Spezielle Wärmepumpen-Arten im Überblick

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.

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.

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.

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

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.

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.

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.

Festkörperbasierte kalorische Wärmepumpen-Systeme auf Basis magneto-, elektro- oder elastokalorischer Materialien werden seit einigen Jahren als eine vielversprechende Alternative zu den herkömmlichen Kompressions-Wärmepumpen gehandelt, da sie entscheidende Vorteile gegenüber kompressorbasierten Wärmepumpen aufweisen. So arbeiten kalorische Wärmepumpen mit unbedenklichen Fluiden wie zum Beispiel Wasser, sind zudem geräuschlos und können noch effizienter eingesetzt werden.

Allen gemein ist ein spezieller Festkörper. Beim magnetokalorischen Effekt erwärmt sich dieses Material, wenn man es einem starken Magnetfeld aussetzt, und kühlt sich ab, wenn man das Magnetfeld entfernt. Legt man ein elektrisches Feld an elektrokalorische Materialien an, so richten sich die elektrischen Momente im Feld aus – das Material erwärmt sich. Elastokalorische Materialien erwärmen sich hingegen, wenn man auf sie Druck ausübt.