Typen und Varianten von Wärmepumpen

Wärmepumpen sind eine effiziente und umweltfreundliche Technologie zur Beheizung von Gebäuden und zur Warmwasserbereitung. Sie nutzen Umweltwärme aus verschiedenen Quellen und heben diese auf ein höheres Temperaturniveau. In diesem Artikel werden die verschiedenen Typen, Arten und Varianten von Wärmepumpen vorgestellt.

1. Haupttypen von Wärmepumpen

1.1 Luft-Wärmepumpen

Luft-Wasser-Wärmepumpen

Luft-Wasser-Wärmepumpen nutzen die Außenluft als Wärmequelle und übertragen die gewonnene Energie auf ein wassergeführtes Heizungssystem.

Technische Details:

  • Arbeitsprinzip: Die Wärmepumpe entzieht der Außenluft über einen Verdampfer Wärme. Ein Kompressor verdichtet das gasförmige Kältemittel, wodurch es sich erhitzt. Diese Wärme wird über einen Verflüssiger an das Heizungswasser abgegeben.
  • Leistungszahl (COP): Typischerweise zwischen 3 und 5, abhängig von der Außentemperatur.
  • Temperatureinsatzbereich: Moderne Geräte arbeiten bis zu -25°C Außentemperatur effizient.
  • Vorlauftemperatur: Je nach Modell bis zu 65°C möglich.

Vorteile:

  • Relativ einfache und kostengünstige Installation
  • Keine Erdarbeiten erforderlich
  • Flexibel einsetzbar, auch bei Nachrüstungen

Nachteile:

  • Effizienz sinkt bei sehr niedrigen Außentemperaturen
  • Mögliche Geräuschentwicklung durch den Außenventilator

Luft-Wasser-Wärmepumpen eignen sich besonders für Neubauten mit guter Dämmung und Flächenheizsystemen. In Altbauten sollte vor der Installation eine energetische Sanierung in Betracht gezogen werden. Bei der Planung ist auf die Einhaltung von Schallschutzrichtlinien zu achten, insbesondere in dicht bebauten Gebieten.

Luft-Luft-Wärmepumpen

Diese Systeme entziehen der Außenluft Wärme und geben sie direkt an die Raumluft ab.

Technische Details:

  • Arbeitsprinzip: Ähnlich wie bei Luft-Wasser-Wärmepumpen, jedoch erfolgt die Wärmeabgabe über Inneneinheiten direkt an die Raumluft.
  • Leistungszahl (COP): Typischerweise zwischen 3 und 4.
  • Kühl- und Heizfunktion: Viele Modelle können im Sommer auch zur Raumkühlung genutzt werden.
  • Multi-Split-Systeme: Ermöglichen die Versorgung mehrerer Räume mit individueller Temperaturregelung.

Vorteile:

  • Schnelle Reaktionszeit bei Temperaturänderungen
  • Kombinierte Heiz- und Kühlfunktion
  • Keine wasserführenden Leitungen im Gebäude nötig

Nachteile:

  • Nicht für Warmwasserbereitung geeignet
  • Begrenzte Reichweite der Wärmeverteilung
  • Mögliche Zuglufterscheinungen

Luft-Luft-Wärmepumpen sind eine gute Wahl für kleinere Wohneinheiten, Büros oder als Ergänzung zu bestehenden Heizsystemen. Sie eignen sich besonders für Regionen mit mildem Klima und Gebäude mit geringem Wärmebedarf. Bei der Planung sollte auf eine optimale Positionierung der Inneneinheiten geachtet werden, um eine gleichmäßige Wärmeverteilung zu gewährleisten.

1.2 Erdwärmepumpen (Geothermische Wärmepumpen)

Sole-Wasser-Wärmepumpen

Diese Systeme nutzen die im Erdreich gespeicherte Wärme über im Boden verlegte Kollektoren oder Erdsonden.

Technische Details:

  • Arbeitsprinzip: Ein Wasser-Glykol-Gemisch (Sole) zirkuliert in den Erdkollektoren oder -sonden und nimmt die Erdwärme auf. Die Wärmepumpe entzieht der Sole die Wärme und überträgt sie auf das Heizungssystem.
  • Kollektortypen:
    • Horizontalkollektoren: Flächig in 1-2 m Tiefe verlegt, benötigen ca. 1,5-2 mal die zu beheizende Wohnfläche.
    • Erdsonden: Vertikal bis zu 100 m (oder mehr) Tiefe, benötigen weniger Grundstücksfläche.
  • Leistungszahl (COP): Typischerweise zwischen 4 und 5.
  • Vorlauftemperatur: Bis zu 65°C möglich.

Vorteile:

  • Hohe und konstante Effizienz über das ganze Jahr
  • Lange Lebensdauer der Erdwärmekollektor-Systeme (50+ Jahre)
  • Geräuscharmer Betrieb

Nachteile:

  • Hohe Initialkosten durch Erdarbeiten
  • Genehmigungspflicht, besonders bei Erdsonden
  • Mögliche Umweltauswirkungen bei unsachgemäßer Installation

Sole-Wasser-Wärmepumpen eignen sich hervorragend für Neubauten und größere Sanierungsprojekte. Sie sind besonders wirtschaftlich in gut gedämmten Gebäuden mit Flächenheizungen. Vor der Installation sind geologische Untersuchungen und behördliche Genehmigungen erforderlich. Die höheren Anfangsinvestitionen amortisieren sich durch die hohe Effizienz und lange Lebensdauer.

Direktverdampfer-Wärmepumpen

Bei diesen Systemen zirkuliert das Kältemittel direkt in den Erdkollektoren.

Technische Details:

  • Arbeitsprinzip: Das Kältemittel verdampft direkt im Erdkollektor und nimmt dabei Wärme auf. Dies eliminiert einen Wärmetauschvorgang und erhöht die Effizienz.
  • Kollektormaterial: Meist Kupferrohre mit spezieller Beschichtung.
  • Leistungszahl (COP): Kann Werte über 5 erreichen.
  • Kältemittelfüllung: Größere Menge als bei anderen Systemen erforderlich.

Vorteile:

  • Höhere Effizienz durch Wegfall eines Wärmetauschvorgangs
  • Geringere Verlegetiefe der Kollektoren möglich
  • Kompaktere Anlagentechnik

Nachteile:

  • Höheres Umweltrisiko bei Leckagen aufgrund größerer Kältemittelmenge im Erdreich
  • Spezielle Anforderungen an die Installation und Wartung
  • Eingeschränkte Flexibilität bei späteren Änderungen

Direktverdampfer-Wärmepumpen sind eine hocheffiziente Option für Kunden, die bereit sind, in modernste Technologie zu investieren. Sie eignen sich besonders für Neubauten auf größeren Grundstücken. Aufgrund der speziellen Anforderungen und potenziellen Umweltrisiken ist eine sorgfältige Planung und fachgerechte Installation durch erfahrene Spezialisten unerlässlich. Regelmäßige Wartung und Dichtigkeitsprüfungen sind wichtig für den sicheren Betrieb.

1.3 Wasser-Wärmepumpen

Wasser-Wasser-Wärmepumpen nutzen Grund- oder Oberflächenwasser als Wärmequelle.

Technische Details:

  • Arbeitsprinzip: Grundwasser wird aus einem Förderbrunnen entnommen, durch einen Wärmetauscher geleitet und dann in einen Schluckbrunnen zurückgeführt. Die Wärmepumpe entzieht dem Wasser die Wärme.
  • Wassertemperatur: Idealerweise zwischen 8°C und 12°C, ganzjährig relativ konstant.
  • Leistungszahl (COP): Kann Werte von 5 bis 6 erreichen.
  • Wasserbedarf: Ca. 150-200 Liter pro Stunde und kW Heizleistung.

Vorteile:

  • Höchste Effizienz unter allen Wärmepumpensystemen
  • Konstante Leistung unabhängig von Jahreszeit und Witterung
  • Kompakte Außenanlage

Nachteile:

  • Abhängigkeit von geeigneten hydrogeologischen Bedingungen
  • Strenge behördliche Auflagen und Genehmigungspflicht
  • Regelmäßige Wartung der Brunnenanlagen erforderlich

Wasser-Wasser-Wärmepumpen bieten die höchste Effizienz, sind jedoch nur an Standorten mit geeigneten Grundwasserverhältnissen realisierbar. Vor der Planung sind umfangreiche hydrogeologische Untersuchungen und Wassseranalysen erforderlich. Die Investitionskosten sind aufgrund der Brunnenbohrungen relativ hoch, werden aber durch die sehr gute Effizienz kompensiert. Kunden sollten die laufenden Kosten für Wartung und mögliche Brunnensanierungen berücksichtigen.

2. Betriebsarten

2.1 Monovalenter Betrieb

Im monovalenten Betrieb deckt die Wärmepumpe den gesamten Wärmebedarf des Gebäudes allein.

Technische Details:

  • Auslegung: Die Wärmepumpe wird auf den maximalen Wärmebedarf des Gebäudes dimensioniert.
  • Jahresarbeitszahl (JAZ): Typischerweise zwischen 3,5 und 5, abhängig vom Wärmepumpentyp und der Systemkonfiguration.
  • Speichermanagement: Oft mit größeren Pufferspeichern kombiniert, um Taktungen zu reduzieren.

Vorteile:

  • Einfaches System ohne zusätzliche Wärmeerzeuger
  • Maximale Nutzung der Wärmepumpeneffizienz
  • Geringere Wartungskosten durch weniger Komponenten

Nachteile:

  • Höhere Anschaffungskosten durch größere Dimensionierung
  • Mögliche Überdimensionierung für den Großteil der Heizperiode

Der monovalente Betrieb eignet sich besonders für Neubauten mit niedrigem Energiebedarf und guter Dämmung. Kunden profitieren von einem einfachen, wartungsarmen System mit hoher Effizienz. Die höheren Initialkosten sollten gegen die langfristigen Betriebskosteneinsparungen abgewogen werden. Eine präzise Dimensionierung ist entscheidend, um eine optimale Effizienz zu gewährleisten.

2.2 Bivalenter Betrieb

Alternativ bivalenter Betrieb

Bei dieser Betriebsart arbeitet die Wärmepumpe bis zu einer bestimmten Außentemperatur, danach übernimmt ein zweiter Wärmeerzeuger vollständig.

Technische Details:

  • Umschaltpunkt: Typischerweise zwischen -2°C und -5°C Außentemperatur.
  • Zweitwärmeerzeuger: Meist Gas- oder Ölkessel, zunehmend auch Pelletkessel oder Brennstoffzellen.
  • Steuerung: Intelligente Regelung für nahtlosen Übergang zwischen den Systemen.

Vorteile:

  • Kleinere Dimensionierung der Wärmepumpe möglich
  • Gut geeignet für die Nachrüstung in Bestandsgebäuden
  • Hohe Versorgungssicherheit

Nachteile:

  • Komplexeres System mit höherem Wartungsaufwand
  • Geringere Gesamteffizienz durch Einsatz des weniger effizienten Zweitwärmeerzeugers

Der alternativ bivalente Betrieb ist eine gute Option für Bestandsgebäude mit höherem Wärmebedarf oder bei der Modernisierung bestehender Heizungsanlagen. Kunden profitieren von geringeren Investitionskosten für die Wärmepumpe und einer hohen Versorgungssicherheit. Es sollte jedoch berücksichtigt werden, dass die Gesamteffizienz des Systems niedriger ist als bei einem rein monovalenten Betrieb.

Parallel bivalenter Betrieb

In dieser Betriebsart läuft die Wärmepumpe durchgehend, bei Bedarf schaltet sich ein zweiter Wärmeerzeuger zusätzlich ein.

Technische Details:

Vorteile:

  • Optimale Nutzung der Wärmepumpeneffizienz
  • Flexibilität bei schwankenden Energiepreisen
  • Geringere Dimensionierung beider Wärmeerzeuger möglich

Nachteile:

  • Höherer Regelungsaufwand
  • Komplexere Hydraulik

Der parallel bivalente Betrieb eignet sich besonders für Gebäude mit stark schwankendem Wärmebedarf oder in Regionen mit sehr kalten Wintern. Kunden profitieren von einer optimierten Energieeffizienz und Flexibilität. Die Komplexität des Systems erfordert eine sorgfältige Planung und regelmäßige Wartung. Eine intelligente Steuerung kann zusätzliche Energieeinsparungen durch