Wärmepumpen sind eine Art von Heiz- und Kühlsystemen, die aufgrund ihrer Vielseitigkeit und Effizienz immer beliebter werden. Sie unterscheiden sich von herkömmlichen Klimaanlagen, und der Begriff „Wärmepumpe“ wird manchmal verwendet, um mehrere Arten von HVAC-Systemen zu bezeichnen. Daher ist das Ziel dieses Artikels, die folgenden Fragen zu beantworten:
Was ist eine Wärmepumpe?
Wie unterscheiden sich Wärmepumpensysteme von herkömmlichen Klimaanlagen?
Was sind die verschiedenen Arten von Wärmepumpen?
Was ist eine Wärmepumpe?
Einfach ausgedrückt, ist eine Wärmepumpe ein HVAC-System, das einen Kältekreislauf nutzt, um sowohl Heiz- als auch Kühlfunktionen bereitzustellen. Diese Systeme transportieren Wärme in einen Raum hinein oder aus ihm heraus, je nach Betriebsmodus.
Weitere Hintergrundinformationen finden Sie in unserem Blog über die Komponenten des Standard-Kältekreislaufs.
Unabhängig davon, ob sie in Wohn-, Gewerbe- oder großen Industrieanwendungen verwendet werden, bleibt ihre Funktion die gleiche – Wärme in einen Raum hinein oder aus ihm heraus zu „pumpen“. Ein weiterer Grund, warum Wärmepumpen so beliebt sind, ist, dass die einmal aus einem Raum transportierte Wärme für weitere Anwendungen genutzt werden kann, wie etwa zur Erzeugung von warmem Wasser (DHW) oder für ein hydraulisches Fußbodenheizungssystem. Wärmepumpen werden auch in der Industrie eingesetzt, um Wärmeenergieverschwendung zu reduzieren und zur allgemeinen Effizienzsteigerung beizutragen.
Wie unterscheiden sich Wärmepumpensysteme von herkömmlichen Klimaanlagen?
Während die beiden manchmal austauschbar verwendet werden können, sind eine Wärmepumpe und eine Klimaanlage nicht unbedingt dasselbe. Beide nutzen Kältekreisläufe, aber in einer einmoduligen Klimaanlage fließt das Kältemittel nur in eine Richtung. In einem Wärmepumpensystem ist dieser Fluss umkehrbar, sodass das System je nach Bedarf zwischen Heiz- und Kühlfunktionen wechseln kann. Um dies zu ermöglichen, benötigen Wärmepumpen einige spezialisierte Komponenten, von denen zwei Beispiele sind:
Umkehrventil
Rückschlagventile
Umkehrventil
Damit eine Wärmepumpe zwischen Heiz- und Kühlmodus umschalten kann, muss der Fluss des Kältemittels im System umkehrbar sein. Hier kommt das Umkehrventil ins Spiel. Auch als Vier-Wege-Ventil bekannt, leitet es das Kältemittel je nach seiner Konfiguration zum nächsten Bauteil im Kreislauf.
Im Heizmodus bläst der Ventilator Außenluft über die Außenwendel, und die Wärmeenergie in der Luft wird vom Kältemittel in der Wendel aufgenommen. Das Kältemittel wird dann über das Umkehrventil zum Kompressor geleitet, da sich das System im Heizmodus befindet.
Das Kältemittel verlässt den Kompressor als hochdruckdampf. Es gelangt dann in die Innenwendel, wo kühlere Innenluft über das Kältemittel strömt, den Raum erwärmt und das Kältemittel in eine Flüssigkeit kondensiert. Das flüssige Kältemittel fließt dann zum Thermostatventil (TXV) des Systems, wo es sich in ein Gas ausdehnt und dann über die Außenwendel fließt, um den Zyklus neu zu starten.
Im Kühlmodus verlässt das gasförmige, hochdruckige Kältemittel den Kompressor und gelangt in das Umkehrventil, das so positioniert ist, dass es den Kältemittelfluss zur Außenwendel leitet. Dort wird Wärme aus dem Kältemittel in die Umgebung abgegeben, wodurch es sich in eine hochdruckige, niedrige Temperaturflüssigkeit kondensiert.
Anschließend gelangt das Kältemittel zum TXV, wo sein Druck und seine Temperatur sinken, und es tritt als Zweiphasengemisch in die Innenwendel ein. Wenn Energie aus dem wärmeren Innenraum vom Kältemittel aufgenommen wird und der Raum gekühlt wird, vollzieht das Kältemittel seinen Phasenwechsel vom Flüssigkeitszustand in den gasförmigen Zustand.
Das Kältemittel kehrt dann durch das Umkehrventil zurück und gelangt wieder in den Kompressor, wodurch der Prozess wiederholt wird. Im Heizzyklus einer Wärmepumpe fungiert die Innenwendel im Wesentlichen als der Kondensator des Systems, während die Außenwendel als Verdampfer dient.
Rückschlagventile
Manchmal haben Wärmepumpensysteme zwei TXVs – eines für den Heizmodus und eines für den Kühlmodus. Um sicherzustellen, dass das Kältemittel nur durch eines von ihnen fließt, funktionieren Rückschlagventile ähnlich wie Weichen im Eisenbahnverkehr und leiten das Kältemittel entweder durch das TXV oder umgehen es, je nach Modus. Nachfolgend sind zwei Beispiele für Rückschlagventile: das Drehbewegungsrückschlagventil (oben) und das Feder-Rückschlagventil.
Welche verschiedenen Arten von Wärmepumpen gibt es?
Nachdem wir nun geklärt haben, was eine Wärmepumpe ist und einige ihrer einzigartigen Komponenten besprochen haben, lassen Sie uns einige gängige Typen näher betrachten. Wärmepumpensysteme gibt es in verschiedenen Ausführungen, die alle dieselbe Funktion erfüllen, jedoch auf unterschiedliche Weise. Einige der häufigeren Konfigurationen umfassen:
Luft-zu-Luft-Wärmepumpen
Luft-Wasser-Wärmepumpen
Erdwärmepumpen (GSHP)
Luft-zu-Luft-Wärmepumpen
Luft-zu-Luft-Wärmepumpensysteme, auch bekannt als Luft-Wärmepumpen, sind mit dem Ziel entwickelt, eine einfache Funktionsweise zu bieten. Sie ziehen Außenluft an und nutzen einen standardmäßigen Kältekreislauf, um die Luft zu konditionieren, sei es zum Kühlen oder Heizen eines Raumes.
Aufgrund ihrer Effizienz und Vielseitigkeit sind Luft-zu-Luft-Wärmepumpen in moderaten Klimazonen sehr beliebt in Wohnhäusern und kleinen gewerblichen Anwendungen. Wenn Sie an eine “Wärmepumpe” denken, haben Sie wahrscheinlich diese Systeme im Kopf, und es ist gut möglich, dass Sie ein ähnliches System in Ihrem Zuhause haben. Das Bild oben zeigt ein typisches Wärmepumpensystem für den Wohnbereich, und das unten zeigt eine gewerbliche Wärmepumpe in einem Apartmentgebäude.
Luft-Wasser-Wärmepumpen
Luft-Wasser-Wärmepumpensysteme funktionieren ähnlich wie Luft-zu-Luft-Wärmepumpen. Anstatt jedoch Wärme aus der Außenluft zu entziehen, um den Luftstrom zu erwärmen, verwenden sie den Kältekreislauf, um die Temperatur eines Flüssigkeitsstroms zu regulieren.
Im Heizmodus wird Wärme aus der kalten Außenluft in ein Arbeitsfluid (typischerweise Wasser oder eine Glykol-Wasser-Mischung) über einen standardmäßigen Kompressions-/Expansionszyklus aufgenommen. Das erwärmte Wasser wird dann im Gebäude verteilt, um den Raum zu heizen, Warmwasser zu erzeugen oder andere nützliche Funktionen zu erfüllen. Im Kühlmodus wird der Prozess umgekehrt: Die Wärme wird vom Arbeitsfluid auf die Außenluft übertragen, und die aufgenommene Wärme wird in die äußere Umgebung abgegeben.
Erdwärmepumpe (GSHP)
Die Erdkruste hält eine relativ stabile Temperatur das ganze Jahr über in Tiefen von mehr als 15-20 Fuß. Erdwärmepumpen (GSHP) – auch als erdgekoppelte Wärmepumpen oder geothermische Wärmepumpen bekannt – nutzen diese thermische Energie in einem geschlossenen Kreislaufsystem.
Erdwärmepumpen verfügen über vergrabene Wärmetauscher oder Erdkreisläufe, wie unten gezeigt, die mit den restlichen Wärmepumpenkomponenten im Gebäude verbunden sind. Eine Propylenglykol-Lösung wird häufig als Arbeitsfluid verwendet, da sie im Vergleich zu Ethylenglykol eine geringere Umweltbelastung aufweist.
Im Heizmodus wird thermische Energie aus der Erde vom Fluid im Erdkreis aufgenommen. Dadurch wird die Temperatur des Arbeitsfluids erhöht, jedoch nicht genug, um den Wärmebedarf zu decken. Die halb-erwärmte Flüssigkeitsmischung wird dann zum Verdampfer des Systems geleitet, wo ein Verdampfungs-Kompressions-/Expansionszyklus eingeleitet wird, der das Fluid auf ein Niveau erwärmt, das für die Raumheizung oder Warmwasserbereitung geeignet ist.
Im Kühlmodus wird warme Luft aus dem Gebäude durch den geothermischen Kreislauf zirkuliert, wo die kühlere Temperatur der Erde das Fluid innerhalb des Kreislaufs reguliert. Die Wärme wird dann zum Innenwärmepumpensystem zurückgeführt. Dort wird der Kältekreislauf verwendet, um die verbleibende Energie zu extrahieren, die erforderlich ist, um die Anforderungen des Systems zu erfüllen. Der geothermische Kreislauf kann unterirdisch vergraben, im Grundwasser eingetaucht oder mit Brunnen oder anderen Wasserquellen verbunden werden. Geothermische Wärmepumpen, die Wasser beinhalten, werden häufig als Wasser-Wärmepumpen bezeichnet, aber das System und die Komponenten sind dieselben.
Obwohl die anfänglichen Kosten für Erdwärmepumpen ziemlich hoch sein können, sind sie nach der Installation sehr effizient. Es ist nicht ungewöhnlich, dass solche Systeme deutlich mehr Energie erzeugen, als sie verbrauchen, wobei Leistungskennzahlen (COP) von bis zu 4:1 ganz typisch sind.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Wärmepumpen vielseitige Heiz- und Kühlsysteme sind, die einen reversiblen Kältekreislauf nutzen, um sowohl Heiz- als auch Kühlfunktionen bereitzustellen. Sie unterscheiden sich von herkömmlichen Klimaanlagen, da sie dank spezialisierter Komponenten wie Umkehrventilen und Rückschlagventilen zwischen diesen Modi wechseln können. Es gibt verschiedene Arten von Wärmepumpen, darunter Luft-zu-Luft, Luft-zu-Wasser und Erdwärmepumpen, die jeweils ihre eigenen Vorteile und idealen Anwendungen haben.
Luft-zu-Luft-Wärmepumpen, auch als Luft-Wärmepumpen bekannt, sind einfach und werden häufig in Wohn- und kleinen gewerblichen Anwendungen in gemäßigten Klimazonen verwendet. Sie ziehen Außenluft an und konditionieren diese für die Heizung oder Kühlung von Innenräumen.
Luft-zu-Wasser-Wärmepumpen funktionieren ähnlich, nutzen jedoch den Kältekreislauf, um die Temperatur eines Flüssigkeitsstroms zu kontrollieren, wodurch sie sich für Raumheizung, Warmwasserbereitung und andere Anwendungen eignen.
Erdwärmepumpen oder geothermische Wärmepumpen nutzen die stabile Temperatur der Erde in größeren Tiefen, um eine effiziente Heiz- und Kühlleistung zu bieten. Sie verwenden vergrabene Wärmetauscher und sind nach der Installation äußerst effizient.
Die Wahl der Wärmepumpenart hängt von Faktoren wie Klima, verfügbaren Platz und den spezifischen Heiz- und Kühlbedürfnissen ab. Wärmepumpen sind für ihre Effizienz bekannt und stellen eine umweltfreundliche Option für viele Anwendungen dar.