Ratgeber Heizungssysteme

Eine Wärmepumpe versetzt das Temperaturgefälle, an dem die Wärme gewöhnlich stets vom Wärmeren zum Kühleren strömt - somit bewegt sich das Kältere nun zum Wärmeren. Der Kühlschrank ist ein Verwandter der Wärmepumpe, der lediglich andersherum arbeitet: Dem Innenraum entzieht er Wärme, die er nach außen abgibt, während eine Wärmepumpe der Umgebung Wärme entzieht und in Form von Heizenergie an den Innenraum des Hauses leitet.

Aufbau und Funktion einer Wärmepumpe

  • Die Wärmequellanlage:
    Sie entzieht der Umgebung die erforderliche Energie.

  • Die Wärmepumpe selbst:
    Durch sie wird die gewonnene Wärme nutzbar.

  • Das Wärmeverteil- und Speichersystem:
    Hierdurch erfolgt die Verteilung der Wärmeenergie im Haus oder die Zwischenspeicherung.

Die in der Wärmequellanlage enthaltene Flüssigkeit, ein meist mit Frostschutzmittel versetztes Wasser (Sole), ist in der Lage, die Wärme aus ihrer Umwelt (z. B. dem Grundwasser oder Erdreich) aufzunehmen. Diese wird durch die konstante Zirkulation zur Wärmepumpe transportiert. Die Gewinnung erfolgt lediglich bei Luft-Wärmepumpen auf eine andere Weise, bei der die Außenluft von einem Ventilator angesaugt wird und die Umgebungswärme zur Wärmepumpe gelangt.

Des Weiteren ist in der Wärmepumpe ein Kältemittel in Umlauf. Ein Verdampfer überträgt die Energie aus der Umwelt des ersten Kreislaufs auf das Kältemittel. Daraufhin folgt die Weiterleitung des dabei entstehenden Kältemitteldampfes zu einem Kompressor, wodurch das gasförmige Kältemittel wärmer wird. Anschließend wird das Kältemittel in dem Wärmeaustauscher „Verflüssiger“ kondensiert, wobei es Wärme abgibt. Das nun flüssige Kältemittel gelangt daraufhin zu einer Drossel, die den Druck verringert. Schlussendlich wird das flüssige Mittel zurück zum Verdampfer geleitet.

In dem Wärmeverteil- und Speichersystem zirkuliert gewöhnlich Wasser, das die im Verflüssiger vom Kältemittel abgegebene Wärme aufnimmt und entweder zu einem Verteilersystem (z. B. Heizkörper oder Flächenheizungen) oder zu einem Warmwasserspeicher bzw. Heizungspuffer weiterleitet.

 

Wärmepumpen - Wärmequelle Erdreich

Da die Temperatur im Boden ganzjährig relativ beständig ist, eignet sich die Erde hervorragend als Wärmespeicher. Die gespeicherte Sonnenenergie im Erdreich kann für das Heizen mit Wärmepumpen entweder von Erdwärmekollektoren oder von Erdwärmesonden genutzt werden, ohne dass hierbei das Wachstum der Pflanzen beeinträchtigt wird.

Erdwärmekollektoren:

Für die Verwendung von Kollektoren wird ein großflächiges waagerechtes Rohrsystem etwa eineinhalb Meter unter der Erde (unterhalb der Frostgrenze) verlegt. Die Fläche des Kollektors ist jeweils von dem zu beheizenden Bereich sowie der Regenwasserdurchlässigkeit des Bodens abhängig, doch grundsätzlich ist sie etwa eineinhalbmal so groß wie die Heizfläche. Damit die Erde ihren Energiespeicher wieder durch Regenwasser oder Sonneneinstrahlung auffüllen kann, darf der Bereich über dem Kollektor weder versiegelt noch bebaut werden. Zudem ist davon abzuraten, tief wurzelnde Pflanzen wie Bäume an diesen Stellen anzubauen, da sie die Rohre beschädigen könnten. Erdwärmekollektoren sind in der Regel kostensparender als eine Sonde und insbesondere eine geeignete Alternative, wenn die Genehmigung einer Erdwärmesonde nicht oder nur in Verbindung mit hohen Auflagen erfolgt.

Vorteile der Erdkollektoren

  • Geringe Betriebskosten
  • Guter Wirkungsgrad
  • Keine Zusatzheizung notwendig, die Kombination mit der Solarthermie ist jedoch ratsam
  • Nahezu wartungsfrei

Nachteile der Erdkollektoren

  • Anschaffung und Installation vergleichsweise teuer
  • Bodengutachten und Anzeige bei der Gemeinde erforderlich
  • Abhängigkeit von der Bodenqualität
  • Große unbebaute Fläche nötig
  • Pflichtabstand zu Wasserleitungen aufgrund von Frostgefahr durch den Wärmeentzug

Erdwärmesonden - Wärmequelle Tiefenbohrung:

Erdwärmesonden finden vor allem Verwendung, wenn das Grundstück zu klein für Erdwärmekollektoren ist. Hierbei befindet sich ein u-förmiges Kunststoffrohr in einem etwa CD-großen, senkrechten Bohrloch, durch das die Sole fließt. Ab einer Tiefe von etwa zehn Metern ist die Temperatur im Erdreich ganzjährig weitestgehend konstant und bleibt daher unberührt von saisonalen Schwankungen. Die Tiefe der Bohrung und damit einhergehend auch die Sondenlänge hängt davon ab, welcher Wärmebedarf besteht und wie es sich mit der Wärmeleitfähigkeit des Bodens verhält. So ist die Sonde eines Einfamilienhauses durchschnittlich etwa 100 Meter lang. Ein großer Vorteil von Erdwärmesonden ist, dass sie nahezu überall verwendet werden können (Ausnahme: Wasserschutzgebiete), allerdings bedarf die Installation vorherigen Genehmigungen. Um diese kümmert sich – je nach vereinbartem Leistungsumfang - in der Regel der jeweilige Bohrunternehmer.

Vorteile der Erdsonde

  • Sehr guter Wirkungsgrad
  • Geringe Betriebskosten
  • Keine zusätzliche Heizung nötig
  • Nahezu wartungsfrei

Nachteile der Erdsonde

  • Bodengutachten und Genehmigung nötig
  • Bodenqualität ist entscheidend
  • Hohe, nur annähernd kalkulierbare Bohrkosten
  • Große Fläche erforderlich
  • Bodenfrostgefahr
  • Fehlauslegung können zum Versagen der Sonden führen

 

Zeolith-Gas-Wärmepumpe

Wer die Eigenschaften einer Wärmepumpenheizung mit den Vorteilen einer Gasheizung verbinden möchte, greift zu einer Zeolith-Gas-Wärmepumpe.
Das Besondere:
Anstatt herkömmlich mit Strom wird in diesem Heizsystem mithilfe einer kleinen Gasheizung das gesamte System betrieben. Das moderne Speichern von Energie mithilfe von Zeolith funktioniert durch die Aufnahme und Abgabe von Wasser. Das Mineral Zeolith tauscht in zwei unterschiedlichen Sorptionsprozessen Wärme aus, die dann an das Heizungswasser übertragen wird. Seit 2012 ist diese besondere wartungsarme Wärmepumpe erhältlich und wird vom Hersteller immer in Kombination mit einer Solarthermie verkauft. Besonders in den Übergangsjahreszeiten ist dieses Heizsystem besonders effizient, da es die Sonnenenergie länger speichern und somit auch nutzen kann. Dadurch ist eine Energiekostenersparnis von rund 20% im Vergleich zur traditionellen Gasheizung möglich.

Vorteile

  • Einsparungen von bis zu 20 % im Vergleich zu herkömmlicher Gasbrennwerttechnik
  • besonders in den Übergangszeiten zwischen sehr kalten und warmen Temperaturen sehr effiziente Nutzung
  • wenig bzw. nahezu keine Wartung notwendig
  • sehr kompakte Bauweise

Nachteile

  • in den kalten Wintermonaten nicht effizienter als ein herkömmliches Gasbrennwertgerät
  • keine Langzeitstudien
  • Gasanschluss notwendig
  • höhere Investitionskosten im Gegensatz zur Gasbrennwertheizung

 

Wärmepumpen - Wärmequelle Grundwasser

Die Temperatur des Grundwassers liegt selbst an kalten Tagen bei etwa 10°C. Es eignet sich mit einer Wasser-Wärmepumpe hervorragend als Wärmequelle, sofern Temperatur und Qualität stimmen, es ausreichend vorhanden und nicht zu tief gelegen ist.
Bei dieser Technik pumpt ein Förderbrunnen das Wasser an die Oberfläche, wo die thermische Energie anteilig durch die Wärmepumpe entzogen wird. Daraufhin gelangt das Wasser über einen sogenannten Schluckbrunnen wieder zurück in den Grundwasserspeicher. Mit dieser Methode ist es zudem möglich, in warmen Jahreszeiten energiesparend zu kühlen. Aufgrund der konstanten Temperaturen sind diese Anlagen noch dazu hocheffizient. Der Einsatz von Grundwasser als Wärmequelle bedarf diversen Genehmigungen und ist mit einem hohen Planungsaufwand verbunden. Neben diesem Aufwand benötigt dieses Heizsystem auch einen großen Anteil Hilfsenergie, weshalb sich diese Grundwasserheizung primär für größere Objekte lohnt, die einen hohen Heiz-/Kühlbedarf haben.

 

Wärmepumpen – Wärmequelle Luft

Luft- und/oder Wasser-Wärmepumpen arbeiten bei hohen Außentemperaturen besonders effizient. Doch auch im Winter können diese Systeme für die Beheizung von Räumen oder für die Wasserbereitung genutzt werden. Die Anlage kann als Wärmelieferant dienen, solange der Siedepunkt des jeweils verwendeten Kältemittels unter der Außentemperatur liegt. Allerdings benötigen diese Heizsysteme insbesondere bei einem höheren Heizbedarf, etwa im Winter, mehr Antriebsenergie. Die Installation von Luft/Wasser-Wärmepumpen ist sowohl innen als auch außen möglich und mit relativ geringen Investitionskosten verbunden.

 

Wärmepumpen mit der Wärmequelle Abluft

Bei Abluft handelt es sich, ähnlich wie bei Erdreich und Grundwasser, um eine Wärmequelle, die ganzjährig ein relativ konstantes Temperaturniveau aufweist. Abluft-Wärmepumpen können die thermische Energie nutzen, die durch die Raumluft mit dem Wärmeverteilsystem (Flächenheizungen, Heizkörper), durch Elektrogeräte oder Körperwärme aufgenommen wird. Beim Lüften geht meist viel Energie verloren. Mit einer kontrollierten Wohnungslüftung, Wärmerückgewinnung und einer Abluft-Wärmepumpe kann diese verlorene Energie jedoch wiederverwendet werden.

 

Wärmepumpen - Solar-Eisspeicher

Unter einem Solar-Eisspeicher versteht man eine Betonzisterne, die in der Erde vergraben und mit Wasser gefüllt ist. Innerhalb dieser Zisterne befinden sich Leitungen, durch die eine frostsichere Flüssigkeit fließt. Diese entzieht dem Wasser im Speicher Wärme – die Energiegewinnung ist selbst dann möglich, wenn die Wassertemperatur unterhalb des Gefrierpunktes liegt.
Während des Gefrierprozesses kommt es zur Freisetzung der Kristallisationswärme. In dieser Phase setzt das Wasser besonders viel Energie frei, bis es gänzlich erstarrt. Mit der abgegebenen Wärme wäre es möglich, die gleiche Wassermenge von 0 auf 80°C zu erhitzen.
Durch eine einfache Solarthermie auf dem Dach wird das Reservoir des Eisspeichers stetig wieder aufgefüllt. Zudem bezieht der Speicher auch konstant Wärme aus dem Erdboden. Dieses System eignet sich nicht nur als Heizung, sondern auch für die ganzjährige Warmwasserbereitung sowie zur Kühlung von Gebäuden im Sommer. Hierfür kann die Wärme aus dem Inneren des Gebäudes im Speicher zwischengelagert werden und steht zu einem späteren Zeitpunkt wieder als Heizenergie zur Verfügung.

 

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