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Schematische Darstellung einer Wärmepumpe: 1 ist der Verflüssiger, 2 ist die Turbine (eventuell eine Drossel), 3 ist der Verdampfer, 4 ist der Verdichter.

EIN Wärmepumpe ist ein Gerät Welche Wärme bewegt oder sogar "aufgebläht" durch Arbeit. Die bekannteste Form ist a Kühlschrank. Aber wenn von einer Wärmepumpe gesprochen wird, ist fast immer eine Wärmepumpe gemeint, die zum Heizen (oder Kühlen) von Gebäuden installiert werden muss. Mit einer Wärmepumpe lassen sich Gebäude effizient heizen, jedoch ist die Leistung unter anderem durch die Größe der Anlagen und den abnehmenden Wirkungsgrad bei einer höheren notwendigen Verflüssigertemperatur begrenzt. Eine gute Dämmung ist daher für jedes System notwendig.

Anwendungen

Wärmepumpen bei Mietobjekten in Wörden

Eine Wärmepumpe in Haushaltsgeräten kommt im Kühl- und Gefrierschrank vor, aber auch im Wäschetrockner. Im Wohnungs- und Nichtwohnbau wird die Wärmepumpe zum Heizen und Kühlen von Räumen und im Wohnungsbau zur Erzeugung von Warmwasser verwendet. In dieser Anwendung wird die Wärmepumpe als nachhaltige Energieform verstanden, bei der niedrigtemperierte Umgebungswärme aus dem Erdreich oder der Luft zu Heizzwecken auf höherer Ebene genutzt wird. Wird das Erdreich als Quelle für die Wärmepumpe genutzt, handelt es sich bei größeren Büroanwendungen oft um Wärme- und Kältespeicherung mit offenen Erdquellen und zunehmend mit geschlossenen Quellen. Die Niederlande sind sehr innovativ, insbesondere im Bereich der Anwendung im Wohnungsbestand.^[Quelle?] Neue Produkte wie die Hybridwärmepumpe, Lüftungswärmepumpe und Booster-Wärmepumpe können als typisch niederländische Innovationen angesehen werden, die in Europa zunehmend nachgeahmt werden.

Auch im Gewächshausgartenbau werden Wärmepumpen häufig eingesetzt. Auch hier gelten Wärmepumpen als nachhaltig. In der Industrie mit großen Projekten in der chemischen Industrie und starkem Wachstum in der Lebensmittelindustrie ist die Wärmepumpe eine kostensparende Option. Eine weitere häufige Anwendung ist in Kühlschränke, wo die Wärmepumpe dazu verwendet wird, dem Raum im Schrank Wärme zu entziehen und ihn so zu kühlen. Bei dieser Art von Anwendung ist die Wärmepumpe Kühler erwähnt. Der Raum außerhalb des Kühlschranks wird beheizt, sodass auch Wärmepumpen zur Raumheizung genutzt werden können.

Arbeitsprinzip

Alle Arten von Wärmepumpen benötigen einen niedrigen Temperatur Wärme, die bei hohen Temperaturen wieder abgegeben wird. Laut der Zweites Gesetz des Thermodynamik geschieht nicht von selbst, so dass irgendeine Form von Arbeit muss angepasst werden.

Die gängigsten Arten von Wärmepumpen arbeiten, indem sie eine Flüssigkeit bei einer niedrigen Temperatur verdampfen und den Dampf bei einer hohen Temperatur kondensieren. Im ersten Fall muss es Siedepunkt also im zweiten Fall verringert und/oder erhöht werden. Der Siedepunkt kann angehoben werden durch Druck um a . erhöhen Kompressor (Pumpe), andererseits kann der Siedepunkt durch Absenken des Drucks in einer Turbine oder (meist) wieder abgesenkt werden. Drosselklappe.

Das Ganze aus Verdampfung, Kompression, Kondensation und Expansion bildet ein geschlossenes Zyklus für die zirkulierende Kältemittel, das thermodynamischer Kreislauf, aber nicht für Wärme und Arbeit: Netz wird dem System (im Kompressor) zugeführt und Wärme wird aus dem Verdampfer zum Kondensator. Außerdem wird zusätzliche Wärme erzeugt Klang und Infrarotstrahlung; diese unerwünschten Nebenprodukte heißen Verlust und auf Kosten der Effizienz.

Energie wird benötigt, um die Niedertemperaturenergie aus dem Boden oder der Umgebungsluftenergie auf ein höheres Niveau zu bringen. Die Effizienz einer Wärmepumpe wird mit dem englischen Begriff . ausgedrückt Leistungszahl (POLIZIST). Je nach Zweck der Wärmeübertragung gibt es zwei Arten. Wenn Heizen das Ziel ist, schreibt man COP_ha. mit einem h für Hitze. Es ist die zugeführte Nutzwärme (die verdrängte Wärme plus die der zugeführten Arbeit entsprechende Wärme) dividiert durch die der zugeführten Arbeit entsprechende Wärme. Der Wert ist also größer als 1.^[1] Wird die Arbeit beispielsweise mit Strom erbracht, ist die Wärmezufuhr pro kWh also höher als bei einer Elektroheizung, dh es werden weniger kWh für die gleiche Wärmezufuhr benötigt. Bei Verwendung von graue Macht ist das CO₂Die Emissionen einer Wärmepumpe sind daher geringer als bei einer Elektroheizung. Wenn Kühlung das Ziel ist, wird COP geschrieben. Es ist die abgeführte Wärme geteilt durch die der geleisteten Arbeit entsprechende Wärme.

Der COP erreicht je nach Anwendung Werte von 4,0 bis 4,6 und liegt damit an zweiter Stelle hinter dem BHKW (oder Mikro-BHKW) mit einem COP von 9.^[2]

Thermischer Antrieb

EIN Absorptionswärmepumpe ist eine Wärmepumpe, die ohne Kompressor arbeitet, teilweise sogar ohne bewegliche Teile (außer natürlich die strömende Flüssigkeit). Solche Wärmepumpen finden sich beispielsweise in gasbetriebenen Kühlschränken für Camping. Eine andere Art von Wärmepumpe ist die Adsorptionswärmepumpe. Eine Adsorptionswärmepumpe basiert auf der gleichen Technik wie eine Absorptionswärmepumpe, nur dass die Adsorptionswärmepumpe mit einem Feststoff arbeitet, während die Absorptionswärmepumpe mit einer Flüssigkeit arbeitet.

EIN Peltier-Element wandelt elektrischen Strom bei einer Temperaturdifferenz direkt in einen Wärmestrom um.

Geschichte

Die erste Wärmepumpe wurde bereits Anfang des 20. Jahrhunderts installiert Zürich wurde in Betrieb genommen, aber es war kein Erfolg. Wenn im siebziger Jahre Als im 20. Jahrhundert die Energiekrise ausbrach, galt die Wärmepumpe als potenzieller großer Energiesparer. Es war also viel Forschung zu möglichen Varianten gemacht. Dies führte unter anderem zu der Gaswärmepumpe die, wie der Name schon sagt, auf Erdgas funktioniert. Dies wäre eine gute Anwendung für die damals aufstrebende Erdgasindustrie gewesen.

Aufgrund des starken Rückgangs der Energiepreise im Jahr 1985 wurden die meisten Studien jedoch eingestellt. Die Wärmepumpenindustrie stellte sich plötzlich als nicht mehr heraus profitabel. Erst 1990 wurde den Politikern klar, dass nicht so sehr die Erschöpfung der Energievorräte das Problem war Umgebung der steigenden Schadstoffbelastung nicht mehr gewachsen war. Dies entfachte die Debatte um alternative Energiequellen und damit auch die Erforschung der Wärmepumpe. Dies wurde teilweise durch steigende Energiepreise und den damit verbundenen finanziellen Nutzen unterstützt.

Eines der Probleme war die gebrauchte Kältemittel. Es stellte sich heraus, dass die zuvor verwendeten Agenten giftig und trage dazu bei Verschwinden der Ozon-Schicht und zu den befestigten Treibhauseffekt. Ein großes Problem bei der Auswahl neuer Agenten war die Interaktion mit den verwendeten Schmiermittel. Zu den Nachfolgern zählen: CO₂ und alkane (Propan und Isobutan).

Im Moment ist die Vermarktung einiger Projekte ist in vollem Gange, so dass der Selbstkostenpreis der Anlagen gesenkt wird. Dies kann zusammen mit einem Anstieg der Energiepreise zu einer kürzeren Amortisationszeit führen. Dennoch suchen die Forscher weiterhin nach neuen Techniken, um den großen Durchbruch zu erzielen.

Technik

Der Betrieb einer Kältemittel-Wärmepumpe entspricht im Wesentlichen dem einer Kühlschrank. In einem Kühlschrank ist die Verdampfer Den zu kühlenden Produkten wird Wärme entzogen, die über die Kondensator an die Außenluft abgegeben. In einer Wärmepumpe wird diese Wärme aus Elementen der Umgebung (Unterseite, Himmel, Wasser...) und dem Heizsystem zugeführt. Der Kreislaufprozess des Kältemittels erfolgt nach einfachen physikalischen Gesetzen. Es Kältemittel, eine bereits bei niedriger Temperatur siedende Flüssigkeit, läuft im Kreis und wird nacheinander successive verdampft, komprimiert, kondensiert und erweitert.

Abbildung 2: Temperatur-Entropie-Diagramm

Druckerhöhung im Kompressor

Im ersten Schritt wird das gasförmige Kältemittelkomprimiert, normalerweise in a Scroll-Kompressor. Die Temperatur steigt über die des zu beheizenden Raumes. Der heiße Dampf strömt zum Kondensator.

Wärmeabgabe im Kondensator

In dem Kondensator (Kühler) kondensiert der Dampf an der relativ kalten Wand und gibt dabei Wärme ab. Die Temperatur, bei der dies geschieht, hängt vom Druck ab: Je höher der Druck, desto höher der Siedepunkt. Die Flüssigkeit wird am Boden des Behälters abgelassen und fließt dann in einen Drosselklappe.

Druckentlastung

In der Drosselklappe oder Druckreduzierventil die Flüssigkeit fließt durch eine schmale Öffnung, hinter der der Druck deutlich geringer ist.

Wärmeaufnahme aus der Umgebung

In dem Verdampfer der Druck ist geringer, so dass die Flüssigkeit zum Sieden kommt. Die dafür benötigte Wärme wird der Umgebung entzogen. Die Temperatur, bei der dies geschieht, hängt vom herrschenden Druck ab, der durch die Saugwirkung des Kompressors niedrig gehalten wird.

In der Technik wird oft zwischen Wärmepumpen und Kältemaschinen unterschieden. Wärmepumpen werden eingesetzt, um Wärme zurückzugewinnen oder beispielsweise ein Haus zu heizen. Chiller werden verwendet, um Räume zu kühlen. Das Prinzip ist jedoch das gleiche.

Systeme

Für die Wärmepumpe gibt es verschiedene Systeme; die Wahl des Systems hängt von der Situation ab; auch zwischen den verschiedenen Wärmepumpen gibt es große Effizienzunterschiede. Einige Systeme sind:

Luft-Luft-Wärmepumpe

Bei Luft-Luft-Wärmepumpen wird die Wärme wie bei einer Luft-Wasser-Wärmepumpe der Außenluft entzogen, so dass der Wirkungsgrad von der Außentemperatur abhängt. Tatsächlich ist eine Luft-Luft-Wärmepumpe ein Klimaanlage wobei Verdampfer und Verflüssiger durch Umschalten eines Ventils umgeschaltet werden können. Viele Klimaanlagen werden daher mit Spezifikationen zum Heizen verkauft. Die Investitionskosten dieses Typs sind im Vergleich zu anderen Wärmepumpentypen relativ gering, insbesondere wenn ohnehin eine Klimaanlage installiert werden muss. Außerdem kann die erforderliche „Hebe“-Wärme durch den Einsatz eines Luftgebläses geringer sein als bei der Verwendung von (Niedertemperatur-)Heizkörpern wie beispielsweise bei einer Luft/Wasser-Wärmepumpe. Dies kommt der Rendite zugute (COP-Wert). Der Nachteil ist, dass der Staat Luft/Luft-Wärmepumpen nicht subventioniert. Das für dieses System notwendige Luftgebläse hat auch in seiner Funktion als Klimatisierung bei Temperaturen wie 25 Grad einen angenehmen (kühlenden) Effekt. Aber möglicherweise weniger in seiner Heizfunktion bei beispielsweise nur 18 Grad. Im Gegensatz zur Klimafunktion entsteht bei der Heizfunktion kein Kondenswasser, was das Risiko von Krankheitserregern wie z Legionellen ist viel kleiner. In den 2010er Jahren investiert die Industrie weltweit massiv in eine völlig neue Generation von Luftwärmepumpen, die zuverlässig und effizienter werden.

Es gibt zwei Systeme. EIN einzelner Block wenn Kühler und Heizung in einem Gerät sind und daher in ein Loch in der Wand oder a . eingebaut werden müssen geteilter Block wo das Luftgebläseteil im zu heizenden/kühlenden Raum und der Verdampfer (in Heizfunktion) außerhalb platziert werden muss. Diese müssen durch (isolierte) Kupferrohre zwischen Verdampfer und Verflüssiger miteinander verbunden werden. Der Kompressor befindet sich im Innenteil, so dass bei der Heizfunktion nur geringe Verlustwärme entsteht.

Bei einer Luft-Luft-Wärmepumpe wird keine Außenluft (z Holzöfen von den Nachbarn). Denn die Wärme wird durch Kupferrohre zwischen Verdampfer (außen) und Verflüssiger (innen) (im Heizbetrieb) transportiert. Die Luftansaugung von außen erfolgt nur bei einer Lüftungswärmepumpe (meist Luft/Wasser-Wärmepumpe).

Luft/Wasser-Wärmepumpe

Bei Luft/Wasser-Wärmepumpen wird der Luft die Energie entzogen und auf eine höhere Temperatur gepumpt. In diesem Fall wird die Wärme auf Wasser übertragen. Dies ist ein ideales System zum Heizen eines Hauses. Das Wasser muss in der Regel nur auf 38 °C erwärmt werden, wodurch durch die niedrige Verflüssigertemperatur ein höherer COP-Wert erreicht werden kann. Auch bei dieser Sorte ist der Ertrag weniger günstig, sobald es draußen gefriert, aber immer noch ausreichend, um das Haus warm zu halten. Darüber hinaus ist mit einigen Luft/Wasser-Wärmepumpen auch eine Kühlung möglich. Das erhöht den Wohnkomfort.

Wasser/Wasser-Wärmepumpe

Bei Wasser/Wasser-Wärmepumpen wird die sogenannte „kostenlose“ Wärme aus Wasser, über ein Wärmepumpenpanel auf dem Dach oder mit Hilfe von Wasser aus dem Erdreich gewonnen. Für alle diese Typen gilt: Je größer die Wärmetauscherabmessungen, desto besser die Effizienz der Anlage. Es gibt verschiedene Möglichkeiten.

Darstellung eines vertikalen Kollektors. 1 ist der Anschluss, 2 ist das Erdreich, 3 ist die Umgebungswärme, 4 ist der kalte Teil des Kollektors, 5 ist der warme Teil des Kollektors

PVT-Wärmepumpenpanel auf dem Dach

Das PVT-Wärmepumpenpanel kombiniert ein Solarpanel (PV) mit einem Wärmetauscher (T). Ein gut sortiertes Wärmepumpenpanel liefert ausreichend Quellenergie für eine vollelektrische Wärmepumpenheizung.

Pumpen von Wasser aus einem Fluss oder See (Aquathermie)

Befindet sich der zu beheizende Raum neben einem Wasserlauf oder See, kann Wasser daraus gepumpt, durch die Wärmepumpenanlage geleitet und wieder zurückgeführt werden entlassen einbiegen in. Hier muss auf ein gutes Filter. Bei Hausbooten ist es oft möglich, einige hundert Meter PE-Schlauch unter die Arche zu hängen, so dass keine Filter benötigt werden (geschlossenes System). Die Rendite ist relativ hoch, da a Fluss oder Mehr friert normalerweise nicht vollständig ein und die Temperatur sinkt normalerweise nicht unter 4 °C. Außerdem wird wenig Strom zum Umpumpen des Wassers benötigt und es kommt zu keiner Erschöpfung des Mediums, da es ständig ersetzt wird.

Vertikaler Erdwärmetauscher (geschlossenes System)

In diesem Fall wird ein Brunnen gebohrt. Die Tiefe hängt von der Größe des Heizelements ab Oberfläche. In diesem Brunnen kann Wasser durch U-förmige Rohre fließen. Das Wasser nimmt die Wärme aus den tiefen Bodenschichten auf und wird wieder nach oben gepumpt. Im Wärmepumpensystem wird die Temperatur dann wieder auf eine nutzbare Temperatur angehoben. Die Abmessungen dieses Wärmetauschers und die Art des Bodens, in dem er platziert wird, bestimmen maßgeblich die Effizienz der Installation. Überdimensionierung zahlt sich auf Dauer immer aus. Unterdimensionierte Bodenschleifen sind die häufigste Ursache für Fehlfunktionen oder Fehlfunktionen der Wärmepumpe.

Tatsächlich leitet die Wärmepumpe die Kälte aus dem Haus durch die Bodenschleifen in den Untergrund. Dadurch wird der Boden gekühlt. Wenn diese gegen Ende der Heizperiode mehr als ein paar Grad beträgt, wird der Boden „ausgeschöpft“. Dies führt zu einer Verringerung der Effizienz. Besteht der Boden rund um die Schleifen aus grobem Sand und Kies mit beweglichem Grundwasser, erholt sich die Quelle im Sommer von selbst. Wenn jedoch mehrere Wärmetauscher dicht beieinander platziert werden oder der Untergrund relativ gut dämmt und das Grundwasser wenig mobil ist, wird der Boden jedes Jahr etwas kälter, wodurch der Ertrag Jahr für Jahr weiter sinkt. Es kann dann notwendig sein, im Sommer Außenwärme oder Sonnenwärme zu ernten und so das Erdreich um den Wärmetauscher herum zu „regenerieren“ (zu erwärmen). Oder Sie müssen tiefer bohren, bis Sie sich mit den neuen Schlaufen in einem gröberen Boden befinden.

Damit sich der Boden nicht erschöpft, muss er richtig dimensioniert werden. Um die richtige Länge zu bestimmen, muss man ISSO 73 verwenden; dieser enthält die Bedingungen für die Berechnung.

Dieser ISSO-Standard hat einen wichtigen Tabelle^{[toter Link]} wo ein Wert anhand der aus dem Boden entnehmbaren Betriebsstunden abgelesen werden kann. Es gibt auch Korrekturen für die spezifischen Bodenarten und den Prozentsatz der Verjüngung. Liegt keine Betriebsstundenangabe vor, müssen 2000 Stunden eingehalten werden und 500 Stunden für die Warmwasserbereitung, also insgesamt 2500 Stunden. In der Praxis ist dieser zwischen 20W/m und 25W/m fast nie höher. Bedenken Sie, dass ein gut funktionierendes Erdungssystem maßgeblich die Effizienz der Wärmepumpe bestimmt.

Wärme aus dem Grundwasser gewinnen (offenes System)

Grundwasserbrunnen bohren

Normalerweise werden zwei Brunnen gebohrt. Einer pumpt aus einem Grundwasser aus dem die Wärme gewonnen wird. In der anderen wird das Kaltwasser abgelassen. Die Einleitung des Kaltwassers in die Kanalisation oder Oberflächenwasser ist nicht zulässig. Dieses System hat oft eine höhere Effizienz als das vorherige, aber die Selbstkostenpreis der Installation ist natürlich viel höher, da auch ein zweiter Brunnen gebohrt werden muss. Der Ertrag hängt auch stark von der Bodenart ab, auf der die Anlage platziert wird.

Dieses System hat große Vorteile, wenn das Haus oder Gebäude auch gekühlt werden muss. Im Winter wird warmes Grundwasser aufgepumpt; weil ihm Wärme entzogen wird, kühlt es ab. Im anderen Brunnen wird dieses abgekühlte Grundwasser wieder gespeichert, um es im Sommer zur Gebäudekühlung daraus entnehmen zu können. Dadurch erwärmt sich das Grundwasser wieder, diese Wärme kann im ersten Brunnen wieder gespeichert und im Winter genutzt werden. In den Niederlanden ist auch für diesen Typ eine Genehmigung erforderlich, wenn maximal mehr als 10 m²³/h kann aufgepumpt werden. Moderne, gut gedämmte Bürogebäude leiden oft mehr unter der Hitze der Sonne als unter der Kälte. Dadurch geben sie im Sommer oft viel mehr Wärme in den Brunnen ab, als sie im Winter zum Heizen benötigen. Dadurch entsteht oft ein Ungleichgewicht, das sich negativ auf Rücklauf und Heizkosten auswirkt. Die niederländische Regierung wird verpflichten, solche Anlagen wieder ins Gleichgewicht zu bringen. Lösung: Im Winter freie Kälte von außen ernten und in der Kältegrube lagern.

Normalerweise müssen solche Wärmequellen regelmäßig (zweimal im Jahr) mit einer sehr leistungsstarken Pumpe gespült werden.

Ein kleiner Teil dieser Systeme funktioniert nicht, meist weil der Brunnen viel weniger Wasser liefert als erhofft. Das System benötigt dann viel Pumpenergie und der Brunnen speichert weniger Wärme als geplant. Manchmal kann eine professionelle Spülung helfen. Manchmal muss nachgebohrt werden. Bei kleinen Projekten (weniger als zehn Häuser) wirken sich mitunter auch die relativ hohen Stromrechnungen der Grundwasserpumpe auf die Effizienz aus.

Horizontaler Erdwärmetauscher (geschlossenes System)

horizontaler Kollektor

Dabei handelt es sich um ein großes Rohrnetz unter dem Garten aufgebaut. Es wird eine große Fläche benötigt: etwa dreimal so groß wie die zu beheizende Fläche. Der COP ist auch stark saisonabhängig, da die Rohre meist nur 70 cm bis 1,5 m unter der Erde. Wenn der Winter lang und kalt ist, haben solche Systeme oft einen sehr schlechten Wirkungsgrad. Wenn der Garten bereits angelegt ist, besteht noch die Möglichkeit, horizontal zu bohren. Das erhöht natürlich die Kosten. Zu beachten ist auch, dass über dem Kollektor keine tiefwurzelnden Pflanzen platziert werden dürfen.

Erforderliche Grundfläche

Je nach Leistung der Wärmepumpe und Bodenart kann die Kollektorfläche abgeschätzt werden. Die aus den tieferen Schichten aufsteigende Wärme ist als Wärmequelle für die oberen Schichten vernachlässigbar. Die nutzbare Wärmemenge und damit die Größe der benötigten Fläche hängen stark von den thermophysikalischen Eigenschaften des Bodens und von der Strahlungsenergie.

Die thermischen Eigenschaften wie volumetrische Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit hängen stark von der Zusammensetzung und Beschaffenheit des Bodens ab. Einfach ausgedrückt: Je mehr Wasser der Boden enthält, desto mehr mineralische Bestandteile und je kleiner die Poren, desto besser sind die Speichereigenschaften und die Wärmeleitfähigkeit. Wasser hat eine relativ große Wärmekapazität, so dass in nassen Böden beim Einbau einer Wärmepumpe mit Kollektor weniger Fläche benötigt wird.

Eine Möglichkeit, einen feuchteren Boden zu erhalten, besteht darin, tiefer zu graben. Dies erhöht natürlich die Platzierungskosten. Darüber hinaus muss die Erschöpfung des Bodens berücksichtigt werden. Nach einem ganzen Heizwinter kühlt der Boden ab, so dass weniger Wärme entzogen werden kann.

Die Extraktionskapazitäten (qe) des Bodens liegen zwischen 10 und 35 W/m². Hier sind einige Extraktionskräfte für die verschiedenen Böden.

Beispiel

Angenommen, ein Haus mit feuchtem Lehmboden als Bodentyp; wir verwenden daher eine Absaugleistung von 25 W/m². Wir nehmen keine 30 W/m², da im Laufe der Heizperiode durch die Bodenverarmung weniger Energie im Boden vorhanden ist.

Zusammen mit dem Wärmebedarf des Hauses bestimmt dies die benötigte Grundfläche. Die erforderliche Grundfläche wird anhand der Kälteleistung (Qk) der Wärmepumpe berechnet. Die Kühlleistung ist die Differenz zwischen der Heizleistung der Wärmepumpe und der aufgenommenen Leistung aus dem Netz (Pwp).

Betrachten wir eine Wärmepumpe mit einer Heizleistung (Qwp) von 10,8 kW, die die Eigenschaft hat, dass sie 2,4 kW aus dem Netz bezieht, also eine Wärmepumpe mit einem COP von 4,5.

Qk=Qwp-Pwp=10,8-2,4=8,4 kW

Die Kühlleistung beträgt somit 8,4 kW

Die benötigte Bodenfläche wird berechnet, indem die Kühlleistung der Wärmepumpe durch die Entnahmeleistung des Erdreichs geteilt wird.

Hier wird es 84 00/25=336 m²

Wir schließen daraus, dass in diesem Beispiel ein Kollektor mit einer Größe von 336 m² benötigt wird.

Erforderliche Stromkreise des Kollektors ermitteln

Jetzt kennen wir bereits die erforderliche Fläche, aber es ist auch wichtig, die Länge der erforderlichen Rundgänge in dieser Fläche zu bestimmen. Die Rohre werden in Rohrkreisen mit einer maximalen Länge von 100 m verlegt. Diese Länge wird gewählt, da sonst ein zu großer Druckverlust durch die Rohre entsteht Die Anzahl der Kreisläufe hängt hauptsächlich vom verwendeten Rohrtyp ab.

Beispiel

Angenommen, wir verwenden Rohre aus PE 25 x 2,3. Dies sind Rohre mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Wandstärke von 2,3 mm. In Tabellen ist zu entnehmen, dass diese Rohre die Eigenschaft haben, dass man die 2x Rohrlänge der benötigten Erdoberfläche benötigt. Diese Werte werden experimentell ermittelt.

Wir verwenden die notwendige Grundfläche aus dem vorherigen Beispiel, nämlich 336 m².

336*2=672m

Wir stellen fest, dass wir ca. 672 m Rohre benötigen.

Wir können nun leicht die Anzahl der Rundgänge ermitteln, indem wir die Anzahl der Meter durch 100 (die Länge jedes Rundgangs) teilen, also benötigen wir 6,72 Runden. In Wirklichkeit werden wir also 7 Schaltungen verwenden.

Lizenz

Die Niederlande

Mit der Einführung des Änderungsverordnung über Bodenenergiesysteme am 1. Juli 2013 sind in den Niederlanden aufgrund von Erfahrungen in den Niederlanden sowohl für ein offenes als auch für ein geschlossenes System eine Genehmigung und eine Anzeige bei der Regierung erforderlich Staufen im Breisgau wo sich das Stadtzentrum um 12 cm erhob^[3] durch Klopfen eines Überdrucks Grundwasserleiter.

Obm-Lizenz

Für geschlossene Systeme mit einer Leistung von mehr als 70 kW kann zusätzlich eine Umweltgenehmigung für eine eingeschränkte Umweltprüfung (obm-Genehmigung) erforderlich sein.^[4]. Anschließend wird das System in das Nationale Grundwasserregister (LGR) eingetragen und ist nach 24 Stunden auf WKOtool sichtbar.^[5] Liegen Wärmepumpensysteme in einer Umgebung zu nahe beieinander, kann sich dies negativ auf die Effizienz der Anlagen auswirken.

Wasserrecht

Open-Source-Systeme benötigen eine Genehmigung der Provinz nach dem Wassergesetz. Bis zum 22.12.2009 war diese Erlaubnis aufgrund des mit Inkrafttreten des Wassergesetzes ausgelaufenen Grundwassergesetzes erforderlich.

Betriebsarten

Monovalenter Betrieb

Mit diesem System ist das ganze Haus ausschließlich von der Wärmepumpe beheizt. Es gibt keine zusätzlichen Heizungen. Daher ist es sehr wichtig, dass die Wärmepumpe dimensioniert ist. Es muss sichergestellt werden, dass immer genügend Wärme zur Verfügung steht, aber eine überdimensionierte Wärmepumpe kann schnell teuer werden. Auch der ständige Bedarf an heißem Leitungswasser muss berücksichtigt werden. Für diese Betriebsart eignet sich besonders der Typ Wasser/Wasser.

Monoenergetischer Effekt

Die Wärmepumpe liefert den größten Teil des Wärmebedarfs, wird aber bei sehr kaltem Wetter von einem elektrisch angetriebener Wärmeerzeuger wie ein Widerstand. In den meisten Anlagen werden 70 bis 80 % der benötigten Wärmekapazität geschätzt. Der Anteil an der jährlichen Heizleistung der Wärmepumpe liegt bei 92 bis 98 %. Hier ist eine weniger hohe Mahnung Investition in der Wärmepumpe benötigt, im Vergleich zu einer Wärmepumpe mit monovalentem Betrieb.

Bivalent-paralleler Betrieb

Das Wärmepumpensystem wird im Heizbetrieb durch einen zusätzlichen Wärmeerzeuger ergänzt. (Heizöl- /Gas Boiler). Die Heizleistung der Wärmepumpe wird dann mit 50 bis 70 % des Wärmebedarfs des Hauses berechnet. Der Anteil der Wärmepumpe an der jährlichen Heizleistung liegt zwischen 72 und 90 %. Das ist besonders günstig mit Renovierungsarbeiten mit vorhandener Heizungsanlage.

Bivalent-alternativer Betrieb

Die Wärmepumpe wird das Haus bis zu einer bestimmten minimalen Außentemperatur vollständig heizen. Ist die Außentemperatur zu niedrig, wird die Wärmepumpe komplett abgeschaltet und das Haus durch ein anderes Heizsystem beheizt. Dies ist besonders bei Luft/Wasser-Wärmepumpen üblich, da diese eine niedrige a Effizienz bei niedrigen Außentemperaturen.

Vor-und Nachteile

Leistungen

• Keine Öl- oder Gaskosten
• Weniger CO₂-Emissionen (Wenn der benötigte Strom nicht überwiegend aus Kohle erzeugt wird.)
• Kein Schornstein erforderlich
• Keine Speicherung von Heizöl erforderlich
• Kann auch als Kühlung bei zu hohen Innentemperaturen dienen
• Kann in industriellen Prozessen zur Wiederverwendung von Restwärme verwendet werden
• Bodenregeneration im Sommer mit Boden/Wasser-Wärmepumpen (passive Kühlung)
• Geringe Wartungskosten
• Prämien
• Erhöht den Eigenverbrauch
• Reduzierung der EPBD des Hauses

Nachteile

• Lärmbelästigung durch das Außengerät (Kompressor)
• Große Investition
• Größere Abmessung von Heizkörpern oder Fußbodenheizung erforderlich
• Die Erwärmung erfolgt bei niedrigeren Temperaturen und ist daher langsamer, oder es müssen Radiatoren mit eingebauten Lüftern verwendet werden gebruikt
• Der horizontale Kollektortyp erfordert eine große Fläche, andere Systeme erfordern einen bestimmten Standort
• Genehmigungen sind erforderlich
• Die Erweiterung eines Hauses erfordert zusätzliche Leistung der Wärmepumpe, die diese nicht liefern kann, da sie genau auf den aktuellen Wärmebedarf berechnet wird.^[6]
• Anlagen mit elektrischem Nachspeisesystem für den Fall, dass die Wärmequelle (Erde, Wasser oder Luft) nicht genügend Wärme liefert oder eine Störung der Wärmepumpenanlage vorliegt, verursachen aufgrund des geringen Wirkungsgrades hohe Stromkosten.^[6]

Effizienz

Mit einem COP von 4,2 bis 4,6 liegt die Wärmepumpe an zweiter Stelle hinter dem kombiniert Wärme und Kraft (oder Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung) mit einem COP von 9.^[2]

Eine typische Eigenschaft von Wärmepumpen ist, dass mit einer gewissen Energiemenge in Form von Arbeit, kann mehr Wärmeenergie verdrängt werden als geleistete Arbeit. Dadurch können sie einen COP (Coefficient Of Performance) von mehr als 100 % aufweisen. Dieses Konzept wurde erstellt, um die verschiedenen Wärmepumpen vergleichen zu können. Er darf keinesfalls mit einem thermodynamischen Wirkungsgrad verglichen werden, der sich auf die Umwandlung der Wärmeenergie in Arbeit, nicht deren Verdrängung. Dieses Konzept wird später in diesem Artikel ausführlicher erörtert.

Die Arbeit des Kompressors ist erforderlich, um das Kältemittel gegen die Druckdifferenz zwischen Verflüssiger und Verdampfer zu pumpen. Je größer diese Druckdifferenz ist, desto mehr Arbeit muss der Kompressor für die gleiche Menge an verdrängtem Kältemittel (und damit verdrängter Wärme) leisten. Die Druckdifferenz hängt mit der Temperaturdifferenz zwischen Verflüssiger und Verdampfer zusammen. Diese Temperaturdifferenz muss daher für eine möglichst hohe Ausbeute möglichst klein sein. Ein Teil der Temperaturdifferenz liegt zwischen der des Verdampfers und der Umgebung bzw. des Kondensators und des zu beheizenden Raums. Um diese Unterschiede zu minimieren, verfügen Verflüssiger und Verdampfer über eine große Oberfläche und nach Möglichkeit einen Ventilator.

Das rechte T,s-Diagramm zeigt die beiden Teilprozesse, die die thermodynamischen Verluste verursachen, nämlich die Expansion in der Drosselklappe und die Abkühlung des Heißgases im Kondensator. Im ersten Fall wird mechanische Energie direkt in Wärme umgewandelt, im zweiten Fall werden zwei Reservoire unterschiedlicher Temperatur vermischt. Thermodynamisch besser (aber technisch schwierig) wäre es, den Druckabbau in a Turbine oder ein Zylinder mit Kolben, der die Verdrängung des Kolbens als Arbeit nutzt, bzw. dem Verdichter ein Gemisch aus Flüssigkeit und Dampf so zuführt, dass am Ende des Verdichtungshubs die gesamte Flüssigkeit gerade verdampft ist.

Leistungszahl

das "Leistungszahl" POLIZIST ist definiert als die Verhältnis zwischen dem ausgegebenen Betrag Wärme gegenüber der konsumierten Menge Energie inklusive Wärmepumpe. Diese Energie wird vom Kompressor in der Wärmepumpe genutzt.

Das theoretische Maximum der POLIZIST ist deshalb: ${displaystyle COP={frac {|Q|}{W}}}$

Hier ist Q die nutzbare Menge Wärme vom Verflüssiger der Wärmepumpe versorgt und W die Summe Energie verzehrt von der Kompressor.

Laut der erster Hauptsatz der Thermodynamik zählt das: ${displaystyle Q_{ ext{warm}}=Q_{ ext{kalt}} W}$. So ${displaystyle W=Q_{ ext{warm}}-Q_{ ext{kalt}}}$, wahr ${displaystyle Q_{ ext{warm}}}$ ist die vom Wärmespeicher abgegebene Wärme und ${displaystyle Q_{ ext{cold}}}$ die im Kältespeicher gespeicherte Wärme.

wenn einer jetzt W aus der Definition durch dieses Ergebnis findet man:

${displaystyle COP_{ ext{heating}}={frac {Q_{ ext{warm}}}{Q_{ ext{warm}}-Q_{ ext{kalt}}}}}$

Weiterhin gilt, dass ${displaystyle {frac {Q_{ ext{warm}}}{T_{ ext{warm}}}}={frac {Q_{ ext{kalt}}}{T_{ ext{kalt}}}}}}$ und ${displaystyle Q_{ ext{koud}}={frac {Q_{ ext{warm}}T_{ ext{koud}}}{T_{ ext{warm}}}}}$, waar ${displaystyle T_{ ext{warm}}}$ en ${displaystyle T_{ ext{koud}}}$ de temperaturen van het warme en het koude reservoir zijn.

Door dit te substitueren in het resultaat voor de COP volgt:

${displaystyle COP_{ ext{verwarming}}={frac {T_{ ext{warm}}}{T_{ ext{warm}}-T_{ ext{koud}}}}}$ (alle temperaturen in kelvin)

net zoals,

${displaystyle COP_{ ext{koelen}}={frac {Q_{ ext{koud}}}{Q_{ ext{warm}}-Q_{ ext{koud}}}}={frac {T_{ ext{koud}}}{T_{ ext{warm}}-T_{ ext{koud}}}}}$

Hieruit volgt weer dat ${displaystyle COP_{ ext{koelen}}=COP_{ ext{verwarming}}-1}$

Beide COP's geven het theoretisch maximale rendement, het zogeheten Carnot-rendement. Dit is het theoretisch maximum omdat niet is rekening gehouden met allerlei verliezen, waardoor het feitelijk rendement slechts 50% tot 70% bedraagt van het theoretisch maximum.^[1]

Het komt erop neer dat voor een hoge COP, en dus voor lage stookkosten, de temperatuur van de vloeistof die uit de bodem wordt opgepompt zo hoog mogelijk moet zijn en dat de temperatuur van het water waarmee het huis verwarmd wordt zo laag mogelijk moet zijn. Dit vraagt om grote of veel warmtewisselaars in de bodem, en veel slangen in de vloerverwarming.

Warmtepompen worden standaard getest met een T-koud van 273, en een T-warm van 308 kelvin (0 respectievelijk 35 graden Celsius). De theoretisch maximale COP is volgens bovenstaande formule dan 7,8. De door TNO gemeten COP is echter bij bijna alle merken tussen 4,2 en 4,6. Dat laat zien dat er nog veel ruimte voor verbetering van het rendement is.

Voorbeeld

Een water/water warmtepomp heeft een COP van 3,5. Dit wil zeggen dat de warmtepomp theoretisch in staat is om 3,5 kWh aan warmte te produceren voor elke kWh die ze uit het elektriciteitsnet haalt. Dit kan men gelijkstellen aan een rendement van 350%. Bij gewone elektrische verwarming heb je slechts een rendement van 100%. Weer willen we duidelijk maken dat dit rendement bekeken is vanuit een economisch standpunt. De warmte die uit de omgeving opgenomen wordt is immers gratis. Volledig thermodynamisch gezien zou het dan ook verkeerd zijn om te zeggen dat we een rendement van meer dan 100% behalen.

De verhouding tussen de gas- en elektriciteitsprijs bepaalt vervolgens wat de bedrijfskosten zijn.

Neem als voorbeeld de productie van 1 GJ warmte met een hoogrendementsketel ten opzichte van een waterwarmtepomp:

• De hoogrendementsketel heeft een gemiddeld rendement van 90% op bovenwaarde
• De water/water warmtepomp heeft een SPF van 3
• De energetische waarde van 1 kWh elektriciteit is 1 kJ/s × 3600s = 3600 kJ = 3,6 MJ
• De energetische waarde (bovenwaarde) van 1 m³ Gronings aardgas bedraagt 35,2 MJ
• De kosten voor 1 kWh elektriciteit bedragen € 0,20
• De kosten voor 1 m³ aardgas bedragen € 0,60

Voor de productie van 1 GJ ofwel 1000 MJ warmte heeft de hoogrendementsketel 1000/0,90 = 1100 MJ aan aardgas nodig, ofwel 1100/35,2 = 31,5 m³ aardgas. De kosten hiervoor bedragen 31,5 × € 0,60 = € 19,00. Voor de productie van 1 GJ ofwel 1000 MJ warmte heeft de warmtepomp 1000/3 = 333 MJ aan elektra nodig, ofwel 333/3,6 = 92,5 kWh.De kosten hiervoor bedragen 92,5 × € 0,20 = € 18,50.

Bij een gasgestookte elektriciteitscentrale met een rendement van 40% is uiteindelijk slechts 333 / 0,40 = 833 MJ ofwel 23,7 m³ aardgas nodig, tegenover 31,5 m³ bij de hoogrendementsketel.

Het voordeel van de warmtepomp zit dus niet zozeer in de grote besparing op stookkosten als wel in de vermeden uitstoot CO₂ en het extra comfort in de vorm van de geboden passieve koeling (koelen van een gebouw met natuurlijke koude uit de bodem). Overigens valt dit CO₂-voordeel weg als de elektriciteit voornamelijk uit kolengestookte centrales komt.

De energiebesparing bij woningen kan worden verhoogd door 's zomers gratis warmte de grond in te pompen voor gebruik in de winter. Een grote lucht/water-warmtewisselaar kan, bij voldoende afmeting eventueel zonder ventilator, op het dak in de wind gezet worden. Zodra de luchttemperatuur hoger is dan de grondwatertemperatuur, kan dit ding al bijdragen aan rendementsverhoging. Ook kan de vloerverwarming op hete dagen zonnewarmte uit de vloeren naar beneden pompen, en daarmee het huis ook nog gratis koelen. Zo wordt het grondwater voorverwarmd, waardoor het rendement van de warmtepomp in de winter flink stijgt. Met deze combinatie van bodem- en zomerluchtwarmte kan de CO₂-uitstoot, en dus de broeikas-bijdrage door gebouwverwarmingen spectaculair dalen.

SPF

Het rendement (COP) aangegeven bij de aankoop van een lucht/water warmtepomp is het theoretische rendement. Dit ligt meestal een stuk hoger dan het reële rendement. Wel is het duidelijk dat er grote verschillen zijn. Als men toch het reële rendement wil weten, gaat men ervan uit dat de COP met 0,4 à 0,7 verminderd moet worden; dit hangt natuurlijk af van het type warmtepomp. Zo wordt bij een bodem/water warmtepomp het rendement opgegeven bij B0/W35 maar bij een goed gedimensioneerde bron zal de temperatuur nooit zakken onder de 0 °C en ligt deze bij het begin van het stookseizoen zelfs op 10 a 12 °C. Buiten een goede warmtepomp is het belangrijk dat de gevraagde vertrektemperatuur (temperatuur van de te verwarmen ruimte) zo laag mogelijk is. Hierdoor worden warmtepompen vaak gecombineerd met vloerverwarming. Het rendement op een stookseizoen bekeken noemt men de SPF (Seasonal Performance Factor).

Aantallen Nederland

Sinds 2016 verstrekt de overheid de ISDE (InvesteringsSubsidie Duurzame Energie), om het verbruik van gas terug te dringen en Nederland te verduurzamen. De subsidie loopt tot en met 31 december 2020.^[7][8]Het aantal warmtepompen in Nederland groeit sinds 2015 in een rap tempo, zo blijkt uit cijfers van het CBS:^[9]

Referenties

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