Wärmepumpe

Funktionsweise – das Prinzip der Wärmepumpe

Die Wärmepumpe wandelt Wärme niedriger Temperatur in Wärme hoher Temperatur um – auch im Winter bei weit unter 0°C.
Dies geschieht in einem geschlossenen Kreisprozess durch ständiges Ändern des Aggregatzustandes des Arbeitsmittels (Verdampfen, Komprimieren, Verflüssigen, Expandieren). Nach dem selben Prinzip entzieht auch ein Kühlschrank seinem Inneren die Wärme und gibt diese dann nach außen ab.
Die Wärmepumpe hingegen entzieht der Umgebung des Hauses – Erdreich, Wasser oder Luft – gespeicherte Sonnenwärme und gibt diese plus der Antriebsenergie in Form von nutzbarer Wärme an den Heiz- und Warmwasserkreislauf ab.

Der Wärmepumpenkreislauf

Der wesentliche Prozess der Wärmepumpe besteht darin, dass ein Arbeitsmittel (Kältemittel) in einem ständigen Kreislauf seinen Aggregatzustand (flüssig bzw. gasförmig) ändert und Wärme aufnimmt bzw. abgibt.
Der Wärmepumpen-Kreisprozess folgt im wesentlichen dem Öffnet einen internen Link im aktuellen FensterCarnot-Prozess.
Öffnet einen internen Link im aktuellen FensterAbbildung Schema Kältekreis der Wärmepumpe
Die Grafik zeigt den Prozess einer Wärmepumepe:

1. Verdampfen
In einem Wärmetauscher nimmt das flüssige Kältemittel Energie von der Wärmequelle Wasser, Erde oder Luft auf und verdampft mit zunehmender Temperatur.

2. Verdichten
In einem Kompressor wird unter Zufuhr elektrischer Energie das nun dampfförmige, aber noch kalte Kältemittel verdichtet und dadurch erhitzt. Das Kältemittel verlässt als sogenanntes Heißgas den Verdichter.

3. Verflüssigen/Kondensieren
Das Heißgas gelangt nun in den Verflüssiger, gibt Energie an das Heizsystem ab, kondensiert und verlässt als warmes, flüssiges Kältemittel den Kondensator. Das Heiz- oder Warmwasser wird dadurch auf die gewünschte Temperatur erhitzt.

4. Entspannen
Das warme, flüssige Kältemittel wird zum Expansionsventil transportiert. Im Expansionsventil wird der Druck schlagartig gesenkt. Die Temperatur des Kältemittels nimmt dadurch ohne Abgabe von Energie ebenfalls schlagartig ab. Das kalte, flüssige Kältemittel wird dem Verdampfer zugeführt und der Kreislauf beginnt von neuem.

Die Wärmepumpen-Heizanlage

Die Wärmepumpen-Heizanlage besteht aus einer Wärmequellenanlage (WQA), der Wärmepumpe (WP) und der Wärmenutzungsanlage (WNA).

Abb.: Wärmepumpen-Heizanlage

Alle Anlagenteile müssen optimal aufeinander abgestimmt sein, um einen  einwandfreien Betrieb und hohe Leistungszahlen (Jahresarbeitszahl) zu gewährleisten.

Die Hauptdaten sind im Anlagen-Datenblatt festzuhalten, und die Anlage ist gemäß dem OCHSNER-Qualitätssicherungs-Standard entsprechend zu dokumentieren.

Folgende Betriebsweisen sind möglich:
•Monovalent
Die Wärmepumpe ist alleiniger Wärmeerzeuger. Die Wärmepumpe deckt jederzeit 100 % des Wärmebedarfes. Geeignet für Vorlauftemperaturen von max. 55 °C bzw. 65 °C bei Typenreihe »plus«.
Anlagen mit Wärmequelle Erdreich oder Wasser werden monovalent betrieben.
•Bivalent-Parallel (WP + Zusatzheizung)
[Erfolgt die Zusatzheizung über einen E-Heizstab, spricht man von  monoenergetisch.]
Die Wärmepumpe heizt bis zum Zuschaltpunkt allein. Nach dem Zuschaltpunkt heizt sie gemeinsam mit dem Kessel oder E-Heizstab. Max. Vorlauftemperatur: 65 °C.
Hauptsächlich bei Neuanlagen mit Wärmequelle Luft oder Umrüstung bei Altbausanierung.
•Bivalent-Alternativ (WP oder Zusatzheizung)
Die Wärmepumpe heizt bis zum Umschaltpunkt allein. Nach dem Umschaltpunkt heizt der Kessel allein. Für Vorkauftemperaturen bis 90°C geeignet. Hauptsächlich verwendet bei Nachrüstungen.

Beispiel: Bei einem Zuschaltpunkt von 0 ºC leistet die Luft/Wasser-Wärmepumpe selbst bei tiefster Außentemperatur von – 16 ºC noch beachtliche 88 % der Jahresheizarbeit.
Je tiefer der Zuschaltpunkt des zweiten Wärmeerzeugers liegt, desto höher ist der Anteil der Wärmepumpe an der Jahresheizarbeit. Die Jahresheizarbeit ist außerdem von der Klimazone und der Betriebsweise abhängig.

Systemvarianten:
Startet das Herunterladen der DateiDarstellung einiger Systemvarianten

Leistungszahl

e = Heizleistung / Antriebsleistung = (Umweltenergie + Antriebsleistung) / Antriebsleistung

Die Leistungszahl e gibt die abgegebene Heizleistung im Vergleich zur aufgewendeten Antriebsleistung an. Häufig wird statt dem Begriff  “Leistungszahl” auch die englische Bezeichnung “COP – coefficient of performance” verwendet.

Eine Leistungszahl von 4 bedeutet daher, daß das Vierfache der eingesetzten elektrischen Leistung in nutzbare Wärmeleistung umgewandelt wird. Die Leistungszahl ist ein Momentanwert.

Die im Laufe einer gesamten Heizperiode gelieferte Nutzenergie im Verhältnis zu der zugeführten elektrischen Antriebsenergie ergibt die Jahresarbeitszahl. Weiters kann zwischen der Wärmepumpen-Arbeitszahl und der (gesamt) Anlagen-Arbeitszahl unterschieden werden.

Temperaturhub bestimmt Leistungszahl

In jedem Fall ist die Leistungszahl von der Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und der Wärmeverteilung abhängig: Je geringer dieser “Temperaturhub” ausfällt, um so wirtschaftlicher arbeitet jede Wärmepumpe. Daher ist die optimale Planung der Gesamtanlage so bedeutend.

Arbeitsmittel

Als Arbeitsmittel (Kältemittel) werden Stoffe, welche bei niedrigen Temperaturen verdampfen und gleichzeitig eine hohe innere Wärme besitzen, verwendet. Es sind nur chlorfreie Arbeitsmittel zugelassen. Diese haben keinerlei ozonschädigende Auswirkung (ODP = 0). R 134 a, R 407 C, und Propan erfüllen diese Bedingungen.

OCHSNER verwendet serienmäßig R 134 a und R 407 C. Diese beiden Sicherheitsarbeitsmittel sind unbrennbar und ungiftig. Das damit verwendete Esther-ÖI ist biologisch abbaubar. Das heißt problemlose Aufstellung in beliebigen Räumen. Bei Wärmepumpen mit brennbaren Arbeitsmitteln hingegen (Propan) gelten Einschränkungen und Aufstellungsrichtlinien.