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Luft/Wasser-Wärmepumpen (Innen-/Aussen-/Split-Ausführung)
Eine Luft/Wasser-Wärmepumpe ist eine Wärmepumpe,
die als Wärmequelle Luft benutzt und die Wärme an einen Wasserkreislauf abgibt.
Für die benutzte Luft gibt es verschiedene Möglichkeiten: Es kann Aussenluft sein,
die Luft in einem Innenraum oder auch warme Abluft. Diese Varianten werden alle
weiter unten separat erklärt.
Die Wärmeentnahme aus der
Luft erfolgt in einem Wärmeübertrager, der mit dem Verdampfer der Wärmepumpe
(meist einer Kompressionswärmepumpe) verbunden ist und durch den Aussenluft mit
Hilfe eines starken Ventilators gedrückt wird. Die Verdampfertemperatur liegt
im Betrieb etwas niedriger als die Temperatur der Aussenluft, die also beim
Durchströmen abgekühlt wird, meist um einige Kelvin.
Oft wird für Wärmepumpenheizungen
Aussenluft benutzt, da diese praktisch unbegrenzt verfügbar ist und ihre
Abkühlung in der Regel kaum negative Auswirkungen hat. Es gibt unterschiedliche
Bauweisen für solche Luft/Wasser-Wärmepumpen:
- Bei Split-Geräten
steht nur der Verdampfer mit Wärmeübertrager und Ventilator im Freien, und
in einem Technikraum steht der Rest der Wärmepumpe mit Kompressor und Kondensator.
Aussen- und Innengerät sind durch zwei Kältemittelleitungen und eine
Stromleitung miteinander verbunden.
- Es gibt Geräte zur Aussenaufstellung, die
komplett im Freien stehen. Eine wärmegedämmte Doppel-Wasserleitung führt
in den Technikraum.
- Andere Geräte sind ganz im Technikraum
untergebracht, und die Luft wird durch zwei Öffnungen in einer Aussenwand
zu- und abgeführt.
Einen grundlegenden
technischen Unterschied zwischen diesen Varianten gibt es allerdings nicht.
Insbesondere sind auch keine unterschiedlichen Leistungszahlen zu erwarten.
Seit
einigen Jahren sind neue Luftwasserwärmepumpen mit Invertertechnologien in
Betrieb und erbringen höhere Leistungszeiten.
Sole/Wasser-Wärmepumpen (Glykol- oder Wasserfüllung)
Eine Sole/Wasser-Wärmepumpe
ist eine Wärmepumpe, die eine Sole (d.h. eine wässrige Lösung) als
Wärmeübertragungsmedium benutzt. In der Regel handelt es sich um ein
Wärmepumpenheizungssystem mit einer oder mehreren Erdwärmesonden oder auch Erdregistern
oder Erdwärmekörben (→ oberflächennahe Geothermie). Da die Temperatur in
solchen Sonden unter 0 °C fallen kann, muss anders als bei
einer Wasser/Wasser-Wärmepumpe eine entsprechend frostgeschützte Sole verwendet
werden. Es gibt allerdings auch Erdwärmesonden, die nicht mit einer Sole,
sondern z. B. mit Kohlendioxid (CO2)
als Wärmeübertragungsmedium arbeiten, also nicht in Verbindung mit einer
Sole/Wasser-Wärmepumpe.
Streng genommen ist die
Bezeichnung “Sole” für die typischerweise verwendeten Flüssigkeiten falsch.
Eine Sole ist nämlich eine Salzlösung, während man für Wärmepumpen meist
organische Stoffe wie Ethandiol (= Ethylenglykol), 1,2-Propandiol
(Propylenglykol) oder Ethanol verwendet. (Zusätzlich können
Korrosionsinhibitoren zugesetzt sein.) Salze hätten den Nachteil, dass sie
meist stark korrosionsfördernd wirken.
Die Solekreisläufe müssen
dicht ausgeführt werden und vor Beschädigungen geschützt werden, um eine
Verunreinigung des Grundwassers mit Frostschutzmitteln zu vermeiden.
Vergleich mit anderen Wärmepumpensystemen
Sole/Wasser-Wärmepumpen
arbeiten meist energieeffizienter (mit höherer Leistungszahl und Jahresarbeitszahl)
als die ebenfalls sehr verbreiteten Luft/Wasser-Wärmepumpen, da die Temperatur
der Sole an Tagen mit hohem Wärmebedarf meist nicht weit unter 0 °C abfällt, während die
Außenluft viel kälter werden kann. Hinzu kommt, dass in Luft/Wasser-Wärmeüberträger
höhere Temperaturgradienten auftreten und der Wärmeübergang durch Vereisung
weiter vermindert werden kann. Dann nötige Abtauvorgänge kosten zusätzlich
Energie. Bei einer Sole/Wasser-Wärmepumpe entstehen solche Probleme nicht. Auch
in der Herstellung sind sie günstiger, wobei allerdings zusätzlich die Kosten
für eine Erdwärmesonde anfallen, so dass das System insgesamt teurer ausfällt.
Dem steht andererseits eine tendenziell höhere Lebensdauer gegenüber.
Grundwasser-Wärmepumpen
Wasser/Wasser-Wärmepumpen sind Wärmepumpen, die Wasser als
Niedertemperatur-Wärmequelle nutzen – im Gegensatz zu anderen Wärmepumpen, die
über eine “Sole” (wässrige Lösung) Wärme dem Erdreich entziehen (→ Sole/Wasser-Wärmepumpe)
oder Außenluft (→ Luft/Wasser-Wärmepumpe)
verwenden. Sie werden meist für die Wärmepumpenheizung von Gebäuden verwendet.
− Gewinnung des Wassers
In den meisten Fällen
werden solche Wärmepumpen mit Grundwasser betrieben, welches in Mitteleuropa
auch im Winter typischerweise Temperaturen in der Gegend von 10 °C aufweist. Dieses wird in einem Förderbrunnen
mit einer Tauchpumpe gewonnen. Das in der Wärmepumpe abgekühlte Wasser wird
über einen zweiten Brunnen, den Schluckbrunnen,
wieder dem Grundwasser zugeführt. Der Abstand und die Ausrichtung der beiden
Brunnen werden so gewählt, dass kein Kreislauf entsteht: Der Förderbrunnen soll
nicht bereits abgekühltes Wasser erneut ansaugen. Häufig driftet das
Grundwasser systematisch in eine gewisse Richtung; es entsteht dann eine “Fahne”
etwas kühleren Grundwassers in dieser Richtung. Selbstredend sollten die
Förderbrunnen weiterer Anlagen möglichst nicht gerade in der Fahne einer großen
Anlage liegen.
Da die Neigung diverser
Materialien zur Korrosion stark von der chemischen Beschaffenheit des Wassers
abhängt, ist eine Wasseranalyse notwendig. Man beachte, dass z. B. nahe gelegene landwirtschaftliche Flächen mit dem Einsatz von
Mineraldüngern den Gehalt des Grundwassers an diversen Salzen erhöhen können.
Der Grundwasserspiegel
sollte nicht zu tief liegen (z. B. nicht tiefer als 15 m unter
der Oberfläche), damit der Aufwand für den Brunnen und den Pumpenbetrieb nicht
zu hoch wird.
Selbstverständlich muss
eine Verunreinigung des Grundwassers sicher vermieden werden. Dies stellt
technisch aber kein Problem dar. Das Wasser wird lediglich angesaugt, durch
einen Wärmeübertrager geleitet und wieder abgegeben; es kommt nicht mit
wassergefährdenden Substanzen in Kontakt. Trotzdem bedarf die Nutzung des
Grundwassers in der Regel einer Genehmigung der zuständigen
Wasserrechtsbehörde; dies ist nicht an allen Standorten möglich.
Anstelle von Grundwasser
kommt auch Wasser aus Flüssen, Bächen und Seen in Frage. Hier kann die
Gewinnung und die Abgabe des Wassers einfacher und kostengünstiger sein. Jedoch
liegen die Temperaturen im Winter typischerweise niedriger: in einer gewissen
Wassertiefe oft ca. 4 °C. Dies bewirkt einerseits eine
niedrigere Leistungszahl der Wärmepumpe als mit dem wärmeren Grundwasser, und
andererseits muss die Wärmepumpenanlage so ausgelegt sein, dass ein Einfrieren
vermieden wird.