| Ausgabe 8/2002, Seite 2 |
Heizung
Beherrschbare Technik
Für den SHK-Monteur ist die Wärmepumpe kein Hexenkessel
Dipl.-Ing. Uwe Marx*
Dr.-Ing. Rainer Lang*
Die Wärmepumpe erlebt einen neuen Boom - zu Recht. Denn nach der Überwindung erster Schwierigkeiten in den siebziger und achtziger Jahren sind die Wärmepumpenheizungen inzwischen zu robusten Systemen herangereift, die allen Ansprüchen an modernen Heizkomfort gerecht werden. In diesem Beitrag möchten die Autoren Uwe Marx und Rainer Lang eine Übersicht über die Funktionsweise der Wärmepumpe geben und die wichtigsten Schritte zum Bau einer Wärmepumpenanlage beschreiben.
Geräte- und Anlagentechnik
Wärmepumpe
Das Arbeitsprinzip einer Wärmepumpe findet sich in jedem Haushaltskühlschrank wieder: In einem geschlossenen Kreislauf wird einer Wärmequelle (z.B. Erdreich) auf niedrigem Temperaturniveau Energie entzogen und auf hohem Temperaturniveau an das Heizsystem (z.B. Fußbodenheizung) wieder abgegeben (Bild 1). Dafür ist Antriebsenergie in Form von Strom erforderlich.
| Bild 1: Der Kreisprozess einer Wärmepumpe (beginnend bei 9:00 Uhr, Verlauf im Uhrzeigersinn): Im ersten Schritt wird das Kältemittel bei geringem Druck und niedriger Temperatur durch Aufnahme von Wärme aus der Umwelt verdampft. Dann wird der Kältemitteldampf im Verdichter auf ein hohes Druck- und Temperaturniveau gebracht, anschließend wird dieser Heißdampf durch Abgabe von Nutzwärme im Kondensator verflüssigt. Im vierten und letzten Schritt wird das Kältemittel im Expansionsventil auf ein niedriges Druckniveau entspannt. |
Wärmequellen
Die wichtigste Wärmequelle in Deutschland ist das Erdreich. Der Wärmeentzug erfolgt überwiegend durch Erdsonden (Bild 2) oder Flächenkollektoren (Bild 3). Das mittlere Temperaturniveau liegt übers Jahr gesehen bei 0°C.
Die Wärmequelle mit der höchsten Entzugsleistung ist das Grundwasser (Bild 4). Es liefert ganzjährig Wärme bei etwa +10°C.
Auch Außenluft ist als Wärmequelle geeignet. Allerdings ist das mittlere Temperaturniveau dieser Wärmequelle mit etwa -5°C sehr niedrig.
| Bild 2: Die Bohrtiefe einer Erdsonde beträgt meist 10 bis 15 m je kW benötigtem Wärmebedarf des Gebäudes. Die Bohrungen sind meist 40 bis 100 m tief, mehrere Sonden können kombiniert werden, um eine geringere Bohrtiefe zu erreichen. |
Wärmenutzungsanlagen
Wie eben erwähnt, muss die Wärmepumpe die Energie der "kalten" Wärmequelle auf ein höheres Temperaturniveau befördern. Am günstigsten arbeitet eine Wärmepumpe, wenn dieser Temperaturunterschied möglichst gering ist. Daher sollte eine Wärmepumpe immer mit einer Fußbodenheizung (niedrige Vorlauftemperatur) kombiniert werden. Alle Einbauten, die zu einer Anhebung der Vorlauftemperatur führen, insbesondere Mischer oder Wärmetauscher zur Systemtrennung, gehören nicht in eine Wärmepumpenanlage. Die Temperaturdifferenz zwischen Vorlauf und Rücklauf sollte 10 K nicht übersteigen, ideal ist eine Spreizung von 5-6 K.
| Bild 3: Der Flächenkollektor für eine Heizungswärmepumpe umfasst etwa das zwei- bis dreifache der beheizten Wohn-Nutzfläche. Die Solerohre werden in 1,2-1,5 m Tiefe verlegt. Das Foto zeigt die paarweise Verlegung von Rohren in einem schmalen Graben. |
Brauchwasserbereitung
Die meisten Heizungs-Wärmepumpen sind zur Brauchwasserbereitung bis 50°C sehr gut geeignet. Höhere Temperaturen können durch Nachheizen erreicht werden, beispielsweise mit Hilfe eines elektrischen Heizflansches oder eines Heizkessels. Eine Alternative hierzu ist die direkte Brauchwasserbereitung mit einer separaten Wärmepumpe (Bild 4). Diese Geräte erreichen max. Speichertemperaturen von 65°C. Die Größe ist mit ca. 250 l für ein Einfamilienhaus völlig ausreichend.
| Bild 4: Steckerfertige Brauchwasser-Wärmepumpen (Luft/Wasser) heizen das Brauchwasser mit dem Kompressor auf max. 65°C auf. Eine Führung der Zu- oder Abluft für den Verdampfer in Kanälen ist möglich. |
Mono-/Bivalent-Betrieb
Reicht die Wärmepumpenanlage allein für die Deckung des Wärmebedarfs aus, spricht man von einem "monovalenten Betrieb". Ist in die Heizungsanlage ein weiterer Wärmeerzeuger (z.B. Gaskessel, elektrischer Heizflansch) eingebunden, handelt es sich um einen "bivalenten Betrieb". In den heutigen gut Wärme gedämmten Neubauten sind monovalente Anlagen üblich.
Anlagen zur Erdwärmenutzung
Der Wärmeträger ist ein Gemisch aus Wasser und einem Frostschutzmittel (Ethylen- oder Propylenglykol). Vor dem Befüllen der Anlage müssen Wasser und Frostschutzmittel sorgfältig gemischt werden. In der Anlage selber findet keine Vermischung mehr statt. Daher muss bei schlechter Vormischung mit einem Einfrieren und damit einem Anlagenausfall gerechnet werden.
Drossel- oder Einregulierventile sollten unbedingt vermieden werden. Denn zusätzliche Druckverluste haben hier unverhältnismäßig hohe Pumpenleistungen zur Folge.
Für die soleführenden Leitungen werden bevorzugt Rohre aus HD-PE (Kunststoff) eingesetzt. Übliche Rohrweiten sind DN 25, DN 32 und DN 40. In Flächenkollektoren werden Rohre der Druckklasse PN 6 eingesetzt, für Erdwärmesonden kommen auch PN 10 oder PN 16 zum Einsatz. Alle Verbindungsstellen im Erdreich sind als Muffenschweißverbindung auszuführen.
Flächenkollektoren
Durch ihren hohen Platzbedarf sind diese Anlagen im Neubau oftmals nicht unterzubringen. Zudem haben sie eine geringfügige Einschränkung der Bodennutzung zur Folge: eine Überbauung oder Versiegelung der Kollektorfläche ist nicht möglich, das Pflanzen tiefwurzelnder Gehölze sollte ebenfalls unterbleiben.
Der Flächenkollektor wird frostfrei, d.h. in einer Verlegetiefe von 1,2 bis 1,5 m eingebracht. An der höchsten Stelle des Kollektors sind Verteiler oder Sammler und eine Entlüftungsmöglichkeit vorzusehen - vorzugsweise im Aufstellraum der Wärmepumpe.
| Bild 5: Bohrarbeiten zum Einbringen einer Erdsonde; für ein Einfamilienhaus sind ca. 100 bis 150 m2 Arbeitsraum und eine 2,5 m breite Zuwegung erforderlich. |
Sonden
Erdsonden sollten von einem erfahrenen Bohrunternehmer erstellt werden (Bild 5). Er führt die Erdarbeiten aus, bringt die bereits gefüllte Sonde ein und verfüllt das Bohrloch fachgerecht.
Inbetriebnahme
Auf der Heizungsseite sollten zunächst niedrige Temperaturen gewählt werden, um lange Betriebszeiten der Wärmepumpe zu ermöglichen. Komforteinbußen können dann während des Einfahrbetriebes korrigiert werden.
Die Anpassung von Regler und Anlage wird erfahrungsgemäß mindestens eine Heizperiode in Anspruch nehmen. Die Bewohner von Neubauten sollten außerdem darauf hingewiesen werden, dass der Stromverbrauch der Wärmepumpe in den ersten zwei Jahren deutlich über den Erwartungen liegen kann, bedingt durch die Austrocknung des Baukörpers.
Einige Hersteller bieten einen kostenlosen Inbetriebnahme-Service an. Diese Dienstleistung sollte unbedingt genutzt werden; sie ist häufig auch Voraussetzung für die Gewährung der Herstellergarantie. Über die gesetzliche Mindestgarantie von zwei Jahren hinaus bieten einige Hersteller eine erweiterte Gewährleistung von zehn Jahren auf den Kompressor.
Wartung
Die Wärmepumpe selber ist - ähnlich wie der Kühlschrank - ein wartungsfreies Gerät. Eine regelmäßige Reinigung, der Austausch von Verschleißteilen oder ein Ölwechsel sind nicht erforderlich. Dennoch ist eine jährliche Inspektion der Anlage zu empfehlen. Hier sollten der Allgemeinzustand der Anlage beurteilt, die Reglereinstellungen überprüft und ggf. korrigiert werden. Die Kontrolle der Sole ist ebenfalls zu empfehlen.
*) Dipl.-Ing. Uwe Marx, Entwicklung Wärmepumpensysteme, Dr.-Ing. Rainer Lang, Leiter Entwicklung Wärmepumpensysteme; beide Vaillant GmbH
B i l d e r : Vaillant GmbH, Remscheid
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