Wärmequellen für Wärmepumpen

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In diesem Beitrag stelle ich euch die verschiedenen Wärmequellen für Wärmepumpen vor. Wärmepumpen können dabei aus verschiedenen Quellen nicht nutzbare Umweltenergie in nutzbare Heizenergie umwandeln.

Zu diesen Wärmequellen gehören unter anderem die Außenluft, das Grundwasser, das Erdreich, Solarspeicher, Eisspeicher, Absorber, das Meerwasser oder die Prozesswärme. Im Folgenden stelle ich euch die genannten Umweltwärmequellen vor.

Wärmepumpen nutzen Umweltenergie

Funktionsschema Wärmepumpe

Funktionsschema Wärmepumpe

Wie ist das möglich? Die genannten Wärmequellen haben doch ein sehr geringes Temperaturniveau. Genau das ist das Besondere an einer Wärmepumpe. In einer Wärmepumpe befindet sich ein „Kältemittel“, welches in der Lage ist bei geringen Temperaturen zu verdampfen. Anschließend kann das Kältemittel mit einem Kompressor und elektrischer Antriebsenergie verdichtet und auf ein höheres Temperaturniveau gebracht werden.

Die Umweltwärme wird also mit Hilfe von elektrischer Energie in nutzbare Heizenergie umgewandelt. Wenn alles gut läuft, werden mit 1 kW elektrischer Energie 3 kW Umweltenergie (niedriges Temperaturniveau) in 3 kW Heizenergie (hohes Temperaturniveau) nutzbar gemacht. In meinem Beitrag „Wie funktioniert eine Wärmepumpe?“ bin ich auf dieses Thema etwas detaillierter eingegangen.

Wärmequelle Außenluft

Luft Wärmepumpe

Abbildung 1: Luft Wärmepumpe mit Außenluft als Wärmequelle

Eine Wärmepumpe, welche die Außenluft als Energiequelle nutzt, kann fast überall eingesetzt werden. Einziger Nachteil ist: Eine Wärmepumpe, welche Außenluft als Energiequelle nutzt, hat bei niedrigen Außentemperaturen den schlechtesten Wirkungsgrad, gleichzeitig aber den höchsten Wärmebedarf (Darstellung Luft Wärmepumpe Siehe Abbildung 1).

Wärmequelle Grundwasser

Grundwasser Wärmepumpe

Abbildung 2: Wärmepumpe mit Grundwasser als Wärmequelle

Das Grundwasser hat im Gegensatz zur Außenluft auch im Winter eine relativ gleichmäßige Temperatur, welche sich zwischen 7°C und 12 °C befindet, und gehört deshalb zu den effizientesten Wärmepumpen. Die hohen Investitionskosten und die Tatsache, dass eine Wärmepumpe mit Grundwasser als Wärmequelle nicht überall zum Einsatz kommen kann, sind nachteilig (Darstellung Grundwasser Wärmepumpe siehe Abbildung 2).

Wärmequelle Erdreich (Geothermie)

Wenn das Erdreich (Beitrag „Was ist Geothermie?„) als Wärmequelle genutzt werden soll, ist zu beachten, dass immer Erdarbeiten notwendig sind. Weiterhin spielt auch die Bodenbeschaffenheit eine große Rolle. In Abbildung 3 habe ich einmal den Temperaturverlauf im Erdreich skizziert. Hier wird deutlich, dass die Temperatur der oberflächennahen Erdschicht von Außenlufttemperatur und Sonneneinstrahlung stark abhängig ist (siehe: Geothermischer Temperaturverlauf). Zu beobachten sind die geringe Temperatur in den Wintermonaten und die hohe Temperatur in den Sommermonaten.

Temperaturverlauf Erdoberfläche

Abbildung 3: Temperaturverlauf Erdoberfläche

Wärmepumpe mit Erdkollektoren

Geothermie - Wärmepumpe Erdkollektoren

Abbildung 4: Wärmepumpe mit Erdkollektoren

Ab einer Tiefe von ca. 15 m ist ein relativ konstanter Temperaturverlauf deutlich. Für Erdkollektoren (siehe Abbildung 4) – bis 3 m Tiefe – gilt daher wie bei der Außenluft: Die Wärmepumpe hat bei niedrigen Außentemperaturen den schlechtesten Wirkungsgrad, gleichzeitig aber den höchsten Wärmebedarf. Auf das Thema Erdkollektoren und wie sie funktionieren bin ich in meinem Beitrag „Was sind Erdwärmekollektoren?“ detaillierter eingegangen. Weiterhin findet ihr hier einen Beitrag zur Planung einer Sole-Wasser-Wärmepumpe mit Erdwärmekollektoren.

Wärmepumpe mit Erdsonden

Geothermie - Wärmepumpe Erdsonden

Abbildung 5: Wärmepumpe mit Erdsonden

Erdsonden (siehe Abbildung 5) sind von diesem Problem eher weniger betroffen. Hier ist ein Temperaturanstieg in der Tiefe zu verzeichnen. Die Temperaturerhöhung wird im Durchschnitt mit 35 – 40 K pro Kilometer oder 1 K alle 33 m angegeben. In meinem Beitrag „Was sind Erdwärmesonden?“ bin ich auf dieses Thema noch etwas detaillierter eingegangen. Weiterhin findet ihr hier einen Beitrag zur Planung einer Sole-Wasser-Wärmepumpe mit Erdwärmesonden.

Wärmequelle Solarspeicher

Wärmepumpe mit Pufferspeicher und Solarkollektor

Abbildung 6: Wärmepumpe mit Pufferspeicher und Solarkollektor

Mit einer Solarthermieanlage ist es möglich Sonnenenergie über einen längeren Zeitraum in einem Pufferspeicher zu speichern. Die Wärmepumpe ist dann in der Lage, die Energie aus dem vorerwärmten Wasser in Heizenergie umzuwandeln. Auch hier ist zu beachten, dass beim höchsten Wärmebedarf im Winter die geringste Sonneneinstrahlung zu verzeichnen ist (Darstellung siehe Abbildung 6).

Wärmequelle Eisspeicher

Wärmepumpe mit Eisspeicher und Solarkollektor

Abbildung 7: Wärmepumpe mit Eisspeicher und Solarkollektor

Ein Eisspeicher nutzt die sogenannte Kristallisationswärme von Wasser und stellt diese für die Wärmepumpe bereit. Diese latente Wärme kann zum Heizen genutzt werden und wird bei der Aggregatzustandsänderung eines Stoffes freigesetzt.

Beim Erfrieren von Wasser wird aufgrund des Energieerhaltungssatzes E_{Vor} = E_{Nach} genauso viel Energie freigesetzt, wie für den Schmelzvorgang von Wasser benötigt wird. Das sind in diesem Fall 333,5 kJ/kg. Zur Verdeutlichung: Der Schmelzvorgang von 0 °C kaltem Eis auf 0 °C kaltes Wasser benötigt genauso viel Energie, wie die Erwärmung von 0 °C kaltem Wasser auf 81 °C warmes Wasser.

Die Energie zur Regeneration des Eisspeichers, also zum Schmelzen des Eises, kann dem Eisspeicher über Solar- oder Luftabsorber zugeführt werden. Alternativ kann der Regenerationsprozess des Eisspeichers aber auch im Sommer stattfinden. Die Wärme eines Gebäudes wird dem Eisspeicher zugeführt und der Eisspeicher kann gleichzeitig für die Kühlung des Gebäudes sorgen (Darstellung siehe Abbildung 7). Einen sehr interessanten Artikel zu diesen Thema findet ihr auf Oecosys.com.

Wärmequelle Meerwasser

Wärmepumpe mit Meerwassernutzung

Abbildung 8: Wärmepumpe mit Meerwassernutzung

Eine Wärmepumpe, welche Meerwasser als Wärmequelle nutzt, kann nur in Küstenregionen mit geringen Wasserspiegeländerungen während der Gezeiten eingesetzt werden. Ein derzeit einzigartiges System ist in den Strandläufer-Apartments-Warnemünde verbaut. Eine Wärmepumpe nutzt hier das Wasser der Ostsee als Wärmequelle. Das genutzte und abgekühlte Ostseewasser wird anschließend 150 m vor der Küste über eine Tiefentonne in die Ostsee gelassen.

Wärmequelle Prozesswärme

Wärmepumpe mit der Nutzung von Prozessabwärme

Abbildung 9: Wärmepumpe mit der Nutzung von Prozesswärme

Prozesswärme ist die Abwärme von industriellen Prozessen und technischen Verfahren. Dazu gehören Abluft aus Wohnungen, Abwärme von Klimageräten, Schmelzen von Stahl oder aber auch das Kühlwasser von Kraftwerken und heizintensiven Industrieprozessen (Darstellung siehe Abbildung 9).

Wärmequelle Absorber

Wärmepumpe mit Absorbern

Abbildung 10: Wärmepumpe mit Absorbern

Absorber sind großflächige Wärmetauscher im Freien, welche in Dach, Fundament oder Fassade integriert werden können. Sie sind in der Lage sensible und latente Wärme zu nutzen und der Wärmepumpe bereitzustellen (Darstellung siehe Abbildung 10).

Fazit

Nun habt ihr eine kleine Übersicht von möglichen Wärmequellen für Wärmepumpen erhalten. Wie ihr in den beiden Beispielen zum Eisspeicher und Solarspeicher gesehen habt, ist die Kombination von Wärmepumpen mit anderen erneuerbaren Energiequellen wie Solarthermie ein sehr interessantes Thema. Es ist davon auszugehen, dass die Kombination von erneuerbaren Energiesystemen künftig immer mehr zur Debatte steht. Die Gewinnung, Zwischenspeicherung und anschließende Nutzung der elektrischen Antriebsenergie für eine Wärmepumpe über Photovoltaik sind nur ein Beispiel.

Ich hoffe diese kleine Übersicht zu den verschiedenen Wärmequellen von Wärmepumpen konnte euch einen Einblick in die vielfältige Nutzung dieser Technologie zeigen. Falls ihr Fragen, Anregungen oder Kritik zu diesem Beitrag habt, nutzt die Kommentarfunktion.

Liebe Grüße! Euer Martin

Weiterführende Links und Quellen:
Dein Bauguide – Heizen mit EisBaulinks – Latentwärmespeicher
TGA Fachplaner – Solare Wärmepumpe mit Eisspeicher
Oecosys – Solarer Eisspeicher
Eigenschaften von Wasser
Geothermie.at – Erdwärme und Erdkühle
Viessmann – Eisspeichersystem
Wikipedia – Kristallisationswärme
Wikipedia – Eigenschaften des Wassers

Wikipedia – Geothermie
Strandläufer Apartments – Warnemünde

Handbuch der Gebäudetechnik – Planungsgrundlagen und Beispiele Band 2 Heizung/ Lüftung/ Energiesparen, Prof. Dipl.-Ing. Wolfram Pistohl, Architekt 7. Auflage, Werner Verlag, Köln 2009*


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10 Kommentare/Fügen deinen eigenen Kommentar hinzu

  1. Avatar
    Robert / Antworten ¬

    Also das Erdkollektoren bis 3 m Tiefe einen ähnlichen Wirkungszusammenhang wie Luftwärmepumpen aufweisen, stimmt nicht so ganz. Der Boden kühlt sich zwar stärker aus und dies ist auch saisonal bedingt, jedoch sinkt die Effizienz bei weitem nicht entsprechend der von Luftwärmepumpen ab.

    1. Avatar
      Martin Schlobach / Antworten ¬

      Hallo Robert,
      damit hast du natürlich vollkommen Recht. Wenn man die Wirkungsgrade der beiden Wärmepumpen unter gleichen Bedingungen vergleichen würde, hätte eine Wärmepumpe mit Erdkollektoren in der kalten Jahreszeit Vorteile. Ich hatte jedoch nicht vor, die Wirkungsgrade der beiden Wärmepumpen zu vergleichen. Ich wollte nur sagen, dass die Wirkungsgrade beider Wärmepumpen in der kalten Jahreszeit vergleichsweise schlecht sind.
      Liebe Grüße! Martin

  2. Avatar
    Wolf / Antworten ¬

    Danke für die einfache Erklärung der verschiedenen Wärmepumpen. Ich wusste gar nicht, dass Warmwasser oder Solarkollektor eine Wärmepumpe mit Wärme beliefern können.

    1. Avatar
      Robert / Antworten ¬

      Das funktioniert auch nur sehr eingeschränkt und nur unterstützend. Die eigentliche Umweltwärmequelle kann damit (bei normalen Anlagen) nicht ersetzt werden.

  3. Avatar
    Rosi / Antworten ¬

    Hi Martin,

    kann man mit solchen Wärmepumpanlagen, egal welcher, ein Haus das ganze Jahr mit Energie versorgen? Das ist mir jetzt nich so klar geworden aus deinem Artikel, welcher im überigen sehr klar und gut geschrieben wurde.

    VG
    Rosi

    1. Avatar
      Martin Schlobach / Antworten ¬

      Hallo Rosi,

      es kommt immer darauf an welche Wärmequelle man für die Wärmepumpe verwendet. Bei einer alleinigen (monovalenten) Betriebsweise ist es wichtig, dass die Wärmequelle ganzjährig eine konstante Temperatur liefern kann.
      Für einen alleinigen Betrieb kommen daher meist Grundwasserwärmepumpen, Erdwärmepumpen mit Sonden oder Wärmepumpen, welche ganzjährig konstante Abwärme aus Industrieprozessen nutzen in Frage. Wenn du magst kannst du dir dazu meinen Beitrag zur Betriebsweise von Wärmepumpen durchlesen. Darin habe ich das Thema behandelt: https://www.haustechnikverstehen.de/betriebsweisen-von-waermepumpen/

      Liebe Grüße! Martin

  4. Avatar
    Atrissi / Antworten ¬

    Guten Tag Herr Schlobach,

    wie hoch soll die optimale mittlere Stroemungsgeschwindigkeit in der Rohleitung im Vor- und Rucklauf sein?

    Was ist der Vorteil bzw. Nachteil, wenn die Pumpe im Vorlauf oder im Rucklauf eingesetzt wird.

    Besten Dank

    1. Avatar
      Martin Schlobach / Antworten ¬

      Hallo Atrissi,

      da die Strömungsgeschwindigkeit vom Volumenstrom und vom Rohrquerschnitt abhängt, muss die Strömungsgeschwindigkeit für die jeweiligen Gegebenheiten der zu betrachtenden Anlage berechnet werden. Eine optimale, mittlere Strömungsgeschwindigkeit kann man somit nicht angeben.

      Bezugnehmend auf den Einbauort der Pumpe, kann ich dir ebenfalls keine klare Antwort geben, da eine Pumpe wahlweise im Vorlauf oder im Rücklauf eingebaut werden kann. Hier muss immer das Gesamtsystem sowie die Regelungseinstellung der Pumpe betrachtet werden. Im Bezug auf die Regelung der Pumpe gibt es beispielsweise die sogenannte temperaturgeführte Differenzdruckregelung mit zwei möglichen Regelarten:

      Bei der Regelung mit positivem Wirksinn werden der Volumenstrom und die Förderhöhe mit steigender Vorlauftemperatur (Außentemperatur sinkt, sodass die Vorlauftemperatur erhöht werden muss) erhöht. Hier ist die Pumpe im Vorlauf einzubauen. Diese Regelung kann in typischen Zweirohranlagen mit gleitender Vorlauftemperatur verwendet werden.

      Bei der Regelung mit negativem Wirksinn werden der Volumenstrom und die Förderhöhe mit steigender Rücklauftemperatur gesenkt. Hier ist die Pumpe im Rücklauf einzubauen. Diese Regelung kann beispielsweise bei Brennwertkesseln angewandt werden, die eine maximale Rücklauftemperatur, zur Nutzung des Brennwerteffektes, nicht überschreiten sollen.

      Ich hoffe ich konnte dir damit etwas weiterhelfen.

      Liebe Grüße! Martin

  5. Avatar
    heinrich / Antworten ¬

    Bitte um Hilfe
    kannman eine wärmepumpenanlage für ein fußbodenheizung in einem zimmer einbauen
    um damit eine 52m2 wohnung zu heizen kann ich diese anlage verdeckt einbauen damit es im reaum nicht sehr stört ?
    Danke im voraus für Ihre Antwort

    1. Avatar
      Martin Schlobach / Antworten ¬

      Hallo Heinrich,

      eine Wärmepumpe ist ein komplexer Wärmeerzeuger für ein Heizsystem und sollte mehr als nur einen Raum beheizen, da der Aufwand sonst in keinem Verhältnis zum Nutzen stehen würde. Welches Heizsystem ist denn derzeit verbaut? Vielleicht wäre es sinnvoller die Fußbodenheizung/ Fußbodenerwärmung an das aktuelle Heizsystem anzuschließen. Hier gibt es schon sehr gute technische Möglichkeiten.

      Liebe Grüße, Martin.

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