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1 Blick ins Innere einer Luft-Wasser- Wärmepumpe. Rechts erkennt man den Ventilator zur Ansaugung der Luft und den Wärmetauscher zur Übergabe der Umweltwärme an den Arbeitskreis der Wärmepumpe. Links sitzt der schwarz lackierte Verdichter. 2 Prinzip des Verdichters: Wie eine Luftpumpe komprimiert der Verdichter in der Wärmepumpe das verdampfte Arbeitsgas, um seine Temperatur zu erhöhen. 60 WÄRMEERZEUGUNG Das neue Herz: Wärmepumpen und Holzkessel Wärmepumpen sind als moderne und zeitgemäße Form der Wärmeerzeugung für Wohngebäude auf dem Vormarsch. Sie nutzen die Verdampfungswärme eines Arbeitsmittels mit sehr niedrigem Siedepunkt aus, um Wärme aus dem Erdreich, der Umgebungsluft oder dem Grundwasser anzuzapfen. Das Arbeitsmittel verdampft schon bei wenigen Grad Celsius. Anschließend verdichtet ein Kompressor das Arbeitsgas, um seine Temperatur zu erhöhen und für Heizzwecke nutzbar zu machen. Um die Wärme aus der Umwelt nutzen zu können, braucht die Wärmepumpe eine Wärmequel- lenanlage. Luftmaschinen nutzen das thermische Potenzial in der Umgebungsluft. Sie wird durch die Sonne erwärmt. Im Jahresverlauf schwankt die Temperatur in der bodennahen Atmosphäre stark, von großer Hitze im Sommer bis zu etlichen Minusgraden in der Heizperiode. Deshalb sind Luft-Wärmepumpen nur begrenzt einsetzbar oder benötigen einen zweiten Wärmeerzeuger für kalte Winter. 2 1
DAS NEUE HERZ: WÄRMEPUMPEN UND HOLZKESSEL Wird ein großflächiger Erdabsorber unterhalb der Frostgrenze im Boden als Wärmequelle für die Wärmepumpe genutzt, greift die Anlage auf im Boden gespeicherte Sonnenwärme zu. Denn bis zu einer bestimmten Tiefe wird die Bodentemperatur maßgeblich vom Wärmeeintrag durch Sonnenstrahlung und Niederschläge bestimmt. Man spricht von oberflächennaher Erdwärme (Geothermie). In tieferen Schichten gleichen sich die saisonal schwankende Beladung der oberflächennahen Schichten und der thermische Wärmefluss aus dem Erdinneren an. Mithilfe von Erdsonden kann man tiefer liegende Wärmereservoire erreichen, die weitgehend unabhängig von der Sonneneinstrahlung sind. Auch grundwasserführende Schichten kann man als Wärmequelle für eine Wärmepumpenanlage nutzen. Der effiziente Einsatz einer Wärmepumpe hängt vom genau und gut durchdachten Zusammenspiel der Wärmequelle, der eigentlichen Wärmepumpe und der Wärmenutzung ab. Je mehr Wärme der elektrisch betriebene Verdichter der Wärmepumpe aus der Umwelt holt und bereitstellt, desto geringer sind die Kosten für den Antrieb der Wärmepumpe (Strom). Die folgende Grafik verdeutlicht dies mit - hilfe der Leistungszahl. Die Leistungszahl ist ein Wert für die Wärmepumpe als Maschine. Er wird auf dem Prüfstand ermittelt, unter genormten Bedingungen. Die Leistungszahl beschreibt das Verhältnis der abgegebenen Wärmeleistung zur zugeführten elektrischen Leistung für den Verdichter und die Hilfsantriebe nach DIN EN 255. Die Leistungszahl ist mit den Betriebstemperaturen der Wärmequellenanlage und der Wärmenutzungsanlage in den technischen Daten der Hersteller angegeben. Eine Leistungszahl von 4,0 besagt, dass die vom System genutzte Wärmemenge viermal höher ist als die Antriebsleistung der Wärmepumpe. 3 Die oberflächennahe Geothermie nutzt in den oberen Bodenschichten gespeicherte Sonnenwärme. Die Temperatur schwankt im Jahresverlauf. Holt man die Wärme aus tieferen Schichten, wird vor allem der Wärmefluss aus dem heißen Erdinneren angezapft. Die Schicht, in der sich beide Wärmeströme zu einer konstanten Temperatur vereinen, nennt man neutrale Zone. Leistungszahl 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 �=9,6 �=7,3 optimaler Bereich grüner Bereich” roter Bereich” �=5,0 �=3,9 �=3,2 �=2,8 10 20 30 40 50 60 � T Temperaturdifferenzen in Kelvin 4 Leistungszahl einer Wärmepumpe in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen Wärmequellenanlage und Wärmenutzung. Man erkennt, dass eine möglichst geringe Differenz die Effizienz der Anlage wesentlich verbessert. Die Wärmequelle sollte möglichst hohe Temperaturen anbieten. Die Wärmenutzung sollte möglichst geringe Temperaturen abfordern, beispielsweise durch Flächenheizungen. 61
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