Wärmepumpen – Berechnung, Betriebsarten, Funktionsweise

Wärmepumpenheizungen setzen gerade bei Erdwärmepumpenanlagen höhere Investitionskosten und eine besondere Installation der Fußbodenheizung voraus. Der Vorteil der Anlagen sind geringe Betriebskosten und eine hohe Energieeffizienz. Für den Hausbau in Deutschland sind vor allem Luftwärmepumpen, Wasserwärmepumpen und die Erdwärmepumpen interessant.

Wärmepumpen – monovalent, bivalent oder multivalent auslegen

Wie man Wärmepumpen auslegt ist insbesondere davon abhängig, wie man sein Haus gedämmt hat, bzw. um welche Art von Haus es sich handelt. Hat man einen Neubau oder einen Altbau. Wichtig ist, die Bedürfnisse und Voraussetzungen genau zu betrachten und dann zu entscheiden, ob man nur eine Wärmepumpe einbaut oder sich mehreren Energiequellen bedient.

Monovalent

Bei einer monovalenten Auslegung wird die Wärmepumpe so angelegt, dass Wärme und Warmwasser im Haus alleine durch die Wärmepumpe erzeugt wird. Eine zweite Energiequelle ist nicht notwendig. Hierbei ist es wichtig, dass die Größe und Leistung der Pumpe genau passend zum Haus berechnet wird. Ist die Anlage zu klein ausgelegt muss an kalten Wintertagen teuer über den Heizstab unterstützt werden. Ist die Anlage zu groß ausgelegt sind die Anschaffungskosten unnötig höher und durch den höheren Grundverbrauch der Anlage sinkt die wirtschaftliche Effizienz und die Amortisationsdauer verschiebt sich unnötig in die Zukunft. Hinweis: Für die tatsächliche Heizlastberechnung ist eine Berechnung nach EN 12831 notwendig.

Bivalent

Ist die Wärmepumpe bivalent ausgelegt, wird eine zweite Energiequelle angeschlossen. Diese springt immer dann ein, wenn die Wärmepumpe, beispielweise bei sehr niedrigen Außentemperaturen, an ihre Grenzen stößt.
Besonders bei älteren schlecht gedämmten Häusern ist diese Betriebsart unabdingbar. Eine monovalente Auslegung der Wärmepumpe macht hier wenig Sinn.

Multivalent

Bei einer multivalenten Auslegung einer Wärmepumpe wird standardmäßig eine zweite Energiequelle genutzt, nicht nur in Ausnahmefällen. Dass heißt, dass ein Teil, beispielweise die Warmwassererzeugung von einer anderen Quelle erzeugt wird. Ein gutes Beispiel ist die Kombination von Wärmepumpe und Solarzellen. Hierbei wird es oft so gemacht, dass die Solarzellen für die Warmwasserbereitung zuständig sind und die Wärmepumpe für die Heizleistung.

Erdwärmepumpen

Bei einer Erdwärmepumpe wird die Energie aus Erdsonden oder Erdkollektoren gewonnen. Wird die Energie aus der Erde über Sonden gewonnen, ist die Funktionsweise so, dass die Sonden welche tief in das Erdreich reichen, der Erde Wärme entziehen. Pro Meter können etwa 50 Watt Wärmeleistung dem Boden entzogen werden. Erdkollektoren hingegen werden flächig unter der Oberfläche verlegt. Welche Art der Energiegewinnung man nutzt, hängt von mehreren Faktoren ab. Bei flächiger Kollektorverlegung benötigt man Platz. Das ist bei sehr kleinen Grundstücken also nur wenig geeignet. Darüber hinaus können tief wurzelnde Pflanzen nicht an die Stelle gepflanzt werden, wo die Kollektoren verlegt sind. Möchte man nur Rasen säen oder flach wurzelnde Pflanzen stellt die Flächenverlegung kein Problem dar. Die Vor- und Nachteile von Erdwärmepumpen lesen Sie hier.

Sonden

Über die Sonden wird die Energie aus dem Erdreich gezogen. Die Lebensdauer aktueller Anlagen liegt heutzutage bei mindestens 50 Jahren. Bei einer benötigten Heizleistung eines Hauses von 10 kW/h und somit einer Anlage von 10 kW/h wird eine Sondentiefe von etwa 160m benötigt. Die Faustformel stellt sich dabei wie folgt auf:

• 2kW/h Heizleistung durch die Anlage selbst
• 8kW/h durch Erdsonden: 8.000 Watt werden erreicht durch 50 Watt pro Meter Sonde. Das ergibt eine Tiefe von 160 Meter. Da ab 99 Metern Tiefe das Bergbaurecht greift und Bohrungen unnötig komplizierter werden, werden für die benötigte Tiefe meist mehrere Bohrungen zwischen 60 und 100 Metern durchgeführt. In diesem Beispiel würden 2×80 m ausreichen

Flächenkollektoren

Will man die Energie aus Flächenkollektoren gewinnen, benötigt man viel Grundstücksfläche. Als Grundregel nimmt man an, dass man ca. die doppelte Fläche für die Kollektoren benötigt wie die die geheizt werden soll. Hat man beispielsweise 180 qm Wohnfläche, die man heizen möchte, benötigt man mindestens 360 qm auf dem Grundstück, auf dem die Kollektoren verlegt werden. Je nach Bodenbeschaffenheit und Wärmespeicherfähigkeit kann das etwas mehr oder weniger Flächenbedarf sein. Wenig wärmespeicherfähige Böden wie Sand benötigen mehr Flächenkollektoren und entsprechend mehr Platz, als beispielsweise schwere lehmhaltige Böden.

Luft-Wärme-Pumpen

Luft-Wärme-Pumpen benötigen keine Flächenkollektoren oder Sonden, wodurch sich die Installationskosten in Grenzen halten. Auch der Platzbedarf bei Luft-Wärme-Pumpen ist relativ gering. Eine Luft-Wärme-Pumpe bedient sich der Wärme der Außenluft und verdichtet diese dann enstprechend zu höheren Temperaturen, um damit Wasser zu erwärmen oder Räume zu heizen. Es ist dementsprechend davon abhängig, wie die Außenluft ist, ob man mehr oder weniger Strom zum Verdichten benötigt. Demzufolge hat natürlich die Platzierung der Pumpe einen großen Einfluss auf den Stromverbraucht, wobei man die Pumpe sowohl im Haus, als auch auf dem Grundstück positionieren kann. Man spart hier zwar in der Anschaffung der Luft-Wärme-Pumpe, da weder eine Erdwärmebohrung notwendig ist, noch das Verlegen von Kollektoren. Die Stromkosten sind hier allerdings um einiges höher, als bei einer Erdwärmeheizung. Die Vor- und Nachteile von Luft-Wärme-Pumpen lesen Sie hier.

Wasser-Wärme-Pumpen

Auch Wasser-Wärme-Pumpen benötigen keine Flächenkollektoren oder Sonden. Allerdings ist die Installation von 2 Brunnen erforderlich. Eine Luft-Wärme-Pumpe bedient sich der Wärme des Grundwassers. Der Vorteil des Grundwassers ist, dass es immer eine relativ gleichbleibende Temperatur hat. Das kann die Erdwärme und auch die Außenluft nicht bieten. Innerhalb der Wasser-Wärme-Pumpe befindet sich ein Kältemittel. Durch die Wärme des Grundwassers, welches mittels Brunnen gewonnen wird, entsteht aus dem Kältemittel ein Gas. Dieses wird dann zu entsprechend höheren Temperaturen verdichtet, um damit Wasser zu erwärmen oder zu heizen. Die Vor- und Nachteile von Wasser-Wärme-Pumpen lesen Sie hier.