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FUNKTIONSPRINZIP / WÄRMEPUMPENTECHNIK 

Das Prinzip der Wärmepumpe entspricht dem Prinzip eines Kühlschrankes (siehe Funktionsbeschreibung), an dessen Rückseite ebenfalls Wärme "produziert" wird. Der Kühlschrank kühlt einen kleinen, begrenzten Luftraum und erwärmt gleichzeitig einen aus Sicht des Kühlschrankes unendlichen Luftraum. Die Wärmepumpe kühlt umgekehrt nicht gezielt einen kleinen Luftraum, sondern eine aus Sicht einer Wärmepumpe unerschöpfliche Wärmequelle, die von der Kühlung durch die Wärmepumpe nicht beeinflußt wird (entsprechende Auslegung bei Erdsonden erforderlich), während sie gleichzeitig einen kleinen, begrenzten Luftraum erwärmt. Der Kreislauf einer typischen Wärmepumpe (Kompressionswärmepumpe mit Elektro-, Gas- oder Dieselantrieb) besteht aus Verdampfung, Verdichtung, Kondensation und Expansion eines Kältemittels. Dieses befindet sich im Verdampfer zunächst im flüssigen Zustand, wobei die Temperatur der umgebenden Wärmequelle höher ist als der Siedepunkt des Kältemittels. Dadurch bedingt findet eine Wärmeübertragung von der Wärmequelle auf das Kältemittel statt, wodurch dieses genügend Energie erhält, um zu verdampfen.

Der Verdichter saugt den Kältemitteldampf kontinuierlich an, welcher beim Verdichten auf ein mehrfaches verdichtet und dabei erhitzt wird. Er gibt die Wärme im Kondensator an den Wärmenutzer ab (z.B. Rücklauf der Heizung), wobei die Temperatur des Wärmenutzers unter der Verflüssigungstemperatur des Kältemitteldampfes liegt. Das nunmehr wieder flüssige Kältemittel verliert durch ein Expansionsventil soviel Druck und Temperatur, daß das Niveau wieder unter die Temperatur der Wärmequelle sinkt, so daß im Verdampfer wiederum Wärme aus der Wärmequelle aufgenommen werden kann. Bei der Absorptionswärmepumpe macht man sich in Abweichung vom oben erläuterten Wärmepumpenprinzip den Effekt zunutze, daß bei der Absorption eines Kältemittels in einem Lösungsmittel Absorptionswärme frei wird, so daß auf die Erwärmung durch Verdichtung verzichtet werden kann. Eine Absorptionswärmepumpe kann durch verschiedene eingesetzte Kältemittel als ein- oder zweistufiges Verfahren ausgelegt werden mit der Option, Wärme auf verschiedenen Temperaturniveaus zur Verfügung zu stellen. Absorptionswärmepumpen sind für den privaten Gebrauch (EFH) noch nicht geeignet. 

WÄRMEQUELLEN 

Die bei Neuanlagen heute am häufigsten genutzte Wärmequelle dürfte das Erdreich darstellen. Es kann oberflächennah in 1,00-2,00 m genutzt werden durch horizontale Verlegung der Wärmetauscherrohre oder durch das Einbringen vertikaler Erdsonden bis ca. 100 m Tiefe. Als weitere Wärmequelle steht die Umgebungswärme der Atmosphäre zur Verfügung, die direkt über Wärmetauscher oder vorzugsweise über Massiv-Absorber genutzt wird. Die Wärmequelle mit dem höchsten Temperaturniveau ist das Grundwasser, nur in Einzelfällen wird die Nutzung von Abwärme aus gewerblichen Bereichen möglich sein. Das Erdreich wird bis ca. 0,30-0,70 m Tiefe durch Tagesschwankungen der Lufttemperatur beeinflußt und bis ca. 10-20 m durch Jahresschwankungen der Lufttemperatur. Ohne diese Beeinflussungen würde das Erdreich die Jahresmitteltemperatur des jeweiligen Standortes aufweisen und mit zunehmender Tiefe einen Temperaturanstieg von ca. 3 °C pro 100 m Tiefe zeigen. Die Stärke der Beeinflussung ist abhängig von der Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit des Standortes bzw. von der Boden- oder Gesteinsart, der Feuchte, der Homogenität und der Exposition (Höhenlage, Neigung, Himmelsrichtung etc.). Die Nutzung der Wärme des Erdreiches erfolgt mittels Erdsonden. Erdsonden werden in der Regel bis zu 100 m Tiefe installiert, am häufigsten zwischen 40 m und 50 m. Als Material wird meist HDPE (High Density Polyethylen) verwendet, als Kreislaufflüssigkeit oft Wasser mit Frostschutzmittel (Sole). Bei der Verwendung von Stahlrohren ist die Anfälligkeit für Korrosion zu beachten, die die Lebensdauer der Anlage einschränken kann. Das Bohrloch wird mit plastischen Stoffen (Tone oder Tongemische) verfüllt, um den Kontakt zwischen Sonde und Erdreich sicherzustellen und die verschiedenen Tiefenhorizonte bzw. Grundwasserleiter des Erdreiches gegeneinander abzudichten. Die Genehmigung für Erdsonden ist bis zu einer Tiefe von 100 m beim Wasserwirtschaftsamt, ab 100 m beim Bergamt einzuholen. In Wasserschutzzonen (I und II) ist das Einbringen von Erdsonden untersagt. Die Wärmeentzugsleistung ist abhängig von der Wärmeleitfähigkeit des Gesteins/Bodens sowie der Zahl der Betriebsstunden, des plastischen Verfüllmaterials, Erdsondengeometrie, Temperaturgradient etc.. Die Wärmeleitfähigkeit kann von 0,3 W/m*K bei trockenem Sand bis über 2,0 W/m*K bei nassem Lehm und bis über 5 W/m*K bei gesättigtem Sand schwanken, die Wärmekapazität entsprechend von 1,3*10⁶*W*s/(m³*K) bei trockenem Sand bis über 3,0*10⁶*W*s/(m³*K) bei nassem Lehm. Es ist mit durchschnittlichen Wärmeentzugsleistungen von ca. 50 W/m Sondenlänge bei Erdwärmesonden zu rechnen (nach VDI Richtlinie 4640 bei ca. 1.800 Betriebsstunden pro Jahr). Lediglich bei Festgestein mit sehr hoher Wärmeleitfähigkeit oder Untergrund mit hohem Grundwasserfluß sind deutlich höhere Entzugsleistungen zu erreichen.

 Bei horizontalen Erdrohren ist eine Leistung von 10-40 W/m ² zu veranschlagen. Die horizontalen Rohre werden in einer Tiefe von 1,30-2,00 m und in einem Abstand von ca. 0,50 m verlegt. Die benötigte Wärmequellenfläche F_Q ergibt sich aus der zu beheizenden Nutzfläche F_N, dem spezifischen Wärmebedarf der Nutzfläche Q_N in W/m², der spezifischen Wärmeentzugsleistung der Wärmequelle Q_Q in W/m² sowie der Leistungszahl der Wärmepumpe e wie folgt: 

F_Q = F_N*Q_N*(e -1)/(Q_Q*e ) 

Die benötigte Fläche liegt in der Regel bei dem 1-2 fachen der zu beheizenden Nutzfläche. Der Wärmebedarf der Nutzfläche schwankt in der Regel zwischen 30 W/m² bei einem Niedrigenergiehaus und 80 W/m² bei einem Altbau mit seinerzeitiger Wärmedämmung. Die Nutzung des Grundwassers erfolgt meist über einen Förderbrunnen und einen Schluckbrunnen. Aufgrund eventueller Schwankungen der Wasserqualität und damit einhergehender Störungen an Brunnen oder Wärmepumpenanlage sowie der Abhängigkeit von jahrzehntelang kontinuierlich ausreichender Wassermenge ist die Grundwasser-Wärmepumpe nicht unproblematisch. Die Nutzung von Grundwasser als Wärmequelle ist generell genehmigungspflichtig. Massiv-Absorber können sowohl die Wärme der umgebenden Atmosphäre als auch direkter Sonneneinstrahlung aufnehmen und speichern. Der Einsatz von Massiv-Absorbern aus Beton hat den Vorteil einer möglichen Doppelnutzung (konstruktiv z.B. Garage, Stützmauer, Balkon, Fassade sowie energetisch) und ist auch für monovalenten Betrieb ausreichend. Beton weist eine Wärmekapazität von ca. 2.400 kJ/m³K auf. Als besonders vorteilhaft hat sich die Bauform eines Massiv-Absorbers mit luftgekoppeltem und erdgekoppeltem Anteil erwiesen. Der luftgekoppelte Anteil ist zu schneller Regeneration (Wiederaufnahme von Wärmeenergie aus der Umgebung) fähig, der erdgekoppelte Anteil wirkt vergleichmäßigend auf die Soletemperatur. Massiv-Absorber sind relativ genau vorab kalkulierbar und können Jahresarbeitszahlen >3 erreichen. Die Jahresarbeitszahl, also das Verhältnis von eingesetztem Strom zu gewonnener Wärme, liegt in den meisten Fällen niedriger als von den Herstellern unterstellt. Nur Erdreich-Wärmepumpen in Verbindung mit einer Fußbodenheizung kommen annähernd auf einen vierfachen Ertrag. Konventionelle Heizkörper und auch Brauchwasser müssen auf höhere Temperaturen erhitzt werden. Das verlangt aber höhere Pumpenleistungen. Zudem zeigen Außenluft-Wärmepumpen ihre Schwäche gerade im Winterbetrieb, weil dann die Außenluft so kalt ist, dass nur wenig Energie gewonnen werden kann.

Die Jahresarbeitszahl macht eine klare Aussage über die CO2-Emissionen möglich: Keine einzige Wärmepumpen schneidet laut Zeitschrift Ökotest  dabei besser ab als eine moderne Gas-Brennwert-Heizung. Nur dann könnte sie überhaupt zur CO2-Einsparung beitragen. In der Kombination mit konventionellen Heizkörpern wäre die Emission des Klimagases sogar generell wesentlich höher, als bei einer Gasheizung. Die Investitionskosten für das gesamte Heizungssystem inklusive Wärmeverteilung liegen im Vergleich zur Gas-Brennwert-Heizung um 6000 Mark (bei einer Luft-Wasser-Wärmepumpe) bis 10000 Mark (Sole-Wasser-Wärmepumpe) höher. Die Mehrkosten gegenüber einer Ölheizung betragen allerdings nur 1000 bis 5000 Mark. Deshalb kommt eine aktuelle Studie des Bremer Energieinstituts zu dem Schluss: Außerhalb von Gasversorgungsgebieten spart eine Erdreich-Wärmepumpe in den meisten Fällen mit der größten Effektivität CO2 ein - gleich nach der Verbesserung des Wärmeschutzes und noch vor Lüftungs- und Solaranlagen. Im Vergleich zur Gas-Brennwert-Heizung spart sie jedoch nichts, sodass in Gasversorgungsgebieten andere Investitionen, etwa in eine Solaranlage, angezeigt sind.

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