Luftwärmepumpen – Funktion und Effizienz

Während alle Welt von CO₂-Bilanzen und Klimazielen spricht, fragen sich viele Bundesbürger, was sie selbst konkret tun können, um einen positiven Beitrag zu leisten. Die eigenen vier Wände eignen sich dafür ganz besonders: Denn etwa ein Viertel des Gesamtenergieverbrauchs entfallen in Deutschland auf private Haushalte. Der Großteil von rund drei Vierteln der verbrauchten Energie wird dabei für die Beheizung von Räumen verwendet. Mit den richtigen Maßnahmen kann hier viel Energie eingespart und der CO₂-Ausstoß deutlich reduziert werden. So können durch Wärmeschutz, moderne Fenster und ein sparsames, umweltfreundliches Heizsystem gute Ergebnisse erzielt werden.

Funktionsweise von Wärmepumpen

Eine Wärmepumpe zieht den größten Teil der Heizenergie aus der Umwelt, während nur ein kleiner Teil als Arbeitsenergie zugeführt wird. Für ein energiesparendes und umweltschonendes Heizen sind Wärmepumpen daher ideal. Doch welcher ist der richtige Gerätetyp für die jeweiligen Anforderungen? Der folgende Text gibt einen Überblick über die Funktionsweisen der verschiedenen Luftwärmepumpen. Generell wird dabei zwischen Split- und Monoblock-Wärmepumpen unterschieden. Split-Wärmepumpen zeichnen sich durch die Trennung in ein leises Innen- und ein luftführendes Außenteil aus. Monoblock- oder Kompaktwärmepumpen bestehen aus einer fertigen Einheit mit vom Werk montiertem und geprüftem Kältekreis.

Die Wärmepumpe nutzt die natürliche Fließrichtung von warm nach kalt in einem geschlossenen Kältemittelkreis durch Verdampfer, Kompressor, Kondensator und Expansionsventil. (Quelle: Bosch)

Die Wärmepumpe nutzt die natürliche Fließrichtung von warm nach kalt in einem geschlossenen Kältemittelkreis durch Verdampfer, Kompressor, Kondensator und Expansionsventil. (Quelle: Bosch)

Wärmepumpen funktionieren nach dem bewährten und zuverlässigen „Prinzip Kühlschrank“. Ein Kühlschrank entzieht den zu kühlenden Lebensmitteln Wärme und gibt sie auf der Kühlschrankrückseite an die Raumluft ab. Eine Wärmepumpe entzieht der Umwelt Wärme und gibt sie an die Heizungsanlage ab. Die Wärmepumpe nutzt dabei die natürliche Fließrichtung von warm nach kalt in einem geschlossenen Kältemittelkreis durch Verdampfer, Kompressor, Kondensator und Expansionsventil.

Die Wärme strömt zunächst von der Wärmequelle an ein Kältemittel. Das Kältemittel erwärmt sich bis über seinen Siedepunkt, verdampft und wird vom Kompressor angesaugt. Der Kompressor verdichtet das gasförmige Kältemittel, sodass es noch wärmer wird. Zusätzlich wird auch die Antriebsenergie des Kompressors in Wärme umgewandelt, die auf das Kältemittel übergeht. So erhöht sich die Temperatur des Kältemittels immer weiter, bis sie höher ist als die für Heizung und Warmwasserbereitung benötigte Temperatur. Im Kondensator gibt das heiße, gasförmige Kältemittel die Wärme an die Heizungsanlage ab. Dabei sinkt die Temperatur des Kältemittels unter den Kondensationspunkt und es verflüssigt sich wieder. Die beiden elektronisch angesteuerten Expansionsventile sorgen dafür, dass das Kältemittel auf seinen Ausgangsdruck entspannt wird, bevor es wieder in den Verdampfer zurückfließt und dort erneut Wärme aus der Umgebung aufnimmt.

 

Technische Besonderheiten

Die Compress 7000i AW basiert auf einem revolutionären technischen Konzept. Dank reversiblem Kältekreislauf bietet sie gleich zwei Kernfunktionen. Das bedeutet: Sie liefert nicht nur Wohlfühlwärme, sondern kann z. B. an heißen Sommertagen Ihre Wohnung auch mühelos kühlen. (Quelle: Bosch)

Die Compress 7000i AW basiert auf einem revolutionären technischen Konzept. Dank reversiblem Kältekreislauf bietet sie gleich zwei Kernfunktionen. Das bedeutet: Sie liefert nicht nur Wohlfühlwärme, sondern kann z. B. an heißen Sommertagen Ihre Wohnung auch mühelos kühlen. (Quelle: Bosch)

Bei Luftwärmepumpen wie z.B. der Compress 7000i AW OR von Bosch weist der Kältekreis noch einige Besonderheiten auf: Der Verdampfer der Luftwärmepumpe befindet sich an der Außenluft. Kommt es während des Betriebes zur Kondensatbildung an der Verdampfer-Oberfläche, kann der Verdampfer bei kühlen Außentemperaturen einfrieren. Ein dauerhaftes Einfrieren des Verdampfers ist nicht zielführend, deshalb werden zusätzliche Bauteile im Kältekreislauf einer Luftwärmepumpe benötigt, um einen Abtauprozess stattfinden zu lassen. Für den Abtauprozess wird im Kältekreislauf ein Vier-Wege-Ventil installiert. Dieses Vier-Wege-Ventil ermöglicht es, den Kältekreislauf umzukehren, sodass Wärmeenergie aus dem Heizsystem zugeführt werden kann.

Durch das Rückführen von Wärmeenergie im Kondensator aus dem Heizsystem wird das Kältemittel auf eine höhere Temperatur erwärmt und kann dann zum Verdampfer geleitet werden. Mit dem erwärmten und zum Verdampfer geleiteten Kältemittel ist es nun möglich, den Abtauprozess stattfinden zu lassen. Damit der Kondensator jederzeit Wärmeenergie aus dem Heizsystem ziehen kann, müssen permanent mindestens vier Heizkörper à 500 Watt oder eine Fußbodenheizung von mindestens 22 qm zur Verfügung stehen. Alternativ kann die Wärmeenergie aus einem Pufferspeicher bezogen werden.

Weitere wichtige Bauteile des Kältekreislaufes einer Luftwärmepumpe sind der Flüssigkeitstrenner, der Trockenfilter und das Schauglas. Der Flüssigkeitstrenner sitzt in Fließrichtung vor dem Kompressor und sorgt dafür, dass nur dampfförmiges Kältemittel in den Kompressor gelangen kann. (Quelle: Bosch)

Der Flüssigkeitstrenner, der Trockenfilter und das Schauglas sind weitere wichtige Bauteile des Kältekreislaufes einer Luftwärmepumpe (Quelle: Bosch).

Weitere wichtige Bauteile des Kältekreislaufes einer Luftwärmepumpe sind der Flüssigkeitstrenner, der Trockenfilter und das Schauglas. Der Flüssigkeitstrenner sitzt in Fließrichtung vor dem Kompressor und sorgt dafür, dass nur dampfförmiges Kältemittel in den Kompressor gelangen kann. Denn unter bestimmten Bedingungen kann es dazu kommen, dass nicht hundert Prozent des Kältemittels verdampfen. Es muss aber sichergestellt sein, dass nur gasförmiges Kältemittel in den Kompressor gelangt. Flüssiges Kältemittel kann nicht komprimiert werde und würde den Kompressor beschädigen.

Daher sitzen ein Trockenfilter und das Schauglas in Fließrichtung nach dem Kondensator. Der Trockenfilter saugt anfallendes Kondensat auf der Innenseite des Kältekreises auf. Anfallendes Kondensat würde nicht wie Kältemittel bereits bei ca. -5 Grad Celsius verdampfen, sondern wie Wasser erst bei ca. 100 Grad Celsius. Auch das Kondensat darf nicht in den Kompressor gelangen und muss daher herausgefiltert werden. Das Schauglas ermöglicht dem Kältetechniker, einen Blick in den Kältekreislauf zu werfen. Dies hilft bei der Beurteilung des Kältekreislaufes.

Unterscheidung Split- und Monoblock-Wärmepumpen

Mit einem COP bis 5,1 (bei A7/W35) ist die Compress 7000i AW von Bosch, eine Monoblock-Variante mit modulierender Außeneinheit, eine der effizientesten Wärmepumpen auf dem Markt und lässt bei der Leistungszahl viele vergleichbare Geräte hinter sich. (Quelle: Bosch)

Mit einem COP bis 5,1 (bei A7/W35) ist die Compress 7000i AW von Bosch, eine Monoblock-Variante mit modulierender Außeneinheit, eine der effizientesten Wärmepumpen auf dem Markt und lässt bei der Leistungszahl viele vergleichbare Geräte hinter sich. (Quelle: Bosch)

Bei den Luftwärmepumpen wird zwischen sogenannten Monoblock-Wärmepumpen und Split-Wärmepumpen unterschieden. Die Anlagenhydraulik dieser beiden Wärmepumpen ist identisch. Der wichtigste Unterschied: Bei der Monoblock-Wärmepumpe befindet sich der gesamte Kältekreislauf in der Außeneinheit, somit werden von der Außeneinheit zur Inneneinheit ein Heizungsvorlauf und ein Heizungsrücklauf geführt. Für die Split-Wärmepumpe wird der Kältekreislauf aufgeteilt – also gesplittet. Der Verdampfer befindet sich in der Außeneinheit, der Kompressor, das Expansionsventil und der Kondensator in der Inneneinheit. Somit müssen von der Außeneinheit zur Inneneinheit ein Kältekreisvorlauf und ein Kältekreisrücklauf geführt werden.

Beide Varianten von Luftwärmepumpenarten haben sich bewährt. Die Monoblock-Wärmepumpe hat den Vorteil, dass sich ihr Kältekreislauf geschlossen in der Außeneinheit befindet. Daher wird für die Inbetriebnahme und die Wartung kein Kältetechniker benötigt. Arbeiten an einem Kältekreis dürfen nur von speziell ausgebildeten Kältetechnikern durchgeführt werden. Ein kleiner Nachteil ist hingegen, dass Monoblock-Wärmepumpen größer sind als Split-Wärmepumpen und dadurch nicht so einfach an Fassaden und Dächern befestigt werden können.

Hierin liegt auch der Vorteil der Split Wärmepumpen. Ihre Außeneinheiten sind kompakter und leichter. Sie können auch an Fassaden befestigt werden und nehmen dabei nicht so viel Platz ein wie eine Monoblock-Wärmepumpe. Da aber der Kältekreisvorlauf und der Kältekreisrücklauf von der Außeneinheit zur Inneneinheit geführt werden müssen, ist zur Inbetriebnahme ein Kältetechniker erforderlich. Je nach Größe der Split-Wärmepumpe und nach der Art des verwendeten Kältemittels kann es dazu kommen, dass die Split Wärmepumpe eine CO₂-Äquivalenz von maximal 5 Tonnen bei hermetisch abgeriegelten Anlagen und 10 Tonnen bei nicht hermetisch abgeriegelten übersteigt. Dann unterliegt die Wärmepumpe der jährlichen Kältemittelprüfpflicht. Es muss also ein Kältetechniker einmal im Jahr bei der Wartung überprüfen, ob der Kältekreislauf dicht verschlossen ist. Dies erzeugt zusätzliche Kosten und stellt damit einen Nachteil der Split-Wärmepumpen dar.

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