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Wärmepumpe optimieren
Eine Wärmepumpe ist eine Maschine, welche mit einem thermodynamischen Kreisprozess (dem Kälteprozess) einen Wärmestrom von einem tiefen Temperaturniveau auf ein höheres Temperaturniveau anheben kann. Die Wärmepumpe funktioniert prinzipiell wie ein Kühlschrank: Wärme wird aus der Umgebung (z.B. aus dem Boden, der dabei abgekühlt wird) geholt und mit der Heizung im Haus wieder abgegeben. Dazu muss die Wärme auf ein höheres Temperaturniveau "gepumpt" werden. Hier interessiert also nicht die Kälte-, sondern die Wärmeleistung. Da es im Haus meist wärmer ist als in der Umgebung, und die Wärme nicht von selbst von der kalten zur warmen Seite wandert, muss zum Antrieb der Wärmepumpe eine hochwertige Antriebsenergie (im Allgemeinen Strom, oder sehr selten Erdgas) eingesetzt werden.
Funktionsprinzip Wärmepumpe (Quelle: Glen Dimplex Deutschland GmbH)
Die Wärmepumpe braucht also zwingend eine Wärmequelle, die mittels elektrischen Stroms auf ein nutzbares Temperaturniveau gehoben wird. Die Wärmequelle ist hier die Erdwärme, die im Erdwärmesonden-Kreislauf gewonnen wird. Die Wärmepumpe selbst basiert auf dem Kälte-Kreislauf, in dem ein Kältemittel zirkuliert. Ein Kompressor verdichtet das im Verdampfer (kalte Seite) mit der Wärme aus der Erde verdampfte Kältemittel. Dabei steigt die Temperatur auf das gewünschte Niveau. Im Kondensator (warme Seite) kühlt das Kältemittel ab und wird dabei verflüssigt. Die Wärme wird an den Heizwasser-Kreis abgegeben, wo es zur Heizung des Hauses oder zur Erwärmung des Warmwassers dient (Nutzwärme). In einem Expansionsventil erfolgt dann ein Druckabbau im Kältemittelkreis, die Temperatur sinkt und das Kältemittel kann wieder, bei tiefer Temperatur, im Verdampfer verdampft werden. Die Nutzwärme ist dabei die Summe der Wärmeenergie, die aus der Wärmequelle gewonnen wird und der Energie (Strom), die für die Verdichtung erforderlich ist.
Wärmepumpe mit passiver Kühlung (Quelle: Glen Dimplex Deutschland GmbH)
Die Menge an Strom, die der Kompressor für die Verdichtung braucht, ist stark abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und der Nutzwärme. Deswegen ist die Wärmepumpe umso effizienter, je höher die Temperatur der Wärmequelle und je tiefer die Temperatur der Nutzwärme ist. Das Verhältnis von Nutzenwärme zu Antriebsenergie (Strom) wird als Leistungsziffer oder englisch Coefficient of Performance (COP) bezeichnet. Eine gute Wärmepumpe erreicht bei üblichen Bedingungen eine Leistungsziffer von 3,5 bis 5,5. Damit kann mit wenig Strom für den Antrieb viel Nutzwäme gewonnen werden.
Die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Nutzwärme kann bei der Dimensionierung minimiert werden. Die weitere Optimierung einer Wärmepumpe kann aber nur durch den Hersteller der Wärmepumpe durchgeführt werden. Diese beinhaltet:
- korrekt dimensionierte, das heisst nicht zu kleine Wärmetauscher bei Verdampfer und Kondensator
- einen hochwertigen Kompressor
- ein gutes Kältemittel (am besten ist Propan R290)
- eine geeignete Steuerung
- ein zweistufiger Betrieb des Kompressors bei grösseren Anlagen
- eine zweistufige Kompression (zwei Kompressoren hintereinander) bei grossem Temperaturhub (ab 65 °C Temperatur der Nutzwärme)
Die Güte einer Wärmepumpe wird am Coefficient of Performance COP (der Leistungszahl) gemessen. Diese wird vom Wärmepumpen-Testzentrum in Buchs SG oder anderen zertifizierten Prüfstellen gemessen und veröffentlicht.
Gute Wärmepumpen sollten das internationale Gütesiegel EHPA tragen (früher DACH-Gütesiegel). Ab 2011 müssen Wärmepumpen für Erdwärmesonden bei den Testbedingungen B0/W35 (Fluid in der EWS 0 °C, Vorlauf Nutzwärme 35 °C) einen Mindest-COP von 4,3 erreichen, gemessen nach EN 14511. Wärmepumpen, welche diesen Wert nicht erreichen, sind nicht zu empfehlen. Auf dem Markt sind Wärmepumpen zu finden, die bei diesen Bedingungen einen COP bis 4,7 erreichen.
In Prospekten der Hersteller ist oft die COP-Angabe zu finden, die nach EN 255 (veraltet) gemessen wurde. Diese COP-Werte sind höher als nach EN 14511 gemessen.
Idealerweise wird im Erdwärmesonden-Kreislauf Wasser als Wärmeträger verwendet. Die Erdwärmesonden-Anlage wird dann so dimensioniert, dass die Temperatur in diesem Kreislauf niemals unter 2 - 4 °C sinkt. Die genaue Mindesttemperatur ist von der Güte des Verdampfers abhängig, in dem keine Eisbildung erfolgen darf. Der Verdampfer würde dabei zerstört.
Eine Wärmepumpe sollte für diesen Fall mit einer Frostschutzeinrichtung (Temperatur-, Druck- und Durchflussüberwachung) versehen sein. Tritt die Gefahr eines Frostschutzfalles ein, unterbricht diese Frostschutz-Steuerung den Betrieb der Wärmepumpe, bis das Wasser im Erdwärmesonden-Kreislauf wieder seine normale Temperatur angenommen hat. Anschliessend wird der Betrieb der Wärmepumpe wieder aufgenommen. Der Frostschutzfall ist somit kein Störfall, der die Wärmepumpe ganz ausfallen lässt, sondern ein zwar unerwünschter und hoffentlich nie eintretender, aber möglicher Betriebsfall der Anlage.
Wer eine Anlage mit einer EWS mit reinem Wasser betreibt, sollte mind. einmal pro Jahr die Vorlauf-Temperatur zum EWS-Kreis kontrollieren, am besten nach einer Periode mit sehr kalter Witterung und dann mehrmals am Tag. Nähert sich diese Temperatur 3 - 4 °C (d.h. ca. 1 °C über der zulässigen Minimaltemperatur im Verdampfer), sollte im nächsten Sommer das Wasser in der Sonde mit mind. 12 - 20 % Ethanol (denaturiertem Alkohol resp. Sprit oder eventuell einem anderen Frostschutzmittel) angereichert werden, um einen Schadensfall oder temporäre Ausfälle der Wärmepumpe auszuschliessen.