Wärmepumpen-Heizung

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Wärmepumpenheizungen nutzen die Umweltwärme der umgebenden Luft, des Grundwassers oder des Erdreiches (Geothermie), um sie mittels Wärmepumpe auf ein verwertbares höheres Temperaturniveau anzuheben, um damit Gebäude oder andere Einrichtungen beheizen zu können. Zur Beheizung von Gebäuden werden meist Elektro-Kompressions-Wärmepumpen verwendet. Es finden jedoch auch Absorptions- bzw. Adsorptions-Wärmepumpen Verwendung. Das Funktionsprinzip lässt sich gut mit einem Kühlschrank vergleichen, der innen kühlt und außen heizt. Viele dieser Systeme können im Umkehrbetrieb auch zur Kühlung eingesetzt werden. Da Wärmepumpen zum Teil erhebliche Anlaufströme haben, die zu Netzrückwirkungen (Spannungseinbrüche) führen können, muss der Anschluss vom Energieversorgungsunternehmen geprüft werden und wird ggf. nur unter bestimmten Auflagen gehehmigt. Als Wärmesenke (für den Kältemittelkreislauf) werden Wärmeübertrager (Kältemittel/Heizwasser) den Heizkörpern bei 50 °C Wassertemperatur oder Fußbodenheizungen/Wandheizungen mit 35 °C vorgeschaltet. Je niedriger die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle (Kompressortemp.) und Wärmesenke (Fußbodenestrich) ist, umso effizienter kann eine Wärmepumpe arbeiten, da die Kompressortemperatur niedriger gehalten werden kann. Eine niedere Temperaturdifferenz setzt eine gute Außenwand- und Boden-/Deckendämmung voraus. Ist die damit geforderte Heizleistung eines Raumes gering, kann mit niedrigen Heizkörper-/Fußbodentemperaturen bei hohem Wirkungsgrad (ε) geheizt werden. Bei Wärmepumpen wird der Wirkungsgrad in Form der Leistungszahl Epsilon angegeben. Elektro-Kompressions-Wärmepumpen für die Gebäudeheizung erreichen im Dauerbetrieb unter festgelegten Norm-Betriebsbedingungen Leistungszahlen von rund 50 % der vom zweiten Hauptsatz der Thermodynamik vorgegebenen Wirkungsgradgrenze, bezogen auf den eingesetzten Strom. Dieser Wert dient hauptsächlich zur Beurteilung der Qualität der Wärmepumpe selbst. Er berücksichtigt nicht den Rest des Heizungssystems. Die Umweltverträglichkeit einer Wärmepumpenheizung hängt im Falle der Elektro-Kompressions-Wärmepumpe von der umweltverträglichen Bereitstellung des Stromes ab. Wärmepumpenheizung Wärmepumpe Heizung Luft-Wasser Luft-Luft Luft Wasser Erdwärme Dieser Punkt wird deshalb in Deutschland mancherorts diskutiert, da vielfach davon ausgegangen wird, dass zusätzlicher Strom, durch zusätzliche Kohle- oder Atomkraftwerke erzeugt werden müsste. Wärmepumpen können in der Gesamtbetrachtung jedoch Brennstoff bzw. Primärenergie einsparen, da sie den Großteil Wärmeenergie vor Ort der Umgebung (siehe Absatz Wärmequellen) entnehmen. Brennstoffe für Heizzwecke machen den Großteil des deutschen Primärenergiebedarfs aus. Wärmepumpen bieten an dieser Stelle Potential zur CO2-Einsparung. Wird der Strom für die Wärmepumpe aus dem Beispiel oben in einem Kraftwerk mit angenommenen Gesamtwirkungsgrad von 45 % produziert, so müssen im Kraftwerk für eine Stunde privaten Wärmepumpenbetrieb 10 kWh/4 / 45 % = 5,56 kWh thermischer Energie aufgewendet werden, also nur grob die Hälfte des Primärenergieverbrauches einer hausinternen Gas- oder Öl-Heizung aufgewendet werden (10 kWh). Wärmepumpenheizung Wärmepumpe Heizung Luft-Wasser Luft-Luft Luft Wasser Erdwärme Betrachtet man die Energiebilanz mit einer Ölheizung eines Einzelgebäudes, dann muss, um „reine 10 kW“ Heizleistung zu erbringen, 10/70 % = 14,2 kWhtherm bzw. 14,2 kWh/10,08 kWh/Liter Heizöl EL ergibt damit 1,40 Liter Öl je Heiz-Stunde. Der Strom kann jedoch auch durch moderne Erdgas GuD-Kraftwerke mit Wirkungsgraden bis zu 57 % u. höher erzeugt werden. Wärmepumpenheizung Wärmepumpe Heizung Luft-Wasser Luft-Luft Luft Wasser Erdwärme In diesem Falle erhält man das ca. 2,5-fache der Nutzwärme aus der gleichen Primärenergiemenge, wie mit der direkten Verbrennung. Ebenso erhält man im Falle der Strom-Erzeugung in einem Biomasse-Kraftwerk mit 35 % Wirkungsgrad immerhin das 1,5fache der Nutzwärme aus der gleichen Menge Holz, als mit der direkten Verbrennung. In der Realität muss von Gesamtwirkungsgraden ausgegangen werden, die um 35% bis 40%liegen. Das liegt im wesentlichen an überalterten Kraftwerken aber auch an den Verlusten auf dem Weg zum Endverbraucher. Wärmepumpenheizung Wärmepumpe Heizung Luft-Wasser Luft-Luft Luft Wasser Erdwärme Da nicht halb so viel Primärenergie wie bei einer direkten Verbrennung verbraucht wird, wird auch weniger als halb soviel fossile Wärme in die Atmosphäre freigesetzt, die neben der Halbierung der bekannten CO2-Problematik die Erderwärmung einbremst. Die Umweltverträglichkeit eines Systems nur auf den Wirkungsgrad und das Thema CO2 zu reduzieren, führt leicht in die Irre, da einerseits die Qualität der eingesetzten Brennstoffe und andererseits die in großtechnischen Anlagen bestehende bessere Möglichkeit der Rauchgasreinigung berücksichtigt werden muss. Aus Umweltgesichtspunkten ebenfalls interessant ist das Wärmeträgermedium (Kühlmittel). Als Wärmequelle dienen: Erdwärmekollektoren sind in geringer Tiefe im Erdboden verlegte „Heizschlangen“. Wärmepumpenheizung Wärmepumpe Heizung Luft-Wasser Luft-Luft Luft Wasser Erdwärme Erdwärmesonden sind Bohrungen in den Boden bis zu mehreren 100 Metern. Mittlerweile werden die meisten Bohrungen knapp über 100 Meter ausgeführt, da ab 100 Meter die Genehmigung durch das Bergbauamt erteilt wird und dies mit geringen Auflagen verbunden ist und schneller von statten geht als durch das Wasserwirtschaftsamt, das für die Genehmigungen in geringeren Tiefen zuständig ist (Temperaturgewinn im Schnitt 3°C pro 100m). Reicht die Leistung einer Erdwärmesonde nicht aus, werden mehrere Bohrungen niedergebracht. Grundwasser wird in einem Brunnen entnommen und durch einen so genannten Schluckbrunnen zurückgeführt. Wärmepumpenheizung Wärmepumpe Heizung Luft-Wasser Luft-Luft Luft Wasser Erdwärme Luft direkt aus der Umgebung bzw. in Verbindung mit Erdwärmeübertrager. In Deutschland rechnet man mit Temperaturen von 0 °C für Erdwärmekollektoren bzw. Erdwärmesonden und 8 °C für Grundwasser. Erdwärmesonden sind in Tiefenbohrungen eingebrachte Rohrbündel (Erdsonden). Die Tiefe einer Bohrung variiert nach dem geologischen Aufbau des Untergrundes und wird für den normalen Wohnungsbau > 50 m durchgeführt (bis zu 400 m, je nach lokalen Gegebenheiten und Leistungsanforderung). Wärmepumpenheizung Wärmepumpe Heizung Luft-Wasser Luft-Luft Luft Wasser Erdwärme Ab einer Tiefe von ungefähr 10 Metern bleibt das Jahr über die Temperatur praktisch unverändert. Durch eine spezielle Trägerflüssigkeit (Sole, häufig Wasser, gelegentlich mit etwas Glykol als Frostschutz) wird die Erdwärme zur Wärmepumpe transportiert und dann auf das entsprechend erforderliche Niveau gehoben. Diese Variante der Nutzung von Erdwärme hat einen hohen Wirkungsgrad. Die RWTH hat in Aachen im November 2004 mit einer Erdwärmesonde eine Tiefe von 2500 m erreicht. Die Gesteinstemperaturen erreichen 70-100 Grad Celsius. Die Erdwärmesonde wird eine Leistung von ca. 450 kW liefern. Wärmepumpenheizung Wärmepumpe Heizung Luft-Wasser Luft-Luft Luft Wasser Erdwärme Dies erspart jährlich ca. 300 t CO² bei der Gebäudeheizung. Aber auch die Variante zur Kühlung kann über Erdsonden erfolgreich umgesetzt werden. Hierbei wird Wärme aus Gebäuden über die Wärmepumpe in das Erdreich übertragen, die die Regeneration unterstützt und sozusagen im Winter wieder zur Verfügung steht. Planungen für Erdwärmesonden erfordern eine umfangreiche Berechnung. Im privaten Wohnungsbau (Einfamilienhaus) in Deutschland sind Erdwärmesonden selten tiefer als 100 m. Neben den hohen Kosten für das Bohrgerät (Bohrkosten) muss bei größeren Tiefen auch das Bergrecht beachtet und eine entsprechende Genehmigung (u.a. wasserschutztrechtliche Bestimmungen) eingeholt werden. Wärmepumpenheizung Wärmepumpe Heizung Luft-Wasser Luft-Luft Luft Wasser Erdwärme Wenn größere Wärmeübergangsflächen notwendig sind, werden mehrere Bohrungen meist im Abstand von einigen Metern nebeneinander eingebracht. Da in die Tiefe gebohrt wird, ist der Platzbedarf gering verglichen mit einer Lösung mittels Erdkollektor. In anderen Ländern sind auch tiefere Erdwärmesonden gängig. So wird in der Schweiz regelmässig bis ca. 300 Meter Tiefe gebohrt. Tiefe Erdwärmesonden werden ausschliesslich zum Heizen eingesetzt. Wärmepumpenheizung Wärmepumpe Heizung Luft-Wasser Luft-Luft Luft Wasser Erdwärme Soll auch der Kühlfall abgedeckt werden, wird nicht so tief gebohrt. Die Geothermie, oder Erdwärme, ist die im oberen (zugänglichen) Teil der Erdkruste gespeicherte Wärme. Sie umfasst die in der Erde gespeicherte Energie, soweit sie entzogen und genutzt werden kann, und zählt zu den regenerativen Energien. Sie kann sowohl direkt genutzt werden, etwa zum Heizen und Kühlen im Wärmemarkt (Wärmepumpenheizung), als auch zur Erzeugung von elektrischem Strom oder in einer Kraft-Wärme-Kopplung. Geothermie bezeichnet sowohl die ingenieurtechnische Beschäftigung mit der Erdwärme und ihrer Nutzung, als auch die wissenschaftliche Untersuchung der thermischen Situation des Erdkörpers. Wärmepumpenheizung Wärmepumpe Heizung Luft-Wasser Luft-Luft Luft Wasser Erdwärme Die Wärmepumpe ist eine Maschine, die Wärme von einem niedrigen Temperaturniveau unter Aufwand von Arbeit auf ein höheres Temperaturniveau transportiert. Es gibt verschiedene physikalische Effekte, die in einer Wärmepumpe Verwendung finden können. Die wichtigsten sind: Wärmepumpenheizung Wärmepumpe Heizung Luft-Wasser Luft-Luft Luft Wasser Erdwärme Die Verdampfungswärme bei Wechsel des Aggregatzustandes (flüssig/gasförmig); die Reaktionswärme bei Mischung zweier verschiedener Stoffe; die Temperaturabsenkung bei der Expansion eines (nicht idealen) Gases (Joule-Thomson-Effekt); der thermoelektrische Effekt; das Thermotunneling-Verfahren; sowie der magnetokalorische Effekt. Die Umkehrung dieses Prozesses findet in Wärmekraftmaschinen statt. Hierbei wird die Wärme hoher Temperatur unter Gewinnung von Arbeit zu einem Wärmereservoir niedrigerer Temperatur transportiert. Wärmepumpenheizung Wärmepumpe Heizung Luft-Wasser Luft-Luft Luft Wasser Erdwärme Weiteste Verbreitung findet die Wärmepumpe innerhalb von Kühl- und Gefriergeräten. Sie wird jedoch auch zur Gebäudeheizung, Warmwasserbereitung und bei den verschiedensten industriellen Verfahren eingesetzt. Innerhalb eines Kühlschrankes wird dem Inneren (Kühlgut) Wärme unter Energieaufwand entzogen und nach Außen (Rückseite) abgegeben. Wärmepumpenheizung Wärmepumpe Heizung Luft-Wasser Luft-Luft Luft Wasser Erdwärme Bei der Wärmepumpenheizung wird die Wärme von einem äußeren Medium unter Energieaufwand ins Innere des Gebäudes gepumpt. Wärmepumpenheizung Wärmepumpe Heizung Luft-Wasser Luft-Luft Luft Wasser Erdwärme

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