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Wärmepumpen: wie funktionieren sie und welcher Unterhalt ist erforderlich?

26/03/2021

Wärmepumpen (WP) sind aktuell der Renner bei Heizungen! Diese Systeme bieten zahlreiche Vorteile und in vielen Ländern gibt es neue Gesetze oder Bestimmungen um ihre Anschaffung zu fördern. Dies gilt erst recht angesichts ökologischer Erwägungen und im Rahmen der Anstrengungen gegen die weltweite Klimaerwärmung. Dieses umfassende Dossier bietet eine nützliche Handreichung, um diese Technologie wirklich zu verstehen.

Warum sollte man eine Wärmepumpe installieren?
  • Weil Erdgas steht nicht mehr hoch im Kurs steht:
    Viele Regierungen (insbesondere in Europa) entscheiden sich unter dem Eindruck der ökologischen Klimasituation dafür, mit elektrischem Strom betriebene Wärmepumpen anstelle von Gasheizungen zu fördern. Ziel ist eine Verringerung der CO2-Emissionen in die Atmosphäre und eine geringere Abhängigkeit von schwankenden, häufig steigenden Gaspreisen. In Frankreich beispielsweise sind Wärmepumpen ab Sommer 2021 eine der Lösungen, die beim Bau neuer Einfamilienhäuser anstelle von Gasheizungen gefördert werden.

  • Weil Wärmepumpen haben einen hervorragenden Wirkungsgrad besitzen:
    Die Energieeffizienz einer Wärmepumpe ist besser als die der besten Brennwertgeräte. Der Wirkungsgrad geht allerdings zurück, wenn die Lufttemperatur unter -7°C fällt, aber man kann dem in sehr kalten Regionen Rechnung tragen, indem man bei der Installation einige Regeln beachtet.

  • Weil die Technologie zuverlässig und gut erprobt ist:
    Eine Wärmepumpe funktioniert genau wie das Aggregat einer Klimaanlage oder auch eines Kühlschranks. Diese Technik ist schon lange in Gebrauch und wurde ständig verbessert, sodass heute sehr wenig Probleme beim Unterhalt auftreten.

  • Weil die Anwendungsmöglichkeiten sehr flexibel sind:
    Es können viele verschiedene Typen von WP installiert werden, wodurch man für alle Gebäude und Umgebungen eine geeignete Lösung findet. Es ist gut zu wissen, dass eine WP eine asheizung ersetzen kann, ohne dass in einer Wohnung der bestehende Heizwasserkreislauf ersetzt werden muss. Damit lässt sich sogar ein Schwimmbecken beheizen!

  • Weil es möglicherweise staatliche finanzielle Hilfen gibt:
    Um Eigenheimbesitzern einen Anreiz für das Installieren einer Wärmepumpe als Ersatz für eine Gasheizung zu bieten, gewähren manche Länder Zuschüsse für den Umbau. Manche Zuschussprogramme sind sehr interessant, weil sie die Installationskosten beträchtlich senken.

Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Eine Wärmepumpe gewinnt die Außenwärme und speist sie dann in das Gebäudeinnere ein. Sie funktioniert mit einem Kühlmittelkreislauf, der die (thermische) Wärmeenergie mithilfe eines Aggregatzustandswechsels befördert:

  • Schritt 1: Außen gewinnt der Verdampfer die Umgebungswärme, um das stark abgekühlte Kältemittel zu erwärmen, das bei niedrigem Druck überwiegend flüssig ist. Dann wechselt das Kühlmittel in den Gaszustand. Dieses Gas wird dann von einem Kompressor abrupt komprimiert, wobei es sich stark erwärmt.

  • Schritt 2: Im Inneren tritt dieses heiße Gas in einen Kondensator ein, der seine Wärme aufnimmt, um mit Wasser oder Luft die Wohnung zu beheizen. Dadurch kühlt er das Kühlmittel ab, das kondensiert und wieder (nahezu) in den flüssigen Zustand übergeht. Dann passiert das Kältemittel einen Entspanner, der abrupt seinen Druck senkt und damit auch seine Temperatur. Weiter geht es wieder mit Schritt 1!

Die in diesem Diagramm genannten Temperaturen und Wattzahlen sind Richtwerte, sie können abweichen.

Das Funktionsprinzip einer Wärmepumpe entspricht also genau dem umgekehrten Prinzip einer Klimaanlage. Aus diesem Grund ist es möglich, eine reversible WP (Inverter-WP) zu installieren, die im Sommer kühlen und im Winter heizen kann. Im Sommer übernimmt der außenliegende Teil die Funktion des Kondensators und der innenliegende Teil wird zum Verdampfer.

So gesehen ist es wichtig, zu Beginn die richtige Wärmepumpe zu installieren:

  • Die Luft-Wasser Wärmepumpe: sie besteht aus einer außenliegenden Baugruppe, die Luft der Umgebungstemperatur befördert, um das Kältemittel zu erwärmen. Der Kreislauf speist dann eine herkömmliche Warmwasserheizung (mit Heizkörpern oder Fußbodenheizung) und sorgt auch für das warme Brauchwasser.

  • Die Wasser-Wasser Wärmepumpe: sie gestattet, das Kältemittel passiv zu erwärmen, indem sie es durch einen natürlichen Wasserkörper (Grundwasser, See, Fluss, usw.) zirkulieren lässt. Sparsamer im Energieverbrauch und auch besser für sehr kalte Winter geeignet.

  • Die Luft-Luft Wärmepumpe (oder auch Wasser-Luft): sie beheizt Innenräume mithilfe von internen Splits, die warme Luft befördern. Zum Heizen etwas weniger effizient und schwer für ein warmes Brauchwassersystem anzupassen. Der wichtigste Vorteil besteht allerdings in der Umkehrbarkeit, sodass im Sommer mit derselben Ausstattung eine Klimaanlage betrieben werden kann.

Die WP gewinnen die Wärme der Außenluft, weshalb der Wirkungsgrad bei sehr kalten Wintern deutlich nachlässt. Ab -7°C benötigt man sehr viel mehr Energie, um Wärme aus der Außenluft zu gewinnen, um das Kältemittel im Verdampfer zu erwärmen. Eine kluge Vorgehensweise ist, den Lufteintritt in einiger Entfernung vom Verdampfer zu platzieren, und beide durch ein langes unterirdisches Rohrsystem miteinander zu verbinden. Dadurch wird die Luft ganz natürlich durch Geothermie-Wärme erwärmt, bevor sie in den Verdampfer gelangt. Man nennt dies auch einen Erdwärmetauscher.

Der Wirkungsgrad einer WP wird mit einer Leistungskennzahl definiert: dem COP (Coefficient of Performance). So bedeutet beispielsweise ein COP von 3, dass die Pumpe bei einem Energieverbrauch von 1 kW einen Wärmeertrag von 3 kW hat. Ganz einfach indem man aus der Außenwärme 2 kW "kostenloser" Energie gewinnt. Somit leuchtet auch ein, dass der COP von der Außentemperatur abhängig ist.

Der Unterhalt von WP: welche Kontrollen sind erforderlich?

Einer der größten Vorteile der WP ist ihre Zuverlässigkeit. Sofern kein Leck auftritt, was sehr selten der Fall ist, ist das Kältemittel zeitlich unbegrenzt nutzbar. Kaum anders als ein Kühlschrank, der viele Jahre unterhaltsfrei läuft. Nichtsdestotrotz müssen WP fortan in bestimmten Ländern, wie z. B. in Frankreich, alle zwei Jahre überprüft werden (bei leistungsstarken WP jährlich). Allerdings muss man verschiedene Dinge überprüfen, die nachstehend mit abnehmender Wichtigkeit aufgeführt sind. Für solche Maßnahmen benötigt man ein sogenanntes Manifold-Messgerät, ein größeres Messgerät, das in der Klimatechnik weithin gebräuchlich ist.

  1. Kühlmittelleck:
    Ein sehr seltenes Problem, das eine WP allerdings völlig lahmlegt. Um ein Leck zu lokalisieren ist ein Kältemitteldetektor wie etwa unser DF 110 unverzichtbar. Im Fall einer Leckage muss man den Kreislauf entleeren, und seine Dichtigkeit durch Evakuierung, mithilfe eines in unserem Manifold-Messgerät Si-RM3 integrierten Vakuummeter überprüfen.

  2. Messung von Hochdruck und Niederdruck:
    Diese Maßnahme gestattet auch, eine Leckage festzustellen, wenn die Differenz (Delta) zwischen Überdruck und Unterdruck nicht ausreicht. Vor allem kann man damit den ordnungsgemäßen Wirkungsgrad der WP und die Funktion von Kompressor und Entspanner überprüfen. Um diese doppelte Messung gleichzeitig vorzunehmen, ist ein spezielles Manometer erforderlich, wie beispielsweise unser Manifold-Messgerät Si-RM3 oder Si-RM13.

  1. Messung von Überhitzung und Unterkühlung:
    Ein Thermometer mit Thermoelement, wie unser neues Si-TT3, das in Kontakt mit dem kältemittelgefüllten Kupferrohr die präzise Messung dieser beiden Temperaturen gestattet: die Überhitzungstemperatur am Ausgang des Kompressors und die Unterkühlung am Ausgang des Entspanners. Wenn die WP ordnungsgemäß funktioniert, stimmen diese Temperaturen mit den thermischen Eigenschaften der Zustandsänderung des in dem Kreislauf vorhandenen Kältemittels überein. Unser digitales Manifold-Messgerät Si-RM3 umfasst Thermoelement-Thermometer, damit diese Messung gleichzeitig mit der Druckmessung erfolgt. Seine Anwendung gestattet also die automatische Berechnung der Kohärenz der Messungen von 126 verschiedenen Kältemitteln, je nach ihren zuvor abgespeicherten thermischen Eigenschaften.

  2. Austausch des Kältemittels:
    Zur Modernisierung der WP oder für die Verbesserung ihres Wirkungsgrads muss bisweilen das Kältemittel vollständig ausgetauscht werden. Es muss zur Wiederverwertung rückgewonnen werden und man muss sich vergewissern, dass der Kreislauf am Ende der Maßnahme ganz leer ist. Auch hier ist ein Vakuummeter erforderlich, wie es in unser Manifold-Messgerät Si-RM3 oder Si-RM13 integriert ist, das auch für andere Maßnahmen bei der Inbetriebnahme dienlich ist.

  1. Inbetriebnahme und Befüllung mit dem Kältemittel:
    Bei der Wiederinbetriebnahme der WP nach der Reparatur eines Lecks oder einem Austausch des Kühlmittels erfordert das Befüllen des Kühlkreislaufs auch ein Manifold-Messgerät für die notwendigen Messungen von Evakuierung, Druck und Temperatur.

  2. Kontrolle und Reinigung des thermodynamischen Systems:
    Der Unterhalt betrifft auch alles, was mit dem Kern der WP in Verbindung steht. Bei Systemen mit Warmwasserheizung muss man auch das Funktionieren des Warmwasserspeichers, der Wasserpumpen des Heizungssystems, des Kompressors, des Entspanners und der elektrischen Einrichtungen überprüfen. Ein Infrarotthermometer wie unser Si-TI3 kann insbesondere ungewöhnliche Wärmeentwicklung in den elektrischen Systemen erkennen. Bei Inverter-WP ist es auch notwendig, das ordnungsgemäße Funktionieren der Kondensatpumpen zu überprüfen, sie zu reinigen (siehe unsere Reinigungsanleitung), oder sie gegebenenfalls zu ersetzen (siehe unsere Mini-Kondensatpumpen für Klimageräte).

  3. Volumenstrom am äußeren Verdampfer und an den inneren Luftkondensatoren:
    Die letzte Maßnahme ist die einfachste: vergewissern Sie sich, dass die Lüftungsgeräte ordnungsgemäß funktionieren, indem Sie mit einem Flügelradanemometer wie unserem Si-VV3 oder jedem anderen Multifunktionsgerät wie dem AMI 310 die beförderten Luftströme messen. Um an Verdampfern und Kondensatoren wieder einen guten Wirkungsgrad herzustellen, können eine Reparatur des Ventilators und eine Reinigung (Blätter, Moos, Staub) erforderlich sein. Dies trägt auch zu einer Senkung ihrer Betriebsgeräusche bei.

Viele weitere Informationen über die für den Unterhalt einer WP erforderlichen Instrumente finden Sie, indem Sie alle Produkte von Sauermann aufrufen, wo Sie alle hierzu erforderlichen Messgeräte und Kondensatpumpen zusammengefasst finden.

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Wärmepumpen

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