Wärmepumpen sind eine umweltfreundliche Lösung. Wir können Wärmepumpen effizient und kostengünstig zum Heizen oder Kühlen von Häusern einsetzen. Sie nutzen kostenlose Energiequellen wie Wasser, Luft und Boden und verbrauchen nur eine geringe Menge an Elektrizität für das Heizen oder Kühlen. Bevor Sie sich für eine Wärmepumpe entscheiden, kann es hilfreich sein, zu verstehen, wie sie funktioniert. Dies lässt sich anhand des Wärmepumpen-diagramms und des thermodynamischen Kreislaufs nachvollziehen.
Betrieb einer Wärmepumpe
Der Betrieb einer Wärmepumpe basiert auf einem thermodynamischen Kreislauf. Bei kalten Wetterbedingungen arbeitet die Wärmepumpe im Heizmodus, entzieht der Luft, dem Wasser oder dem Boden Wärme und liefert Heizwärme, Warmwasser, Fußbodenheizung usw. durch den Verdampfer, Verdichter, Kondensator und Expansionsventil.
Bei heißem Wetter funktioniert die Wärmepumpe im Kühlmodus und arbeitet in umgekehrter Weise. Die Wärmepumpe entzieht der Innenluft Wärme und überträgt sie durch verschiedene Funktionen des Verdampfers, Verdichters, Kondensators und Expansionsventils an die Außenluft. Dabei verändert sich das Kältemittel von flüssig zu gasförmig und wieder zurück zu flüssig, wodurch das Haus gekühlt wird.
Die Heiz- und Kühlmodi der Wärmepumpe sind zyklisch.
Im Heizmodus durchläuft jede Wärmepumpe die folgenden Schritte und erzielt ihre Heizfunktionen durch die folgenden Komponenten:
1.1 Verdampfung (Verdampfer)
1.2 Kompression (Verdichter)
1.3 Kondensation (Kondensator)
1.4 Expansion (Expansionsventil)
Nachfolgend eine detaillierte Beschreibung der Hauptbetriebsabläufe:
1.1 Verdampfung (Verdampfer)
Zuerst beginnt die Verdampfungsphase, in der das flüssige Kältemittel im Verdampfer Wärme aus der äußeren Umgebungsluft aufnimmt. Das Kältemittel ändert sich von flüssig zu einem gasförmigen Zustand mit niedriger Temperatur und niedrigem Druck.
1.2 Kompression (Verdichter)
Die Kompressionsphase beginnt, wenn der Verdichter das gasförmige Kältemittel mit niedriger Temperatur und niedrigem Druck aufnimmt. Der Verdichter verbraucht eine geringe Menge an Elektrizität, um das Kältemittel in einen gasförmigen Zustand mit hoher Temperatur und hohem Druck umzuwandeln.
1.3 Kondensation (Kondensator)
In der Kondensationsphase strömt das erhitzte gasförmige Kältemittel mit hoher Temperatur und hohem Druck durch den Wärmepumpenkondensator, wo es seine Wärme an das Wasser im Heizkreislauf abgibt. Das Kältemittel wird dann wieder zu einer Flüssigkeit.
1.4 Expansion (Expansionsventil)
In der Expansionsphase fließt das flüssige Kältemittel durch das Expansionsventil der Wärmepumpe, wodurch der Druck und die Temperatur des Kältemittels gesenkt werden, bis es in einen feuchten Dampf mit niedriger Temperatur und niedrigem Druck (eine Gas-Flüssigkeit-Mischung) verdampft und zum Verdampfer zurückkehr.
Danach setzt das Kältemittel seinen thermodynamischen Zyklus fort.
Es sollte beachtet werden, dass der Betrieb von reversiblen Wärmepumpen im Kühlmodus während des Sommers anders ist. Solche Geräte nehmen Wärme aus dem Innenraum auf und geben sie nach außen ab, um die Raumtemperatur zu senken.
Bitte beziehen Sie sich auf das Wärmepumpendiagramm, um den Betrieb besser zu verstehen.
Luft-Wasser-Wärmepumpe (ASHP)
Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe (ASHP) verfügt über einen lamellenförmigen Wärmetauscher, der sich außerhalb des Gebäudes befindet. Ein Ventilator zwingt die Luft, durch diesen Wärmetauscher zu strömen, und ein weiterer Wärmetauscher wird verwendet, um die Innenluft zu erwärmen oder Wasser für die Heizungsversorgung über Radiatoren oder Fußbodenheizung zu erhitzen, wodurch Wärme ins Gebäude abgegeben wird.
Im Kühlmodus entzieht die ASHP der Innenluft Wärme und gibt diese über den inneren Wärmetauscher in die Umgebungsluft ab
Nachfolgend sind die Heiz- und Kühlzyklusdiagramme einer ASHP aufgeführt, die die verschiedenen Komponenten und die Zyklusprozesse im Detail darstellen.
ASHP Kühlkreislauf
ASHP Heizkreislauf
Eine Luft-Luft-Wärmepumpe nimmt Wärme aus der Außenluft auf und überträgt sie schließlich über ein Fancoil-Gerät an den Raum zur Raumheizung. Umgekehrt nimmt sie Wärme aus dem Raum auf und überträgt sie an die Außenluft zur Kühlung. Luft-Luft-Wärmepumpen erfüllen jedoch nicht die Funktion der Wassererwärmung. Dafür müsste ein Wassererhitzungsgerät hinzugefügt werden, um diesen Bedarf zu decken.
Ähnlich wie eine Luft-Luft-Wärmepumpe entzieht eine Luft-Wasser-Wärmepumpe der Außenluft Wärme. Diese Wärme wird dann an den hydraulischen Heizkreislauf des Hauses übertragen, wie zum Beispiel Heizkörper, Warmwasserbereitung oder die Bereitstellung von Warmwasser.
Wie funktioniert eine Luft-Wasser-Wärmepumpe?
Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe arbeitet mit Luft und Kältemittel. Sie entzieht der Luft Energie, die durch den thermodynamischen Zyklus der vier Hauptkomponenten der Wärmepumpe übertragen wird: Verdampfer, Verdichter, Kondensator und Expansionsventil.
Um den Betrieb besser zu verstehen, siehe bitte das schematische Diagramm der Luft-Wasser-Wärmepumpe.
Schematische Darstellung der Luft-Wasser-Wärmepumpe
Wie im Diagramm dargestellt, überträgt die Außenluft, die von der Außeneinheit angesaugt wird, ihre Wärme auf das Kältemittel, das nach dem Passieren des Verdampfers in Gasform umgewandelt wird. Es wird dann zum Verdichter geschickt, wo der Verdichter den Druck und die Temperatur des Kältemittels durch seine Arbeit erhöht. Das vollständig erhitzte Kältemittel überträgt seine Wärme an das Wasser im Kondensator-Heizkreislauf. Es verliert dann seine Wärme und wird wieder zu einer Flüssigkeit. Schließlich passiert es das Expansionsventil, wodurch der Druck verringert wird, und es nimmt erneut Wärme aus der Luft auf, die dann durch Geothermieheizung, Heizkörper oder Fancoil-Einheiten verteilt wird.
Es ist erwähnenswert, dass in einer Monoblock-Wärmepumpe die vier Phasen des thermodynamischen Zyklus des Kältemittels innerhalb eines einzigen Gehäuses stattfinden. Im Gegensatz dazu umfasst eine Split-Wärmepumpe eine Außen- und eine Inneneinheit.
Die Funktionsprinzipien von Luft-Wärmepumpen und Erdwärmepumpen sind ähnlich. Der Unterschied zwischen Luft-Luft-, Wasser-Wasser-, Erd-Luft- und Erd-Wasser-Wärmepumpen liegt darin, wie sie Energie nutzen, um das Kältemittel zu erwärmen und Wärme im Innenbereich zu verteilen.
Eine Erdwärmepumpe („GSHP“) oder Geothermie-Wärmepumpe ist ein Heiz-/Kühlsystem für Häuser, das Wärme in den Boden hinein oder aus dem Boden heraus mithilfe einer Wärmepumpe überträgt und dabei die relativ stabile Temperatur der Erde im Verlauf der Jahreszeiten nutzt. GSHPs gehören zu den energieeffizientesten Technologien für Heizung, Lüftung, Klimaanlage und Warmwasserbereitung, da sie im Vergleich zur Verbrennung von Brennstoffen oder der Nutzung von Widerstandsheizern viel weniger Energie benötigen.
Die Effizienz von GSHPs wird durch den Leistungskoeffizienten (COP) gemessen, der typischerweise im Bereich von 3 bis 6 liegt. Das bedeutet, dass die Ausrüstung für jedes Joule an verbrauchtem elektrischen Strom 3-6 Joule Wärme liefert.
GSHPs entziehen dem Boden Wärme über einen speziellen Sensor (horizontal, vertikal oder Grundwasser). Die aufgenommene Energie erwärmt ein thermisches Fluid, das durch den thermodynamischen Zyklus des Verdampfers, Verdichters, Kondensators und Expansionsventils die Innenböden oder Heizkörper des Gebäudes erwärmt.
Wasser-Wasser-Wärmepumpen können Wärme aus Seen, Flüssen oder Grundwasser entziehen, um das Kältemittel zu erwärmen, und diese dann basierend auf ihrem thermodynamischen Zyklus für die Erwärmung von Wohn- oder Produktionswarmwasser nutzen. Das System umfasst einen Versorgungsbrunnen und einen Rückführungsbrunnen, um Heiz-/Kühlfunktionen zu erreichen. Die Wärmepumpe entzieht dem Versorgungsbrunnen Grundwasser, das dann über den Rückführungsbrunnen wieder in den Boden zurückgeführt wird.
Vergleich verschiedener Wärmepumpen
In diesem Abschnitt vergleichen wir verschiedene Wärmepumpen und erklären ihre jeweiligen Vorteile, Nachteile und Lebensdauern.
Im Allgemeinen haben Luft-Wärmepumpen relativ niedrigere Preise und sind kurzfristig einfacher zu installieren.
Unter allen Typen haben Erdwärmepumpen die höchsten anfänglichen Kosten. Die Installation erfordert das Bohren und Ausheben eines großen Grundstücks oder von Gräben, was den Boden erheblich stören kann. Langfristig können sie jedoch dennoch Geld sparen.
Wasser-Wärmepumpen haben hohe Installationskosten, bieten jedoch langfristig eine hohe Kapitalrendite. Im Vergleich zu Erdwärmepumpen ist ihre Installation relativ einfacher und günstiger. Sie erfordern jedoch in der Nähe hochwertige und ausreichende Wasserquellen. Sauberes Wasser ist besonders vorteilhaft, wenn Sie ein Open-Loop-System installieren.
Nach einem kurzen Vergleich haben Sie vielleicht ein grobes Verständnis für diese drei Wärmepumpentypen. Wenn Sie weitere Fragen zu Wärmepumpen haben, können Sie uns gerne direkt per E-Mail kontaktieren.