Wärmepumpe für Hausheizung

Was ist eine Wärmepumpe zum Heizen zu Hause? Gerät und Funktionsprinzip.

Wärmepumpe ist ein Gerät, das die Umwandlung und Übertragung von Wärme von jeder Quelle mit niedriger Temperatur zu einem Verbraucher mit höheren Temperaturparametern ermöglicht. Der thermodynamische Zyklus und das Funktionsprinzip der Wärmepumpe sind identisch mit der Kältemaschine oder Klimaanlage. Diese Geräte basieren auf demselben Kreisprozess - dem umgekehrten Carnot-Zyklus. Der Hauptunterschied zwischen diesen Geräten liegt direkt in der Bezeichnung des Geräts und dem Betriebstemperaturbereich.

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Holzhaus - "Leuchtturm":

Holzhaus "Schwarzwald":

Heute werden weltweit Millionen von Wärmepumpen verschiedener Bauarten und Einsatzzwecke erfolgreich betrieben. Es sind jedoch Dampfkompressionssysteme, die auf dem Gebiet der Heizung und Klimatisierung von Gebäuden am weitesten verbreitet sind. Wie funktioniert die Wärmepumpe? Betrachten wir das Funktionsprinzip und die Vorrichtung der Dampfkompressionswärmepumpe genauer.

In einem speziellen Wärmetauscher, der als Verdampfer bezeichnet wird, wird Wärme von einer externen, minderwertigen Wärmequelle auf das Arbeitsmedium der Wärmepumpe - das Kältemittel - übertragen.

Eine Wärmequelle mit niedrigem Potential für eine Wärmepumpe kann jedes allgemein zugängliche Medium mit niedriger Temperatur sein, beispielsweise Umgebungsluft, Boden, Grundwasser oder offenes Wasser, jede sekundäre Energiequelle. Als Kältemittel in modernen Wärmepumpenanlagen werden umweltfreundliche Freonmischungen eingesetzt, die kein Ozonabbaupotential (ODP = 0) und ein minimales Treibhauspotential (GWP → min) aufweisen.

Beim Eintritt in den Verdampfer in flüssigem Zustand und unter niedrigem Druck erhält das Wärmepumpenkältemittel Wärme von einer externen Quelle und verdampft, und tritt dann in gasförmigem Zustand in den Kompressor ein. In einem Wärmepumpenkompressor wird Freon mit einem starken Temperaturanstieg komprimiert. Gleichzeitig ist der Hauptstromverbrauch einer Wärmepumpe für die Stromversorgung des Kompressors verantwortlich.

Nachdem der Kompressor von Freon komprimiert und auf hohe Temperaturen erhitzt wurde, geht er zum nächsten speziellen Wärmetauscher - Kondensator. Im Kondensator wird die vom Arbeitsmedium der Wärmepumpe (Freon) auf ein hohes Potential übertragene Wärme auf den Verbraucher übertragen - die Luft des beheizten Raumes oder den Wärmeträger (Wasser) der Gebäudeheizung.

Durch die Wärmeübertragung im Kondensator geht das Freon in den flüssigen Zustand zurück und kehrt nach Passieren der Reduktionsvorrichtung (Expansionsventil) mit den ursprünglichen Parametern - Niederdruck und Temperatur - zum ersten Wärmetauscher-Verdampfer zurück.

Der Dampfkompressionskreislauf schließt sich. Wenn nur Energie für den Kompressorantrieb aufgewendet wird, erfolgt in der Wärmepumpe eine Umwandlung und Übertragung von Wärme von einer Quelle mit niedriger Temperatur zu einem Verbraucher mit höherem Potenzial. In diesem Fall muss die Wärmepumpe ein Vielfaches an Energie bringen, als am Ausgang verfügbar ist.



Umwandlungsverhältnis der Wärmepumpe

Das Verhältnis der erzeugten Wärmemenge zur aufgewendeten Energie wird als Umrechnungsfaktor der Wärmepumpe oder als Umwandlungsverhältnis (bezeichnet mit COP) bezeichnet. Bei modernen Wärmepumpen kann der COP-Wert 5-5,5 betragen. Der Wert СОР = 5 zeigt, dass bei Einspeisung von 1 kW elektrischer Leistung in die Wärmepumpe 5 kW Wärme gewonnen werden können.

СОР ist eine spezielle dimensionslose Größe, mit der die Effizienz der Nutzung einer Wärmepumpe bewertet und verschiedene Wärmepumpen objektiv miteinander verglichen werden können.

Es ist zu beachten, dass der COP-Wert häufig mit der Effizienz des Geräts verwechselt wird. Dies ist jedoch nicht ganz richtig. Der COP einer Wärmepumpe variiert hauptsächlich im Bereich von 2 bis 5, und der Wirkungsgrad einer Anlage kann nicht höher als 1 (mehr als 100%) sein, da bei jedem Prozess unvermeidliche Verluste und Abweichungen von den idealen Bedingungen auftreten. Tatsache ist, dass der Wert von SOR nicht die Energiemenge berücksichtigt, die der Wärmepumpe von einer Quelle mit niedrigem Potenzial zugeführt wird. Die Größe des COP spiegelt vielmehr die Effizienz der Wärmeumwandlung von der Wärmequelle zum Verbraucher wider.

Die Wärmepumpe ermöglicht die Nutzung allgemein zugänglicher und „freier“ externer Wärme, die sich im Boden, in den Gewässern und in der Umgebungsluft ansammelt. In diesem Fall verbraucht der Verbraucher nur für die Stromversorgung der Anlage ein Vielfaches weniger Energie (Arbeiten, die auf die Umwandlung von Wärme aus der Quelle gerichtet sind). Somit wird angenommen, dass der COP-Wert für den Verbraucher objektiv anstelle des Wirkungsgrades verwendet wird, und zwar als eine Größe, die den direkten Wirkungsgrad der Wärmepumpe anzeigt.

In der Praxis hängt der Wert des COP von einer Vielzahl von Parametern ab. Die Größe des COP wird beeinflusst von: der Temperatur der minderwertigen Wärmequelle, der Temperatur des erwärmten oder gekühlten Wärmeträgers, der Perfektion des Betriebszyklus, den Parametern des verwendeten Kältemittels usw. Auch der Energieverbrauch der in die Wärmepumpe eingebauten Umwälzpumpen wird häufig im COP-Wert berücksichtigt. Daher ist es bei der Bewertung des COP verschiedener Wärmepumpen wichtig zu verstehen, bei welchen Temperaturparametern und nach welchen Standards die Werte verglichen werden.

Je höher die Temperatur der verwendeten minderwertigen Quelle und je niedriger die Temperatur des erwärmten Mediums ist, desto höher ist die Leistung und der Wirkungsgrad der Wärmepumpe.

Dies führt zu einem hohen Wirkungsgrad von Wärmepumpen mit Niedertemperaturheizsystemen. Wenn Sie also mit Heizkörperheizung arbeiten, beträgt der COP der Wärmepumpe ungefähr 3,5. Wenn die Wärmepumpe mit einem Niedertemperatursystem wie z. B. einer Fußbodenheizung betrieben wird, erreicht der COP einen Wert von 4,5 bis 5,1. Das heißt, im Fall einer Fußbodenheizung verbraucht die Wärmepumpe im Vergleich zum Anwendungsfall eines herkömmlichen Heizkörpersystems 30-40% weniger elektrische Energie.



Arten von Wärmepumpen, Installations- und Betriebsmerkmale

Abhängig von der verwendeten Wärmequelle und dem erwärmten (gekühlten) Medium werden folgende Wärmepumpen unterschieden: Luft-Luft, Luft-Wasser, Wasser-Wasser, Grundwasser usw. Berücksichtigen Sie die Merkmale des Geräts und den Betrieb der wichtigsten Wärmepumpentypen.

Luft-Luft-Wärmepumpe

Wärmepumpen dieses Typs nutzen die Energie der am weitesten verbreiteten Wärmequelle - der Umgebungsluft, während sie die Luft beheizter Räume erwärmen. Die Ausrüstung besteht hauptsächlich aus Split-Systemen mit geringer Kapazität - Installationen, die ein separates Außengerät der Wärmepumpe und ein separates internes Modul (oder mehrere Innengeräte - eine Multisplit-Variante) enthalten, das in Innenräumen aufgestellt wird.

In diesem Fall wird das Außengerät während der Installation des Geräts mit dem internen Modul des Freon-Stromkreises verbunden. Das häufigste Beispiel für eine solche Wärmepumpe ist eine Haushaltsklimaanlage mit Heizfunktion. Solche Wärmepumpen sind besonders in Ländern mit wärmerem Klima beliebt, in denen kein vollwertiges Heizsystem installiert werden muss und die Heizfunktion nur in kurzen Zeiträumen des Jahres benötigt wird.

Die Hauptvorteile dieser Art von Ausrüstung: einfache Installation und relativ niedrige Kosten, die Fähigkeit, sowohl im Heizmodus als auch im Klimaanlagenmodus zu arbeiten, ohne zusätzliche Geräte zu installieren. Der Hauptnachteil: Der Wirkungsgrad der Wärmepumpe, die Außenluft als Wärmequelle nutzt, hängt direkt von deren Temperatur ab.

In der kalten Jahreszeit bei negativen Temperaturen, wenn das Haus mehr Wärme benötigt, werden der COP der Wärmepumpe und die Leistung erheblich verringert und die Kapazität der Ausrüstung wird für die Raumheizung unzureichend. Gleichzeitig hat eine solche Wärmepumpe immer eine Begrenzung der verwendeten Temperatur - die minimal zulässige Außenlufttemperatur für den Betrieb.

Moderne Luft-Luft-Wärmepumpen können bei Temperaturen von -25 ° C bis -35 ° C betrieben werden. Die Abnahme der Leistung und die Einschränkung der Temperaturen in der kalten Jahreszeit erlauben es jedoch immer noch nicht, Wärmepumpen als Hauptwärmespender in unserem Klima einzusetzen. In diesem Fall ist ein separates, vollwertiges, unabhängiges Heizsystem erforderlich.



Luft / Wasser-Wärmepumpe

Wärmepumpen, die auch Außenluft als Wärmequelle nutzen. Bei dieser Art von Wärmepumpen wirkt jedoch das Kühlmittel einer Wasserheizung oder die Warmwasserversorgung eines Gebäudes als beheiztes Medium. Die Geräte können in Form von Split-Systemen oder als Monoblock (wenn die Wärmepumpe ein einzelnes Außengerät ist, das direkt an das Wasserversorgungssystem des Gebäudes angeschlossen ist) präsentiert werden. Es werden Modelle sowohl mit geringer Leistung von mehreren Kilowatt als auch mit leistungsstarken Industrieanlagen hergestellt. Kann sowohl im Heizmodus als auch im Kühlmodus arbeiten.

Der Wirkungsgrad solcher Wärmepumpen ist vergleichbar mit den Luft-Luft-Modellen. Die minimale Betriebstemperatur der Außenluft beträgt -25 ° C, die maximale Temperatur des erwärmten Kühlmittels beträgt + 65 ° C. Der durchschnittliche jährliche Umrechnungsfaktor für Luft-Wasser-Systeme beträgt ungefähr 3, während in der warmen Jahreszeit der Wert des POR 5 oder höher sein kann.

Vorteile: Einfache Installation, Integration in ein gemeinsames zweiwertiges System mit nahezu jeder vorhandenen Wärmequelle, entwickeltes Automatisierungssystem. Nachteile: Einschränkungen der verwendeten Temperatur, reduzierte Leistung bei negativen Außentemperaturen. Solche Wärmepumpen werden am häufigsten in Heizungs- und Warmwassersystemen zusammen mit herkömmlichen Wärmequellen wie Diesel-, Elektro- oder Gaskesseln eingesetzt.

Wärmepumpe "Bodenwasser" oder "Sole-Wasser"

Wärmepumpen, die die im Boden gespeicherte Energie als Wärmequelle nutzen, sind die teuerste Installation, aber auch die zuverlässigste und effizienteste Quelle für die Wärmeversorgung von Wärmepumpenanlagen. Wärmepumpen sind in einem breiten Leistungsbereich erhältlich - von kompakten Wärmepumpen für Privathaushalte mit einer Leistung von mehreren Kilowatt bis hin zu kaskadierten Industriegeräten mit einer Leistung von mehreren hundert Kilowatt.

Die Bodentemperatur in der Tiefe bleibt das ganze Jahr über konstant und unterliegt kaum saisonalen Einflüssen. Je nach Art der Erdwärmekontur gibt es Wärmepumpen mit einer vertikalen Kontur - Brunnen und einer horizontalen - mit einer geschlossenen horizontalen Kontur im Boden. Im ersten Fall werden U-förmige Sonden in die Bohrlöcher abgesenkt. Anzahl und Tiefe der Bohrlöcher hängen von der Wärmekapazität der installierten Ausrüstung ab. Bei horizontaler Verlegung sind Erdwärmekollektorschleifen in einer Tiefe angebracht, die die Tiefe des Gefrierens des Bodens (1,2 - 1,5 m) überschreitet.

Gleichzeitig kann der Kollektor selbst entweder ein direkter Wärmepumpenverdampfer (mit Freon gefüllte Kupferrohre) oder ein Zwischenkreis zwischen dem Boden und dem Wärmepumpenverdampfer sein - ein System aus Kunststoffrohren, die mit einem Kühlmittel mit niedriger Kristallisationstemperatur („Sole“) gefüllt sind.

In der Praxis sind Systeme mit der Organisation eines Solezwischenkreislaufs üblicher geworden. Grundwasserwärmepumpen können auch im Sommer als Klimaanlage eingesetzt werden. Sie „pumpen“ buchstäblich Wärme in den Boden und kühlen das Gebäude. Zusätzlich zum Boden kann eine horizontale Erdwärmekontur auf den Boden des Reservoirs gelegt werden.

Sole-Wasser-Wärmepumpen können nicht nur mit einem Erdwärmekreislauf betrieben werden, sondern ermöglichen auch eine rationelle Nutzung der Sekundärenergie, z. B. in Unternehmen, um Abwasser-, Wasserversorgungs- und Entwässerungssystemen, Prozessflüssigkeiten usw. Wärme zu entziehen.

Der COP von Grundwasserwärmepumpen bleibt über die gesamte Betriebsdauer der Anlage nahezu unverändert und beträgt für moderne Anlagen - für Hochtemperaturheizungen - ca. 3,5 und für Niedertemperaturheizungen ca. 4,5 bis 5.

Vorteile: die Möglichkeit, eine Wärmepumpe als Haupt- und einzige Wärmequelle zu Hause einzusetzen, Zuverlässigkeit, vollständige Autonomie des Systems und Automatisierung aller Prozesse, hohe Arbeitseffizienz. Nachteile: teure Installation des vertikalen Stromkreises oder die Notwendigkeit einer großen Fläche zur horizontalen Verlegung des Erdwärmekollektors.

Wasser-Wasser-Wärmepumpe

Eine Vielzahl von Wärmepumpen, die die Auswahl von Wärme aus Wasser ermöglichen, ohne einen Zwischenkreislauf zu organisieren, z. B. durch die Installation eines Systems von Überlaufbrunnen oder die Verwendung von Wasser als Zwischenkühlmittel anstelle von Solelösung. Herkömmlicherweise kann dieser Typ von Wärmepumpe den vorherigen Installationen von "Bodenwasser" und "Salzwasser" zugeschrieben werden.



Lüftungswärmepumpen (Rekuperatoren)

In der Regel Wärmepumpen mit geringer Leistung, die speziell für die Entnahme von minderwertiger Wärme aus Luft mit Temperaturen von -15 ° C bis + 35 ° C aus der Gebäudelüftungsanlage ausgelegt sind. In solchen Systemen strömt die von den Räumlichkeiten kommende Luft, bevor sie auf die Straße abgegeben wird, zuerst durch den Verdampfer der Wärmepumpe und überträgt Wärme an den Freon-Kreislauf. Mit der Wärmepumpe kann die von der Straße kommende Luft, der Wärmeträger der Heizungsanlage oder die Warmwasserversorgung erwärmt werden. Bisher gibt es in Europa eine separate Klasse von Lüftungswärmepumpen für die Warmwasserversorgung, mit denen herkömmliche Elektrokessel ersetzt werden können.

Vorteile von Wärmepumpen

· Eine Wärmepumpe (Boden-Wasser-Typ) kann zusammen mit herkömmlichen Systemen wie einem Gas-, Diesel- oder Elektrokessel eine vollwertige Quelle für die Wärmeversorgung und Klimatisierung eines Gebäudes sein oder in einem einzigen System nach einem zweiwertigen Schema (Luft-Wasser-Typ) betrieben werden.

· Autonomie der Arbeit. Mit der Wärmepumpenautomatik können Sie das Haus während der gesamten Heizperiode völlig autonom und ohne menschliches Eingreifen heizen.

· Möglichkeit der Fernsteuerung und -verwaltung: Moderne Wärmepumpen ermöglichen die Überwachung und Steuerung einer Hausheizungsanlage über das Internet.

· Sicherheit und Umweltfreundlichkeit. Das Fehlen von feuergefährlichen Prozessen der Verbrennung von organischen Brennstoffen mit dem Aufkommen von schädlichen Verbrennungsprodukten.

· Zuverlässigkeit und Haltbarkeit. Die Garantie der Lieferanten von Wärmepumpen für Geräte reicht von 1 bis 5 Jahren. Geschätzte Lebensdauer der Wärmepumpenausrüstung - 20 - 30 Jahre.

· Stille Arbeit. Die Wärmepumpe ist in Bezug auf Laufgeräusche mit einem Kühlschrank vergleichbar.

· Möglichkeit der Installation in einem beliebigen Raum: Für die Installation einer Wärmepumpe ist kein spezieller Raum mit separatem Eingang erforderlich. Die Wärmepumpe kann sogar in der Küche oder im Badezimmer installiert werden.

· Mindestwartungskosten: Keine zusätzlichen Kosten für die Systemwartung während des Betriebs, außer für die Bezahlung des Stromverbrauchs.

· Wirtschaftlichkeit. Die Wärmepumpe verbraucht durchschnittlich viermal weniger Strom als ein Elektrokessel mit ähnlicher Leistung. Die Betriebskosten sind vergleichbar mit den Gaskosten beim Betrieb eines Gaskessels.

Merkmale der Wahl der Wärmepumpe

Die Wärmepumpe ist eine moderne, effiziente und umweltfreundliche Heizquelle. Aufgrund der relativ hohen Ausrüstungskosten (Anfangsinvestition) sollte die Auswahl eines bestimmten Typs und Modells einer Wärmepumpe jedoch so rational wie möglich erfolgen.

In diesem Fall ist es wünschenswert, eine grundlegende Wahl einer bestimmten Wärmequelle zu treffen, noch bevor ein Hausheizsystem entworfen wird. In der Regel kann in neuen Häusern mit einem noch nicht vorhandenen Heizsystem die Wahl eines „Boden-Wasser“ -Systems optimal sein. Bei einer im Haus vorhandenen Hauptwärmequelle, beispielsweise einem Dieselkessel, kann der Einbau einer Luft-Wasser-Wärmepumpe eine sinnvolle Lösung sein.

Bei der Wahl der Leistung der installierten Wärmepumpe ist es wünschenswert, eine thermische Berechnung der Gebäudehülle vorzunehmen, um die Wärmebelastung zu verdeutlichen. Schließlich kann sich der Wärmeverlust zu Hause selbst bei gleicher Heizfläche aufgrund der konstruktiven Merkmale um das 2-fache unterscheiden. Nachdem der Wärmeverbrauch des Gebäudes festgelegt wurde, muss bewertet werden, wie viel Last noch für die Auswahl der Wärmepumpenausrüstung erforderlich ist.

Oft ist es richtiger, eine Wärmepumpe mit einer Leistung von 70-80% der Wärmebelastung des Gebäudes zu wählen, da Die maximale (berechnete) Wärmemenge für die Heizungsanlage wird nur in sehr kurzer Zeit im Jahr benötigt - bei den niedrigsten Temperaturen von -24 ° C und darunter, was in unserem Klima nicht so häufig vorkommt. Es ist sinnvoller, eine Wärmepumpe mit geringerer Leistung zu wählen, um die Investition in die Anlage erheblich zu verringern, und mehrere Stunden pro Jahr eine Spitzenheizung zu verwenden, oder in eine zusätzliche Dämmung der Gebäudehülle zu investieren.

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