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Luft-Wasser Wärmepumpe
Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe nutzt die Energie aus der Umgebungsluft, um das Haus zu heizen. Durch die Sonneneinstrahlung erwärmt sich die Luft fortlaufend neu. Die Wärmepumpe nimmt diese Energie auf einem niedrigen Temperaturniveau auf und bringt sie auf ein höheres Niveau. Die Luft-Wasser-Wärmepumpe kann relativ einfach installiert werden und ist zudem sehr preiswert.
Innen- oder Aussenaufstellung der Luft-Wasser-Wärmepumpe?
Luft-Wasser-Wärmepumpen können aussen sowie innen aufgestellt werden. Wirtschaftlich gesehen sind beide Möglichkeiten gleichwertig.
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Bei der Innenaufstellung wird die Luft-Wasser-Wärmepumpe in einem Kellerraum aufgestellt. Der vollständige Kreislauf befindet sich im Haus, lediglich der Be- und Abzug der Luft erfolgt über den Aussenbereich.
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Am gebräuchlichsten ist die Aussenaufstellung. Hier werden kompakte Wärmepumpen verwendet, welche im Aussengerät Wärme erzeugen und diese über den Speicher im Heizraum weiterleiten.
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Bei sogenannten Split-Wärmepumpen wird der Kreislauf aufgeteilt, indem der Verdampfer aussen und der Verflüssiger im Haus aufgestellt wird.
Funktion einer Wärmepumpe
Die Wärmepumpe funktioniert wie ein Kühlschrank – nur umgekehrt. Sie entzieht Energie aus der Umgebung (z.B. Luft) und gibt sie an das Haus ab.
Schritt 1: Verdunstung
In einem ersten Schritt wird zunächst in einem Verdampfer flüssiges Kältemittel verdunstet. Durch das Verdunsten entzieht das Kältemittel der Wärmequelle, zum Beispiel der Umgebungsluft, Energie.
Schritt 2: Verdichtung
In einem zweiten Schritt wird das gasförmige Kältemittel mit einer elektrischen Pumpe verdichtet. Dadurch wird das Kältemittel stark erhitzt.
Schritt 3: Erhitzung
Das heisse Kältemittel wird nun in den Verflüssiger geleitet, wo es über einen Wärmetauscher das Wasser erhitzt, das zum Heizen und Duschen verwendet wird.
Schritt 4: Abkühlung und Verflüssigung
Bei diesem Wärmetausch kühlt das Kältemittel ab und wird wieder flüssig. Über ein Expansionsventil wird es nun in den Verdampfer geleitet: Der Kreislauf beginnt von vorn.
Unterscheidung von Klimaanlagen- und Wärmepumpenkühlung
Gerade im Hochsommer erreichen die Aussentemperaturen Höchstwerte, sodass man sich in den eigenen vier Wänden nicht mehr wohlfühlt. Nachts fällt das Schlafen dann besonders schwer und man startet häufig unausgeruht in den Tag. Auch weit geöffnete Fenster oder eine ständige Belüftung der Räume mit einem Standventilator schaffen nur eine leichte Milderung der Sommerhitze. Viele denken dann über die Anschaffung einer kleinen Klimaanlage aus dem Baumarkt nach oder sogar über eine Profi-Kühlung wie sie in südlichen Ländern vielfach zu finden ist. Der Nachteil ist allerdings, dass man diese Klimageräte in unseren Breiten nur an wenigen Wochen im Jahr wirklich nutzt. Zudem werden sie mit Strom betrieben und so kann die erfrischende Kühle per Klimaanlage schnell ins Geld gehen.
Eine Alternative, die viele nicht kennen, ist das Kühlen mit Wärmepumpe. Der grosse Unterschied besteht dabei darin, dass bei herkömmlichen Klimaanlagen gekühlte Luft über einen oder mehrere Kanäle bzw. Wand- und Deckeneinheiten an den zu kühlenden Raum abgegeben wird. Beim Kühlen mit einer Wärmepumpe wird der Raum hingegen über die Wasserleitungen des Heizungssystems gekühlt. Dabei unterscheidet man zwischen einer aktiven Kühlung mit einer sogenannten reversiblen Wärmepumpe und dem passiven Kühlen mit einer Erdwärme- bzw. Sole-Wasser-Wärmepumpe.
So kann man aktiv mit einer Wärmepumpe kühlen
Ein aktives Kühlen mit einer Wärmepumpe ist sowohl mit einer Luft-Wasser-Wärmepumpe (siehe auch: Klima-Splitgerät) als auch mit einer Sole-Wasser-Wärmepumpe («Erdwärmepumpe») möglich. Bei beiden Systemen wird durch eine aktive Umkehr des Wärmepumpenkreislaufes im Sommer die Wärmepumpe als Kühlaggregat genutzt. Während vorher z. B. bei einer Luftwärmepumpe die Wärme der Aussenluft entzogen wurde, so wird nun die Wärme der Innenluft entzogen und nach draussen abgeführt. Dabei wird die über das Heizungssystem entzogene Wärme mit Hilfe des Kompressors aktiv auf die Wärmequelle übertragen.
In technischer Hinsicht bedarf es dabei des Einbaus eines 4-Wege-Ventils und eines zweiten Expansionsventils im Kältemittelkreislauf. Das 4-Wege-Ventil sorgt dabei sowohl für die automatische Umschaltung der Fliessrichtung als auch für das unabhängig voneinander funktionierende Heizen und Kühlen wie z. B. die Brauchwasserbereitstellung im Sommer.
Grundsätzlich wird im Kühlbetrieb der ursprüngliche Verflüssiger nun zum Verdampfer, der die Raumwärme über das eigentliche Heizwärmeabgabesystem auf das Kältemittel überträgt. Das gasförmige Kältemittel wird dann über das 4-Wege-Ventil zum Verdichter geführt und von dort zum Wärmetauscher, der die den Räumen entzogene Wärme an das Erdreich abgibt. Beim aktiven Kühlen lassen sich so problemlos und aufgrund des effizienten Wärmepumpenprozesses mit wenig Stromaufwand angenehm kühle Innentemperaturen von 20°C erzeugen.
So funktioniert das passive Kühlen mit Wärmepumpe
Wenn im Sommer die Raumtemperaturen über denen des Erdreichs liegen, können Wärmepumpen auch zum «natural cooling» genutzt werden. Das Prinzip des passiven Kühlens ist ganz einfach: Der Wärmetauscher wird einfach dazu genutzt, die Wärme des Hauses in die Erdsonden abzuführen. Hierzu bedarf es lediglich eines weiteren Ventils, das die Wärmepumpe sozusagen umgeht. Einzig durch den Temperaturunterschied zwischen Innen und Aussen und das gleichzeitige Betreiben des Sole- und des Heizwasserkreislaufes wird dann die Wärme des Raumes entzogen.
Das «natürliche» Kühlen kann technisch relativ einfach realisiert werden. Dazu sind lediglich
– Wärmetauscher,
– 3-Wege-Ventile und
– Umwälzpumpe
erforderlich. Allerdings ist die passive Kühlung nicht mit der Leistungsfähigkeit von Klimaanlagen oder Kaltwassersätzen zu vergleichen. Dies ist der Wärmequellentemperatur und der Grösse der Wärmequelle geschuldet, da zum Ende des Sommers das Erdreich erfahrungsgemäss mehr Wärme gespeichert hat und die Kühlleistung dann abnimmt.
Während des Kühlbetriebes ist die Brauchwasserbereitung weiterhin möglich, da die Ansteuerung aller notwendigen Umwälzpumpen und Umschaltventile sowie die Erfassung der notwendigen Temperaturen und die Taupunktüberwachung durch die Wärmepumpenregelung erfolgen.
Letztlich beruht das passive Kühlen nur auf einer Regelung, die die Primärpumpe einschaltet, ohne dass der Verdichter angetrieben wird. Das Wärmeträgermedium (Sole oder Wasser mit ca. 5 bis 10°C) wird dann zum Wärmetauscher transportiert. Gleichzeitig führen die Heizkreispumpen raumtemperiertes Heizungswasser zum Wärmetauscher. Der Wärmetauscher sorgt dann für einen Temperaturausgleich der Medien, sodass gekühltes Heizungswasser im Heizungsabgabesystem zirkuliert. Da lediglich ein geringer Stromverbrauch für die Umwälzpumpen zum Kältetausch mit dem Erdreich oder Grundwasser aufgewendet werden muss, ist das passive Kühlen eine besonders energiesparende Methode der Gebäudeklimatisierung.
Die passive Kühlfunktion der Wärmepumpe ist aufgrund der im Sommer vorherrschenden Aussenlufttemperaturen nur Sole/Wasser- und Wasser/Wasser-Wärmepumpen vorbehalten, obwohl das passive Kühlen theoretisch auch mit einer Luft-Wasser-Wärmepumpe nach dem gleich Prinzip möglich wäre. Aus technischer Sicht müsste dazu dann nicht der Solekeislauf umgewälzt, sondern der Ventilator der Luftwärmepumpe angetrieben werden.