Wärmepumpen werden nach der Art der Wärmequelle eingeteilt. Es gibt Erdwärmepumpen und Luftwärmepumpen. Dies sind die beiden Grundsysteme für die Installation von Wärmequellen für nutzbare Räume.
Luftwärmepumpen
Luftwärmepumpen werden zur Trinkwassererwärmung und Beheizung von Einfamilienhäusern oder Gewerbeobjekten eingesetzt. Sie sind eine der beliebtesten Pumpen überhaupt, weil sie einfach zu installieren sind und effizient arbeiten. Luftwärmepumpen nutzen, wie der Name schon sagt, Wärmeenergie, die der Luft außerhalb des Gebäudes entnommen wird.
Luft ist die günstigste Investitionswärmequelle für Wärmepumpen. Dank dessen erfordert die Installation einer solchen Pumpe keine Erdarbeiten. Allerdings ist zu beachten, dass bei niedrigen Temperaturen der Wirkungsgrad von Luft/Wasser-Wärmepumpen relativ gering ist. Luft als untere Quelle wird am häufigsten in Installationen mit geringer Leistung verwendet. Ein Erdwärmetauscher wird verwendet, um die Wärmepumpe in den Wintermonaten mit Luft mit positiver Temperatur zu versorgen. Die technische Lösung ist ua beim Vergraben eines PVC-Rohrs mit einem Durchmesser von ca. 300 mm und einer Länge von 50 m in einer Tiefe von ca. 2 m. Am Ende (Einlass) ist das Rohr über dem Boden freigelegt und endet mit einem Filter, einem Netz und einem Dach . Die oben genannten Leitungsparameter gelten für eine Wärmepumpe mit einer Leistung von ca. 12 kW, die ein Einfamilienhaus mit thermischer Energie versorgt.
Erdwärmepumpen
Diese Arten von Wärmepumpen entziehen dem Erdreich mithilfe eines im Boden platzierten Wärmetauschers Wärme. Daher handelt es sich um Geräte, deren Installation einen Eingriff in die Handlung erfordert.
Unter Erdreich als Wärmequelle einer Wärmepumpe versteht man eine bis zu 2 m tiefe Erdschicht (bei Flach- und Wendelkollektoren). Die Bodentemperatur variiert je nach Klimazone und Jahreszeit. Die Schwankungsbreite ist nicht so groß wie bei Luft. Der Verlauf dieser Veränderungen hängt von der Oberfläche, den thermophysikalischen Eigenschaften des Bodens und seiner Feuchtigkeit ab. Die Wärme wird über einen Wärmetauscher gesammelt, der auf einer unbebauten Fläche (Parkplatz, Garten, Spielplatz) in der Nähe des beheizten Gebäudes aufgestellt wird, oder über einen vertikalen Wärmetauscher, der in einer speziellen Bohrung angebracht wird. Die Erdwärme, die wir gewinnen, ist die gespeicherte Sonnenenergie, die bei Niederschlag in den Boden eindringt.
Solarenergie ist auch eine Energiequelle für den Regenerationsprozess der Bodenschicht, die während des Betriebs in der Heizperiode gekühlt wird. Die Menge an nutzbarer Wärme und die damit verbundene notwendige Oberfläche sind streng von den thermophysikalischen Eigenschaften des Bodens und der Energie abhängig. Sowohl die thermischen Eigenschaften als auch die Wärmekapazität und -leitfähigkeit sind sehr stark von der Zusammensetzung und Struktur des Bodens abhängig. Am wichtigsten ist der Anteil an Wasser, Mineralien, z.B. Quarz, sowie die Größe der mit Luft gefüllten Poren. Die Möglichkeit des Wärmestaus und dessen Leitfähigkeit ist umso größer, je mehr der Boden mit Wasser gesättigt ist, je größer der Mineralanteil und je geringer der Porenanteil. In etwa 10 m Tiefe ist die Bodentemperatur annähernd konstant und entspricht der Jahresmitteltemperatur der Außenluft.
Energie aus dem Boden
Die Wärmepumpe entzieht dem Erdreich Energie durch im Boden vergrabene Polyethylenrohre. Das im geschlossenen System dieser Rohre zirkulierende Kältemittel (Glykol im Verhältnis 1:1 mit Wasser verdünnt) gibt in der Pumpe Wärme ab und erwärmt sich im Erdreich. Dieser Faktor absorbiert Wärme aus dem Boden und ist ein Frostschutzmittel bis -15˚C. Der Horizontaltauscher benötigt eine große Grundstücksfläche – etwa die doppelte Wohnfläche des Gebäudes.
Im Sommer, an heißen Tagen, ist es möglich, den Erdwärmetauscher als Kondensator zu verwenden und eine Pumpe zur Klimatisierung der Räume zu verwenden (Umkehrzirkulation). Die Entnahme von Wärme aus dem Boden kann mit seinem Gefrieren zusammenhängen, das darin besteht, die Temperatur des Bodens in unmittelbarer Nähe der unteren Wärmequelle zu senken. Dies führt zu einer periodischen Verringerung des thermischen Wirkungsgrads des Systems. Im Sommer, wenn die Wärmepumpe kurzzeitig arbeitet (Erwärmung des Brauchwarmwassers), wird die Wärmequelle langsam regeneriert. Dank passiver Kühlung wird diese Regeneration beschleunigt, da die dem Haus entnommene und über Umwälzpumpen direkt an das Erdreich abgegebene Wärme das Erdreich erwärmt. Diese Art der Kühlung ist viel billiger als die aktive Kühlung, die in Luftpumpen erfolgt, da wir keine Kälte produzieren, sondern nur Wärme aus den Räumen erhalten, die dank zweier Umwälzpumpen ins Erdreich gelangt.
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