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Spezielle Wärmepumpen-Arten im Überblick

Neben den typischen Außenluftwärmepumpen und Erdwärmepumpen, die sehr häufig in Einfamilienhäusern als umweltfreundliche Zentralheizung zum Einsatz kommen, gibt es eine Vielzahl von unterschiedlichen Wärmepumpen-Arten, die für spezielle Anforderungen entwickelt wurden. Wir stellen Ihnen hier eine Auswahl verschiedener Arten von Wärmepumpen vor und erklären ihren jeweiligen Einsatzzweck.

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Solar-Wärmepumpen

Schematische Darstellung einer Solarthermieanlage mit einer Luftwärmepumpe (Grafik: Bundesverband der Deutschen Heizungsindustrie e.V. (BDH), Köln)
Schematische Darstellung einer Solarthermieanlage mit einer Luftwärmepumpe (Grafik: Bundesverband der Deutschen Heizungsindustrie e.V. (BDH), Köln)

Wärmepumpen lassen sich auch mit Solarwärme-Anlagen als auch mit Solarstrom-Anlagen sinnvoll kombinieren. Hierzu kommen in der Regel normale Luft- oder auch Sole-Wasser-Wärmepumpen zum Einsatz, die entweder mit einer speziellen Regelung mit dem eigenen Solarstrom versorgt werden oder direkt oder auch indirekt von der auf dem Dach gewonnenen Solarwärme profitieren.

Bei diesen Wärmepumpen-Arten unterscheidet man drei grundsätzlich Kombinationsmöglichkeiten:

  • Solarkollektoren unterstützen die Wärmepumpe durch Einspeisung in den Solarspeicher (direkte Einbindung). Mit der Wärmepumpe wird so auch bei niedrigen Einstrahlungswerten, z.B. im Winter, ein ausreichend hohes Temperaturniveau bereitgestellt.
  • Solarwärme wird dazu genutzt, die Wärmequelle der Wärmepumpe zu unterstützen. Dies kann z. B. über einen Eisspeicher passieren oder die Solarwärme wird genutzt, um das Erdreich um einen Erdwärmetauscher schneller zu regenerieren.
  • Eine Photovoltaik-Anlage versorgt die Solar-Wärmepumpe mit Strom. Die Wärmepumpe dient dann vornehmlich zur Steigerung des Eigenverbrauchs von Solarstrom und somit zu einem wirtschaftlich vorteilhafteren PV-Betrieb als der Einspeisung des Solarstroms ins Stromnetz.

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Hochtemperatur-Wärmepumpen

Die Sabroe HeatPAC™ HPX-Wärmepumpen-Baureihe von Johnson Controls ist eine industrielle Hochtemperatur-Wärmepumpe, die bis zu 90°C heißes Wasser aus Abwärme erzeugt. (Foto: Johnson Controls Denmark ApS)
Die Sabroe HeatPAC™ HPX-Wärmepumpen-Baureihe von Johnson Controls ist eine industrielle Hochtemperatur-Wärmepumpe, die bis zu 90°C heißes Wasser aus Abwärme erzeugt. (Foto: Johnson Controls Denmark ApS)

Unter Hochtemperatur-Wärmepumpen versteht man sowohl Wärmepumpen, die hohe Heiz- und Brauchwassertemperaturen erzeugen können als auch Wärmepumpen, die hohe Wärmequellentemperaturen nutzen können.

Bei diesen Arten von Wärmepumpen unterscheidet man einerseits Hochtemperatur-Wärmepumpen mit Heißgas und Wärmepumpen mit zweistufigem Kreisprozess.

  • Auf Heißgas basierende Arten von Wärmepumpen nutzen das heiße dampfförmige und bereits verdichtete Kältemittel durch Weiterleitung an einen zusätzlichen Wärmetauscher, über den der obere Speicherbereich des Frischwasserspeichers aufgeheizt wird. Daher spricht man hierbei auch von einer sogenannten "Topladung" oder "Toploader".
  • Wärmepumpen mit zweistufigem Kreisprozess besitzen hingegen zwei hintereinandergeschaltete Kreisprozesse. Erzeugt also die "erste Wärmepumpe" eine Temperatur von z. B. 40°C so nutzt das danach geschaltete Wärmepumpenmodul diese Temperatur als Eingangstemperatur und pumpt das Temperaturniveau weiter hoch.

Neben Wärmepumpen-Arten, die hohe Heiz- und Brauchwassertemperaturen erzeugen, gibt es auch Wärmepumpen, die hohe Medientemperaturen nutzbar machen können. Um z. B. industrielle Abwärme mit Temperaturen von über 70°C oder 80°C sinnvoll nutzen zu können, wurden Wärmepumpenarten mit speziellen Kältemitteln entwickelt.

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Eisspeicher-Wärmepumpen

Schematische Darstellung der Anbindung eines Eisspeichers an eine Wärmepumpe als Wärmequelle und Speicher der Wärme der Solarkolektoren. (Abbildung: Viessmann Werke)
Schematische Darstellung der Anbindung eines Eisspeichers an eine Wärmepumpe als Wärmequelle und Speicher der Wärme der Solarkolektoren. (Abbildung: Viessmann Werke)

Um solarthermische Energiequellen saisonübergreifend nutzbar zu machen, werden heutzutage sogenannte Eisspeicher genutzt, die die Energie des Phasenwechsels von Wasser per Wärmepumpe nutzen. Diese Latentwärmespeicher sind mittlerweile auch als Standardlösung für normale Ein- und Zweifamilienhäuser erhältlich und helfen, die Effizienz von Wärmepumpen deutlich zu steigern oder bei gleichbleibender Effizienz der Wärmepumpe die Investition in den Erdwärmetauscher zu reduzieren.

Der "Eisspeicher" speichert Temperaturen um den Gefrierpunkt und ermöglicht es daher der Solaranlage auch Niedertemperaturwärme im Winter zu sammeln und über den Eisspeicher der Wärmepumpe zuzuführen. Als latenter Eisspeicher können Zisternen mit Regenwasser ebenso verwendet werden wie Kies-Wasser- oder Paraffinspeicher. Neben der Heizfunktion lassen sich Eisspeicher auch zum Kühlen von Immobilien nutzen.

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Gaswärmepumpen

Mitsubishi Gaswärmepumpe-Außengerät zum Heizen, Kühlen und Klimatisieren (Foto: Mitsubishi Heavy Industries / ASUE e.V.)
Mitsubishi Gaswärmepumpe-Außengerät zum Heizen, Kühlen und Klimatisieren (Foto: Mitsubishi Heavy Industries / ASUE e.V.)

Die Gaswärmepumpe ist eine Wärmepumpen-Art, die mit Erdgas angetrieben wird. Durch die Nutzung von Umgebungswärme wird der Wirkungsgrad im Vergleich zum kondensierenden Gas-Brennwertkessel weiter gesteigert.

Es gibt drei unterschiedliche Arten von Gas-Wärmepumpen:

  • Gasmotor-Wärmepumpe
  • Absorptions-Wärmepumpe
  • Diffusions-Absorbtions-Wärmepumpe

Die gebräuchlichste Art ist die Gasmotor-Wärmepumpe, bei der der Kompressor von einem Gasmotor angetrieben (in einer Elektrowärmepumpe ist dies ein Elektromotor) wird. Der Gasmotor gibt, wie der Motor eines Autos, auch Wärme ab. Diese Abwärme geht aber nicht verloren, sondern wird ebenfalls zum Heizen verwendet. Dieser Wärmepumpen-Prozess kann auch umgekehrt werden, wodurch aus der gleichen Maschine eine Kältemaschine wird, die im Sommer zum Kühlen von Gebäuden eingesetzt werden kann.

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Abwasserwärmepumpen

Bislang wird Abwasser von privaten Haushalten und der Industrie über die kommunalen Kanalnetze überwiegend direkt in die Kläranlagen geleitet. Die enthaltene Wärme geht so ungenutzt verloren. Mit speziellen Abwasser-Wärmepumpen ist es möglich, diese Wärmeenergie zur Wärmeversorgung von Gebäuden zu nutzen und so Gas und Öl einzusparen. Die Rückgewinnung von Abwasserwärme eignet sich vor allem für das Beheizen größerer Gebäude wie Schulen und Krankenhäuser. Die so gewonnene Wärme kann außerdem alternativ in ein Nahwärmenetz eingespeist werden.

Die Wärmegewinnung aus Abwasser funktioniert so: Wasser wird im Winter mit einer Temperatur von sechs bis zehn Grad Celsius in das Versorgungsnetzt gepumpt. Je nach Nutzung in privaten Haushalten oder in industriellen Prozessen wird das Wasser aufgeheizt, sodass sich nach Ableitung im Kanalnetz im Winter eine Durchschnittstemperatur von etwa 12 bis 15 Grad ergibt. Über im Kanalnetz installierte Abwasserwärmetauscher kann dem Abwasser diese Wärme wieder entzogen und über diese Arten von Wärmepumpen zum Heizen nutzbar gemacht werden.

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CO2-Wärmepumpen

thermeco2 Hochtemperaturwärmepumpe HHR 1000 (Foto: Dürr thermea GmbH)
thermeco2 Hochtemperaturwärmepumpe HHR 1000 (Foto: Dürr thermea GmbH)

Eine weitere spezielle Art von Wärmepumpen stellen CO2-Wärmepumpen dar. Diese nutzen das natürliche Kältemittel CO2 (R744) um Vorlauftemperaturen für Heiz- und Prozesswärme bis 90 °C herzustellen. Aufgrund der besonderen Eigenschaften des CO2 als Kältemittel lassen sich hohe Temperaturen auch aus vorhandenen Niedertemperaturquellen wie industrieller Abwärme und Abwasser bis 35 °C erzeugen.

Die Wärmerückgewinnung von Energie aus Kühlwässern, Rückkühlern oder Abwässern durch den Einsatz von CO2-Hochtemperaturwärmepumpen verringert so den Primärenergieeinsatz und CO2-Emissionen. Energetisch besonders effektiv ist es, mit CO2-Hochtemperaturwärmepumpen die Kälteerzeugung bis - 10°C mit der Hochtemperatur-Wärmerückgewinnung bis 90°C zu kombinieren.

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Großwärmepumpen

Ochsner gehört zu den wenigen Herstellern, die ein eigenes Unternehmen zur Weiterentwicklung von Wärmepumpen für große Leistungen und hohe Temperaturen gegründet haben. (Foto: Ochsner)
Ochsner gehört zu den wenigen Herstellern, die ein eigenes Unternehmen zur Weiterentwicklung von Wärmepumpen für große Leistungen und hohe Temperaturen gegründet haben. (Foto: Ochsner)

Große Wärmepumpen-Arten werden für das wirtschaftliche und emissionsfreie Beheizen und Kühlen von großvolumigen Bauten eingesetzt, die heute meist mit Öl, Gas oder Fernwärme beheizt und mit Kaltwassersätzen gekühlt werden. In vielen Fällen besteht sowohl Heiz- als auch Kühlbedarf – entweder je nach Jahreszeit abwechselnd oder auch gleichzeitig. Statt das Gebäude herkömmlich fossil zu beheizen und mit Kaltwassersätzen zu kühlen, kann eine Großwärmepumpe beide Funktionen übernehmen. Dadurch ergeben sich geringere Investitionskosten, aber insbesondere niedrigere Energiekosten für das Heizen und Kühlen.

Hinzu kommt, dass sich gerade durch den ganzjährigen Bedarf an niedertemperierter Wärme und Kälte Investitionen in Wärmepumpenlösungen schnell amortisieren und durch den voll automatisierten Betrieb, Smart Metering und geringen Wartungsbedarf spürbare Effizienzsteigerungen im Facility Management resultieren. Nebenbei muss erwähnt werden, dass eine auf Effizienz ausgelegte Großwärmepumpe bzw. Industriewärmepumpe auch im Kühlbetrieb wirtschaftlicher, also mit niedrigeren Betriebskosten arbeitet als eine Kältemaschine.

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Inverter-Wärmepumpe

Stiebel Eltron bietet invertergeregelte Heizungswärmepumpen (hier: Integralsystem LWZ 504 zum Heizen, Warmwasserbereiten, Lüftung mit Wärmerückgewinnung und Kühlen) für einen optimalen Betrieb mit PV-Anlagen. (Foto: STIEBEL ELTRON GmbH & Co. KG)
Stiebel Eltron bietet invertergeregelte Heizungswärmepumpen (hier: Integralsystem LWZ 504 zum Heizen, Warmwasserbereiten, Lüftung mit Wärmerückgewinnung und Kühlen) für einen optimalen Betrieb mit PV-Anlagen. (Foto: STIEBEL ELTRON GmbH & Co. KG)

Bis vor wenigen Jahren gab es ausschließlich Wärmepumpen, bei denen der Verdichter mit einer konstanten Drehzahl läuft (An und Aus). Neuere Wärmepumpen mit Inverter-Technik regulieren hingegen permanent und stufenlos die Drehzahl des Verdichters. Im Teillastbereich arbeitet die Wärmepumpe dann effizienter als unter Volllast.

Das Inverter-Prinzip beruht darauf, dass die Arbeitsleistung des Wärmepumpen-Kompressors durch einen Frequenzumrichter ("Inverter") gesteuert wird. Diese Betriebsweise wird auch Modulation bzw. die entsprechenden Wärmepumpen modulierende Wärmepumpen genannt.

Herkömmliche Wärmepumpen ohne Frequenzregelung beziehungsweise Inverter schalten sich bei Wärmebedarf ein und laufen unter Volllast. Ist die Anforderung erreicht bzw. die gewünschte Wärmemenge produziert, schalten sie sich wieder aus. Eine Wärmepumpe mit Inverter hingegen passt ihre Leistung stufenlos dem Bedarf an, sodass sie nicht mit der vollen Wärmepumpenleistung arbeitet, sondern immer nur mit der Leistung, die für das Anforderungsniveau ausreicht.

Speziell in Kombination mit einer Photovoltaikanlage bietet die variable Drehzahl den Vorteil, dass die Inverter-Wärmepumpe gleichmäßiger und öfter läuft und so einen höheren Eigenverbrauch und einen besseren Autarkiegrad der Solaranlage ermöglicht.

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"Wärmepumpen-Arten im Überblick" wurde am 08.10.2015 verfasst und am 15.02.2017 das letzte Mal aktualisiert.