, arbeiten jedoch auf umgekehrtem Wege, die Wärme wird von außen nach innen geleitet. In der Wärmepumpe zirkuliert innerhalb eines geschlossenen Kreislaufs ein Kältemittel. Diese Flüssigkeit hat die Eigenschaft, bereits bei geringen Temperaturen zu verdampfen und ist deshalb besonders gut zur Übertragung von Wärmeenergie geeignet. Das Kältemittel wird in einen Wärmetauscher, den sogenannten Verdampfer geleitet. Dort wird die Umweltenergie aus dem Solekreislauf auf das Kältemittel übertragen, das dadurch verdampft. In einem Kompressor wird der Dampf verdichtet, dies hat einen Anstieg des Temperaturniveaus zur Folge, das gasförmige Kältemittel wird heißer. Im Verflüssiger wird das Kältemittelgas kondensiert, es gibt bei diesem Vorgang die gespeicherte Wärme an den Heizkreislauf ab. Das verflüssigte Kältemittel wird zurück in den Kreislauf beziehungsweise zurück zum Verdampfer geleitet und der Vorgang wiederholt sich.

Die Wärmeverteilung

Die Wärmeverteilung entspricht weitgehend der anderer Anlagen. Im Wärmeverteil- und Speichersystem zirkuliert das erwärmte Heizwasser. Dieses nimmt die vom Kältemittel abgegebene Wärmeenergie auf und leitet sie weiter. Geeignet in Kombination mit Wärmepumpenheizungen sind insbesondere Flächenheizungen wie Fußboden- oder Wandheizung. Ebenso ist der Betrieb mit Heizkörpern möglich.

Wärmepumpen im Altbau

Wird ein Altbau energetisch saniert, sind immer auch Maßnahmen an der Heizungsanlage erforderlich. In vielen Fällen fällt die Entscheidung zugunsten einer Wärmepumpe. Das Sanierungsziel Energieeinsparung kann mit dieser Anlagenart umgesetzt, bzw. unterstützt werden. Der bauliche Aufwand im Altbau kann groß sein, deshalb ist vorab eine realistische Kostenschätzung erforderlich. Besonders einfach im Altbau zu installieren sind Luft-/ Luft-Wärmepumpen, diese Anlagen sind bei günstigen Anschaffungskosten außerdem genehmigungsfrei. Allerdings arbeiten sie bei tiefen Außentemperaturen lediglich als Zusatzheizung. Sole-/ Wasser-Wärmepumpen können ebenfalls in den Altbau integriert werden. Voraussetzung hierfür ist, dass ausreichend Außenfläche, bzw. die Möglichkeit zur Tiefenbohrung gegeben ist. Luft-/ Wasser-Wärmepumpen sind ebenso möglich, das Grundstück muss dabei nicht sehr groß sein, allerdings über entsprechende Zufahrtswege für die Anfahrt der Bohrgeräte verfügen.

Generell empfiehlt sich vor der Entscheidung für eine Wärmepumpe im Altbau eine genaue Überprüfung der Möglichkeiten und bauseitigen Gegebenheiten. Auch die vorhandene Heizungsanlage ist relevant. Für den Betrieb mit der Wärmepumpe sind nur Heizkörper geeignet, die bei einer niedrigen Vorlauftemperatur gut arbeiten. Müssen zusätzlich zur Heizungsanlage alle Heizkörper ausgetauscht werden, bringt das erhebliche Zusatzkosten und deutlich mehr Aufwand mit sich.

Die Wärmepumpe als Kühlungssystem

Mit einer Wärmepumpe können nicht nur im Winter Räume beheizt werden, die Anlage kann im Sommer auch zur Kühlung genutzt werden. Man spricht hier auch vom Natural Cooling. Hierbei wird durch verschiedene Zusatzbauteile der Kreislauf umgekehrt. Für die Nutzung der Wärmepumpenheizung zum Kühlen der Raumluft werden Wärmetauscher, Drei-Wege-Ventile und eine Umwälzpumpe benötigt. Das Prinzip der passiven Kühlung ist dabei recht simpel: Die Primärpumpe arbeitet, allerdings ohne den Verdichter, der im Winter die Wärmeerzeugung übernimmt. Die Sole nimmt die Temperatur aus dem Erdreich an, im Wärmetauscher wird die Temperatur zwischen warmem Kühlwasser aus den Räumen und gekühltem Wasser aus dem Kollektorkreislauf erreicht. Unabhängig von der Nutzung der Kühlfunktion kann weiterhin das Brauchwasser über die Wärmepumpe erhitzt werden. Zu beachten ist, dass die Leistungsfähigkeit des Kühlsystems in der Regel im Laufe der Nutzung abnimmt. Grund dafür ist die zunehmende Bodenerwärmung im Sommer.