Arten und Betriebsweisen von Wärmepumpen

Wyobraź sobie, że otaczająca nas energia - ciepło ziemi, powietrze wokół nas - mogłaby być wykorzystana bezpośrednio do ogrzewania naszych domów i biur. Brzmi to prawie jak magia, ale w rzeczywistości jest to zaawansowana technologia, która jest już dostępna dzisiaj: pompy ciepła. Urządzenia te mają niezwykłą zdolność czerpania energii bezpośrednio z naszego środowiska i mogą stanowić rewolucję w sposobie myślenia i wykorzystywania energii.

Pompy ciepła to urządzenia, które transportują ciepło z lokalizacji o niskiej temperaturze do miejsca o wyższej temperaturze, a tym samym pomagają efektywnie ogrzewać lub chłodzić budynki. Ze względu na zdolność do wykorzystywania ciepła pochodzącego z otoczenia i wykorzystania go do procesu ogrzewania lub chłodzenia stanowią przyjazną dla środowiska alternatywę dla konwencjonalnych systemów grzewczych.

Ale jak dokładnie działa pompa ciepła i jakie są różne typy i tryby pracy? W tym artykule na blogu chcemy bliżej przyjrzeć się działaniu pomp ciepła i przyjrzeć się bliżej różnym opcjom.

Energia odnawialna jako źródło ciepła: zrównoważone zaopatrzenie w ciepło za pomocą pomp ciepła

Stale rosnące obawy związane ze zmianami klimatu i potrzebą zmniejszenia emisji CO2 zintensyfikowały poszukiwania zrównoważonych rozwiązań energetycznych. Jednym z takich rozwiązań jest technologia pomp ciepła, która wykorzystuje energię odnawialną z naszego bezpośredniego sąsiedztwa. Ale jak wypada w porównaniu z konwencjonalnymi systemami grzewczymi i jaki ma wpływ na bilans CO2?

Porównanie z konwencjonalnymi systemami grzewczymi

Chociaż konwencjonalne systemy grzewcze, takie jak te zasilane olejem lub gazem, są szeroko stosowane, mają pewne wady pod względem wydajności i przyjazności dla środowiska. Ich sposób działania opiera się na spalaniu paliw kopalnych, co prowadzi do wysokich emisji CO2 i innych zanieczyszczeń. Starzejący się system ogrzewania oleju o mocy grzewczej około 18 000 kWh rocznie wytwarza około 4,8 tony CO2 — pompa ciepła o porównywalnej mocy może być prawie neutralna pod względem emisji CO2, w zależności od źródła zasilania. Dla porównania, należy posadzić 80 drzew, aby związać tonę CO2 (4,8 t CO2 = 384 drzewa) każdego roku!

Z drugiej strony pompy ciepła wykorzystują energię z ziemi, powietrza lub wody do wytwarzania ciepła dla przestrzeni mieszkalnych lub wody. Do funkcjonowania potrzebują tylko energii elektrycznej — a coraz częściej można ją uzyskać ze źródeł odnawialnych. W rezultacie są w stanie dostarczyć więcej energii w postaci ciepła niż zużywają w postaci energii elektrycznej, co czyni je niezwykle wydajną metodą ogrzewania.

Bilans CO2 i zrównoważony rozwój

Spalanie dowolnego paliwa, czy to oleju opałowego, węgla, gazu czy drewna, powoduje emisję CO2. Jednak emisje te różnią się w zależności od zawartości energii danego paliwa. Na przykład stosunek wartości opałowej do emitowanego CO2 jest o 0,266 kg/kWh mniej korzystny w porównaniu do granulatu 0,036 kg/kWh.

Drewno jest szczególnie ważne, jeśli chodzi o neutralność klimatyczną: podczas fazy wzrostu drzewo pochłania ilość CO2, która odpowiada ilości uwalnianej podczas spalania. Jednak w szczególności spalanie pelletu lub całych kłód prowadzi do znacznej emisji cząstek stałych. Ponadto potrzeba pewnego czasu, zanim spalone drzewo zostanie zrekompensowane przez kolejne pokolenia.

Bilans CO2 pomp ciepła jest znacznie lepszy niż w przypadku konwencjonalnych systemów grzewczych. Nawet jeśli bierzemy pod uwagę zużycie energii elektrycznej przez pompę ciepła, jej ślad węglowy jest często niższy, zwłaszcza gdy energia elektryczna pochodzi ze źródeł odnawialnych. W krajach lub regionach o wysokim udziale energii odnawialnej w miksie energii elektrycznej pompy ciepła mogą umożliwić działanie prawie neutralne pod względem emisji CO2. Jeśli wytwarzasz tę energię elektryczną samodzielnie za pomocą paneli słonecznych, emisja CO2 jest prawie zerowa.

Ponadto pompy ciepła są długoterminową inwestycją w zrównoważony rozwój. Ponieważ nie opierają się na ograniczonych paliwach kopalnych, oferują przyszłościowe rozwiązanie grzewcze, które jest zgodne z globalnymi celami redukcji emisji.

‍

‍

‍

‍

‍

‍

‍

‍

‍

‍

‍

‍

‍

‍

‍

‍

‍

‍

‍

‍

Natura jako źródło energii: przegląd typów pomp ciepła i ich źródeł ciepła

Pompy ciepła stanowią punkt zwrotny we współczesnym wytwarzaniu energii poprzez wykorzystanie sił regeneracyjnych natury zamiast opierania się na konwencjonalnych paliwach. Energię czerpią bezpośrednio ze środowiska, czy to z powietrza, wody czy gleby, i przekształcają tę energię w ciepło. Takie podejście jest całkowicie zgodne ze zrównoważoną przyszłością, która ogranicza zależność od paliw kopalnych i innych tradycyjnych źródeł energii. Ale jakie rodzaje pomp ciepła istnieją i jakie różnice należy wziąć pod uwagę?

pompa ciepła powietrze-woda

Pompa ciepła powietrze-woda pobiera ciepło z powietrza zewnętrznego i przekazuje je do systemu grzewczego. W zależności od ich projektu i przeznaczenia rozróżniamy:

• Niskotemperaturowa pompa ciepła powietrze-woda: Ten wariant jest przeznaczony do generowania niskich temperatur przepływu i dlatego jest idealny do systemów ogrzewania podłogowego. Ze względu na niskie temperatury przepływu działa szczególnie wydajnie i może osiągnąć doskonałą wydajność grzewczą w dobrze izolowanych budynkach (klasa efektywności energetycznej A++ i lepsza). Zwykle osiąga roczny współczynnik wydajności (JAZ) około 4 do 5, co oznacza, że wytwarza około 4 do 5 jednostek energii cieplnej na każdą jednostkę zużytej energii elektrycznej.
• Wysokotemperaturowa pompa ciepła powietrze-woda: W przeciwieństwie do wariantu niskotemperaturowego, ten typ pompy ciepła może osiągnąć wyższe temperatury przepływu. To sprawia, że idealnie nadaje się do klasycznych systemów grzejników, które wymagają wyższych temperatur. Może być również używany do dostarczania ciepłej wody. JAZ jest zwykle nieco niższy, w przybliżeniu w zakresie od 3 do 4, tj. w zakresie klasy efektywności energetycznej A+.
• Monoblokowa pompa ciepła powietrze-woda: Dzięki tej konstrukcji wszystkie ważne elementy pompy ciepła są zintegrowane w jednym urządzeniu. Z reguły monoblokowa pompa ciepła powietrze-woda jest instalowana na zewnątrz budynku. Ten wariant jest szczególnie oszczędzający miejsce i łatwy w instalacji. Wydajność zależy od dokładnego projektu, ale może być podobna do wariantu niskotemperaturowego.
• Pompa ciepła powietrze-woda z systemem dzielonym: W przeciwieństwie do monoblokowej pompy ciepła jednostki zewnętrzne i wewnętrzne systemu split są oddzielone. Czynnik chłodniczy krąży tylko na zewnątrz, co oferuje kilka zalet, takich jak bardziej elastyczna instalacja i mniejsze zanieczyszczenie hałasem w pomieszczeniach. Wydajność jest porównywalna z wariantem niskotemperaturowym.
• Pompa ciepła powietrze-powietrze: Ten specjalny typ pompy ciepła pobiera ciepło z powietrza zewnętrznego i przenosi je bezpośrednio do powietrza wewnętrznego. Działa podobnie jak klimatyzator, ale może być również używany do ogrzewania. Pompy ciepła powietrze-powietrze są wydajne i idealnie nadają się do ukierunkowanego ogrzewania pomieszczeń. Ich wydajność zależy od projektu, ale zwykle znajduje się w zakresie innych pomp ciepła powietrze-woda.

pompa ciepła woda do wody

Ta specjalistyczna pompa ciepła wykorzystuje wody gruntowe jako źródło ciepła. Szczególną cechą wód gruntowych jest jej stała temperatura, która jest wyższa niż dziesięć stopni Celsjusza przez cały rok. To sprawia, że obsługa jest szczególnie wydajna i niezawodna.

Pompa ciepła współpracuje z dwoma studniami: studnią ssącą i studnią absorpcyjną. Studnia ssąca wydobywa wody gruntowe, które służą jako źródło energii, podczas gdy studnia ssąca zwraca wodę z powrotem do ziemi. Wody gruntowe są wykorzystywane w pompie ciepła do wytwarzania ciepła, które jest następnie podawane do systemu grzewczego budynku.

Wydajność pompy ciepła woda-woda zależy od kilku czynników, w tym składu wody i ilości dostępnych wód gruntowych. Wymagane jest staranne planowanie i doradztwo, aby zapewnić ekonomiczną eksploatację tego typu pomp ciepła. Ważnym aspektem przy planowaniu pompy ciepła woda-woda jest ochrona wody, ponieważ pewne warunki muszą zostać zatwierdzone przez właściwe organy. Wskazane jest wcześniejsze skontaktowanie się z odpowiednimi urzędami, aby upewnić się, że wszystkie niezbędne pozwolenia można uzyskać przed zakupem.

pompa ciepła wody solankowej

W porównaniu z pompami ciepła powietrze-woda, pompy ciepła z wodą morską generalnie osiągają wyższą wydajność. Gleba, z której pompy ciepła wody solankowej wydobywają ciepło, zapewnia stosunkowo stałą i umiarkowaną temperaturę przez cały rok. Natomiast temperatura powietrza, od której zależą pompy ciepła powietrze-woda, może się znacznie wahać i być znacznie niższa w mroźnych miesiącach zimowych. Ważnym wskaźnikiem wydajności pompy ciepła z wodą morską jest różnica między temperaturą wylotową źródła ciepła a temperaturą przepływu systemu grzewczego. Im niższa różnica temperatur, tym wydajniej działa pompa ciepła.

Wydajność pompy ciepła z wodą morską można przewidzieć za pomocą wytycznych VDI 4650. Ta metoda obliczeniowa opiera się na COP (współczynniku wydajności) pompy ciepła i różnych parametrach systemu. Roczna wartość wydajności (JAZ) jest sumą wszystkich COP występujących w ciągu roku i służy do określenia rzeczywistej wydajności instalacji.

Pompa ciepła z wodą morską wykorzystuje ziemię jako źródło ciepła i oferuje różne metody wydobywania ciepła:

• Sonda ziemna: Sonda geotermalna jest sprawdzoną metodą wykorzystania energii geotermalnej do pomp ciepła z wodą morską. Ta metoda polega na wierceniu głęboko w glebie, która może sięgać nawet 100 metrów głębokości. W tych otworach krąży specjalny płyn przeciw zamarzaniu, który pochłania ciepło zgromadzone w ziemi. Ponieważ temperatury na tej głębokości są stosunkowo stałe przez cały rok, sonda geotermalna może skutecznie wydobywać energię cieplną z ziemi. Ta metoda jest szczególnie odpowiednia dla obszarów, w których jest mało miejsca na systemy płaskie, takie jak kolektory powierzchniowe. Jednak ze względu na głębokie wiercenie wymagane jest staranne planowanie i, jeśli to konieczne, zatwierdzenia regulacyjne.
• Kolektory obszarowe: Zastosowanie kolektorów powierzchniowych jest kolejnym sposobem wydobywania ciepła z pomp ciepła z wody morskiej. Dzięki tej metodzie rury z tworzyw sztucznych układane są na płytkiej głębokości, około jednego do dwóch metrów poniżej powierzchni ziemi. Rury te tworzą sieć i są w stanie absorbować energię cieplną z otaczającej gleby. Skuteczność tej metody zależy od dostępnej przestrzeni. Duże działki są szczególnie odpowiednie dla kolektorów powierzchniowych, ponieważ oferują więcej miejsca na instalację tych systemów rurowych. Energia cieplna wytwarzana przez kolektory powierzchniowe pochodzi głównie z promieniowania słonecznego i wody deszczowej, dlatego nie wolno uszczelniać powierzchni, aby zapewnić wydajność.
• Kolektory wykopów pierścieniowych: Kolektor wykopów pierścieniowych jest rozwiązaniem hybrydowym, które łączy w sobie zalety zarówno poziomej, jak i pionowej ekstrakcji ciepła. Ta metoda polega na układaniu rur z tworzyw sztucznych w ukośnym lub poziomym rowie pierścieniowym, który jest zagłębiony w ziemię. Kolektor wykopów pierścieniowych oferuje tę zaletę, że wymaga mniej miejsca niż kolektory powierzchniowe i jest jednocześnie bardziej wydajny niż systemy czysto poziome. To sprawia, że jest to dobra opcja dla działek, na których przestrzeń jest ograniczona. Kolektory wykopów pierścieniowych mogą wytwarzać energię cieplną z różnych głębokości w ziemi i dlatego są wszechstronne.

Również interesujące: Chociaż koszty zakupu geotermalnej pompy ciepła są stosunkowo wysokie, koszty geotermalnego wymiennika ciepła rozwijają się proporcjonalnie do wydajności pompy ciepła. Oznacza to, że przy początkowej wyższej inwestycji można z czasem zaoszczędzić na kosztach ogrzewania. W połączeniu z własnym systemem fotowoltaicznym pompa ciepła z wodą morską może pomóc w prawie autonomicznym ogrzewaniu domu i oferuje niskie koszty ogrzewania w dłuższej perspektywie.

pompa ciepła ciepłej wody

Pompa ciepła ciepłej wody, znana również jako domowa pompa ciepła, jest specjalnie zaprojektowana do podgrzewania ciepłej wody. Pompy te pobierają około 3/4 wymaganego ciepła z powietrza wewnętrznego lub zewnętrznego i pokrywają pozostałe zapotrzebowanie na energię elektryczną.

Może wykorzystywać zarówno powietrze recyrkulowane, jak i powietrze wywiewane jako źródło ciepła. Stosowany z recyrkulowanym powietrzem może również przyczyniać się do osuszania pomieszczeń oprócz podgrzewania wody, a tym samym zmniejszyć ryzyko powstawania pleśni. Po podłączeniu do istniejącego systemu dystrybucji powietrza pompa ciepła ciepłej wody może umożliwić kontrolowaną wentylację pomieszczeń. Wymaga to jednak aktywnego przewodu nawiewnego powietrza, aby uniknąć podciśnienia.

• Praca z recyrkulacyjnym powietrzem: W tym trybie pracy pompa ciepła ciepłej wody wykorzystuje recyrkulowane powietrze jako źródło ciepła. Może być stosowany na przykład w piwnicach, które mają stałą i stosunkowo wysoką temperaturę w miesiącach zimowych. Podczas pracy temperatura w piwnicy jest chłodzona o około dwa do czterech stopni. Jednocześnie powietrze w piwnicy jest osuszane, co pomaga zmniejszyć ryzyko powstawania pleśni.
• Praca z powietrzem wylotowym: W tym trybie pracy pompa ciepła ciepłej wody wykorzystuje ciepłe powietrze wywiewane z różnych pomieszczeń do podgrzewania wody. W takim przypadku górna pokrywa pompy ciepła powietrza wywiewanego zostaje zastąpiona pokrywą powietrza wywiewanego, a pompa ciepła jest podłączona do istniejącego systemu dystrybucji powietrza. Chłodzone powietrze wywiewane, które powstaje podczas podgrzewania wody pitnej, jest wyprowadzane na zewnątrz jako powietrze wywiewane. Aby zapewnić brak podciśnienia, powietrze nawiewane jest dostarczane przez oddzielne elementy powietrza nawiewnego. Ten tryb pracy umożliwia nie tylko podgrzewanie ciepłej wody, ale także kontrolowaną wentylację pomieszczeń.

Pompy ciepła ciepłej wody do domów jednorodzinnych mają zazwyczaj moc grzewczą w zakresie od 1,5 do 2,5 kW. Są kompaktowe i ciche w obsłudze. Pojemność zbiornika ciepłej wody można zwykle odczytać po nazwie produktu (często ok. 200 do 300 l).

technologia hybrydowej pompy ciepła

Hybrydowa pompa ciepła to technologia grzewcza, która składa się z pompy ciepła i innego źródła ciepła, które są ze sobą skoordynowane. Może być zainstalowany w kompaktowej jednostce lub w postaci dwóch oddzielnych systemów grzewczych. W tzw. trybie dwutomodowym jeden z dwóch systemów grzewczych generuje ciepło do określonego z góry punktu, w którym drugie źródło ciepła jest włączone. Ten punkt jest znany jako punkt dwuwartościowy. Nowoczesne hybrydowe pompy ciepła mają inteligentne sterowanie, które automatycznie wybierają najbardziej wydajny tryb pracy.

Hybrydowe pompy ciepła można konfigurować na różne sposoby.

• Kombinowany kocioł gazowy kondensacyjny: Najczęstszym wariantem jest połączenie pompy ciepła z gazowym kotłem kondensacyjnym (ogrzewanie hybrydowe gazowe). Ta kombinacja jest szczególnie rozpowszechniona i wydajna, ponieważ nowoczesne gazowe kotły kondensacyjne generalnie działają w sposób modulujący i dostosowują się do wymagań grzewczych. Jednak hybrydowe pompy ciepła można również łączyć z istniejącymi gazowymi kotłami kondensacyjnymi, pod warunkiem, że oba systemy są dobrze skoordynowane.
• Połączony solarny system cieplny: Inną opcją jest połączenie hybrydowej pompy ciepła z solarnymi systemami cieplnymi. Może to uczynić podgrzewanie wody przyjaznym dla środowiska i zmniejszyć obciążenie pompy ciepła. Ważne jest jednak staranne zaplanowanie systemu, ponieważ korzystanie z słonecznego układu cieplnego może pogorszyć wydajność pompy ciepła. Wymagane jest szczegółowe planowanie, w tym system magazynowania energii słonecznej i profesjonalna koordynacja obu systemów.
• kombinacja kocioł na paliwo stałe: Połączenie pompy ciepła z kotłami na paliwo stałe, w szczególności kotłami z bali, jest technicznie możliwe, ale ma kilka wad. Kotły z bali są wydajne tylko przy dużym obciążeniu i mają dłuższy czas nagrzewania. Może to spowodować utratę komfortu. Z reguły połączenie z kotłami na pelety jest drogie. Hybrydową pompę ciepła można również łączyć z systemami wentylacyjnymi z odzyskiem ciepła, ale zwykle nadaje się tylko do podgrzewania wody, ponieważ objętość powietrza jest ograniczona.

Zaletą hybrydowej pompy ciepła jest wysoka wydajność i czystość technologii pomp ciepła. Umożliwia wydajne wytwarzanie ciepła nawet wtedy, gdy temperatury w systemie grzewczym są niskie. Koszty zakupu hybrydowych pomp ciepła są na ogół wyższe niż w przypadku poszczególnych systemów grzewczych, ale można je zmniejszyć za pomocą dotacji rządowych. Hybrydowe pompy ciepła są szczególnie przydatne w energooszczędnych nowych lub starych budynkach, które mają duże powierzchnie grzewcze lub ogrzewanie panelowe.

duże pompy ciepła

Wielkogabarytowe pompy ciepła zostały specjalnie opracowane do użytku w większych kompleksach budowlanych lub całych osiedlach i spełniają wysokie standardy europejskie. Różne źródła ciepła odpadowego, gleba, ciepło procesowe przemysłowe, wody gruntowe, a nawet urządzenie do magazynowania energii lodowej mogą być wykorzystywane jako źródła ciepła. Mają potencjał, aby spełnić zarówno wymagania dotyczące ogrzewania, jak i chłodzenia w budynkach o dużej objętości. Do tej pory takie budynki często opierały się na paliwach kopalnych, takich jak ropa lub gaz, i wykorzystują agregaty chłodnicze do chłodzenia. Wielkogabarytowe pompy ciepła dają możliwość zastąpienia tych tradycyjnych metod przy jednoczesnym obniżeniu kosztów i zmniejszeniu wpływu na środowisko.

Te pompy ciepła mogą ogrzewać się zimą i chłodzić latem. Skutkuje to nie tylko niższymi kosztami inwestycji, ale także niższymi kosztami energii. Inwestycja w duże pompy ciepła często opłaca się dość szybko, ponieważ zapewniają one ogrzewanie i chłodzenie w niskich temperaturach przez cały rok oraz umożliwiają efektywne zarządzanie energią dzięki ich zautomatyzowanej pracy, „inteligentnemu” monitorowaniu i niskim kosztom konserwacji.

Cecha specjalna: Wielkogabarytowe pompy ciepła w trybie chłodzenia mogą często pracować przy niższych kosztach eksploatacji niż konwencjonalne agregaty chłodnicze.

Przydatność tych źródeł w starych i nowych budynkach

Przydatność różnych typów pomp ciepła zależy od różnych czynników. W nowych budynkach pompy ciepła wydają się być „idealne” ze względu na dobrą izolację i niskie temperatury przepływu. Jednak często istnieją negatywne założenia dotyczące stosowania pomp ciepła w starych budynkach. Z energetycznego punktu widzenia stary budynek jest uważany za niewystarczającą izolację termiczną i wykorzystuje system grzewczy o wysokich temperaturach przepływu, taki jak grzejniki.

Wydajność pompy ciepła zależy przede wszystkim od różnicy temperatur między źródłem ciepła a wymaganą temperaturą przepływu (delta). Rodzaj budynku, izolacja i dystrybucja ciepłej wody odgrywają podrzędną rolę. Aby zmaksymalizować wydajność, planowanie powinno dążyć do zminimalizowania tej delty. Można to również osiągnąć poprzez regulacje po stronie obiegu grzewczego, takie jak zwiększenie natężenia przepływu i optymalizacja hydrauliki.

Ponadto niski JAZ niekoniecznie oznacza, że obsługa pompy ciepła w starym budynku jest nieekonomiczna. Ponieważ nawet jeśli JAZ nie jest tak wysoki jak w nowym budynku, zastosowanie innych systemów grzewczych w starym budynku może być również kosztowne. Aby wytworzyć wymaganą energię cieplną, należy również wykorzystać zwiększone zasoby (np. kłody lub gaz) przy użyciu konwencjonalnych metod ogrzewania.

Ważne: Przy planowaniu pomp ciepła w starych i nowych budynkach kluczowa jest zatem precyzyjna analiza zapotrzebowania na ciepło i wykorzystania. W tym przypadku obliczenia obciążenia cieplnego zgodnie z normą i wyważenie hydrauliczne według metody B są odpowiednie dla zapewnienia przydatności różnych typów pomp ciepła.

Aspekty techniczne: Technologia stojąca za pompami ciepła

Podstawowa idea pompy ciepła jest niezwykle prosta i opiera się na zasadzie technologii lodówki. Pompy ciepła wykorzystują tę samą technologię co lodówka, tylko w przeciwnym kierunku. Podczas gdy lodówka pobiera ciepło od wewnątrz i usuwa je na zewnątrz, pompa ciepła pobiera ciepło z powietrza, gleby lub wód gruntowych ze środowiska w celu wykorzystania go do celów grzewczych.

‍

‍

‍

‍

‍

‍

‍

‍

‍

‍

‍

‍

‍

‍

Podstawowa zasada pompy ciepła

Podstawowy proces pompy ciepła można podzielić na cztery główne fazy:

1. waporyzacja: W parowniku, który jest częścią pompy ciepła, czynnik chłodniczy jest odparowywany pod niskim ciśnieniem. Podczas tego procesu parowania czynnik chłodniczy pochłania ciepło ze swojego środowiska, czy to powietrza, gleby czy wód gruntowych. Podczas gdy te dwa media się nie mieszają, źródło ciepła uwalnia swoją energię. Ta energia cieplna zwiększa temperaturę czynnika chłodniczego i przekształca go w stan gazowy. Temperatura otoczenia parownika musi być wyższa niż temperatura wrzenia czynnika chłodniczego przy niskim ciśnieniu, aby móc mieć miejsce przenoszenie ciepła.
2. kompresja: Gazowa para czynnika chłodniczego jest następnie podawana do sprężarki (często sprężarki spiralnej lub sprężarki tłokowej), która działa jak sprężarka. Tutaj zwiększa się ciśnienie i temperatura czynnika chłodniczego. Ten krok wymaga energii, zwykle w postaci energii elektrycznej. Wraz ze wzrostem ciśnienia rośnie temperatura czynnika chłodniczego. Zużycie energii sprężarki zależy od pożądanej temperatury ogrzewania.
3. upłynnianie: Podgrzewany czynnik chłodniczy jest podawany do skraplacza, gdzie przenosi ciepło do systemu grzewczego w budynku. Tutaj gorąca para czynnika chłodniczego przepływa przez wodę grzewczą, która przenosi ciepło między dwoma mediami. Czynnik chłodniczy uwalnia energię, ochładza się i skrapla z powrotem do postaci płynnej, podczas gdy woda grzewcza pochłania ciepło i nagrzewa się.
4. Ekspansja: Po wydzieleniu ciepła przez czynnik chłodniczy przepuszcza się przez zawór rozprężny lub przepustnicę. Zawór ten nagle obniża ciśnienie czynnika chłodniczego, co pozwala mu ponownie odparować. Pozwala to czynnikowi chłodniczemu ponownie wchłonąć ciepło, gdy dotrze do parownika i cykl rozpoczyna się od nowa.

Wydajność pompy ciepła zależy w dużej mierze od temperatury źródła ciepła i wymaganej temperatury ogrzewania. Im większa różnica temperatur, tym więcej energii potrzeba do kompresji, co może wpływać na ogólną wydajność.

Większość pomp ciepła stosowanych obecnie w systemach ogrzewania i chłodzenia opiera się na technologii kompresji pomp ciepła. Systemy te wykorzystują elektrycznie sterowaną sprężarkę czynnika chłodniczego, która odgrywa kluczową rolę. Parowanie odbywa się w parowniku, w którym ciepło środowiskowe z powietrza, solanki (gleby) lub wód gruntowych jest przenoszone do ciekłego czynnika chłodniczego. Gazowa para czynnika chłodniczego jest sprężana przez sprężarkę w celu zwiększenia jej temperatury, zanim przeniesie ciepło do układu grzewczego w skraplaczu.

Aby pompa ciepła działała skutecznie, wymagane są różne elementy, w tym parownik, sprężarka, skraplacz i zawór rozprężny. Cały proces powtarza się w sposób ciągły, w wyniku czego pompa ciepła skutecznie pochłania energię cieplną z otoczenia i wykorzystuje ją do celów grzewczych. Wydajność zależy w dużej mierze od różnicy temperatur między źródłem ciepła a systemem grzewczym. Im bliżej siebie są te temperatury, tym bardziej wydajna jest pompa ciepła.

Kluczowe terminy w skrócie

COP (współczynnik wydajności)

COP, czyli współczynnik wydajności, jest decydującą miarą wydajności pompy ciepła. Wskazuje, ile energii cieplnej wytwarza pompa ciepła w stosunku do dostarczonej energii. Na przykład COP 3 oznacza, że pompa ciepła wytwarza trzy jednostki energii cieplnej, zużywając jedną jednostkę energii elektrycznej. Im wyższy COP, tym wydajniej działa pompa ciepła.

Średnie wartości COP dla wydajnych pomp ciepła mogą się różnić w zależności od typu, modelu i określonych warunków pracy. Oto kilka przybliżonych średnich, które można wykorzystać jako odniesienie:

1. pompy ciepła powietrze-woda: Wydajne pompy ciepła powietrze-woda mogą osiągnąć wartości COP od 3 do 5 w typowych zastosowaniach grzewczych. Oznacza to, że mogą generować od 3 do 5 kilowatogodzin energii cieplnej na każdą kilowatogodzinę zużytej energii elektrycznej. Wartości poniżej 3 mogą wskazywać na nieefektywną pompę ciepła.
2. Geotermalne pompy ciepła (geotermalne pompy ciepła): Geotermalne pompy ciepła często mają jeszcze wyższą wartość COP i mogą osiągnąć wartości od 4 do 6 lub nawet więcej. Dzieje się tak, ponieważ mają dostęp do bardziej stabilnego i cieplejszego źródła ciepła.
3. pompy ciepła woda do wody: Pompy ciepła woda-woda, które wykorzystują wodę jako źródło ciepła, mogą również osiągać bardzo wysokie wartości COP, często w zakresie od 4 do 6 lub więcej.

Producenci podają wartość COP dla swoich modeli pomp ciepła. Wartość ta może się różnić w zależności od temperatury źródła ciepła i temperatury przepływu grzejnika. Informacje podane są w postaci litery + temperatura/temperatura literowa, gdzie pierwsza wartość reprezentuje temperaturę źródła ciepła, a druga wartość oznacza temperaturę przepływu grzejnika pomieszczenia w czasie pomiaru.

Skróty A, B i W oznaczają różne rodzaje źródeł ciepła, a mianowicie powietrze, ziemię i wodę (wody gruntowe).

• A = powietrze
• B = Ziemia
• W = woda (woda gruntowa)

Przykład: Załóżmy, że wartość COP pompy ciepła wynosi 4,2, a wartość COP wynosi: A7/W35. Oznacza to, że źródło ciepła A = powietrze i pompa ciepła osiąga współczynnik wydajności 4,2 przy temperaturze zewnętrznej 7°C i temperaturze przepływu 35°C.

Oprócz COP, roczny współczynnik wydajności (JAZ) jest ważnym parametrem wydajności pompy ciepła. Podczas gdy COP jest migawką wydajności w warunkach laboratoryjnych, JAZ mierzy wydajność przez dłuższy czas i uwzględnia rzeczywiste warunki w miejscu instalacji. JAZ jest zatem bardziej niezawodnym parametrem do oceny wydajności pompy ciepła w pracy lokalnej.

Emisja CO2 i GWP (potencjał globalnego ocieplenia)

Pompy ciepła są uważane za przyjazną dla środowiska technologię ogrzewania i chłodzenia, ponieważ wytwarzają mniej emisji CO2 niż paliwa kopalne. Potencjał globalnego ocieplenia (GWP) jest kluczową liczbą, która wskazuje, jak bardzo gaz cieplarniany przyczynia się do globalnego ocieplenia. Często wyraża się go w kategoriach CO2. Dla porównania czynnik chłodniczy R410A ma wartość GWP 2088, podczas gdy R290 wynosi 3. Oznacza to, że 1 kg R410A odpowiada 2088 kg emisji CO2 i 1 kg R290 3 kg emisji CO2. W porównaniu z konwencjonalnymi systemami grzewczymi pompy ciepła mają na ogół znacznie niższy GWP.

Definicja BTU (British Thermal Unit)

BTU jest jednostką energii cieplnej i jest powszechnie stosowana w USA. 1 BTU to ilość ciepła potrzebna do ogrzania 1 funta wody o 1 stopień Fahrenheita. W jednostkach SI odpowiada to około 1055 dżuli. BTU jest ważny do pomiaru i porównywania mocy cieplnych, szczególnie jeśli chodzi o wydajność grzewczą lub chłodniczą pomp ciepła.

pręt grzewczy

Pręt grzewczy jest zapasowym źródłem ogrzewania w pompie ciepła. Jeśli sama pompa ciepła nie jest wystarczająca do utrzymania pożądanej temperatury pokojowej, element grzejny można aktywować. Zwykle dzieje się to w ekstremalnych temperaturach lub podczas serwisowania pompy ciepła. Moc pręta grzewczego może się różnić w zależności od modelu i wymagań. Zazwyczaj moc pręta grzewczego wynosi od 3 do 15 kilowatów.

modulacja mocy

Modulacja mocy to funkcja umożliwiająca pompie ciepła dostosowanie jej mocy do aktualnych wymagań. Zwiększa to wydajność i zapewnia, że pompa ciepła nie włącza się i wyłącza stale. Nowoczesne pompy ciepła mogą często w sposób ciągły dostosowywać swoją moc między, na przykład, 20% a 100%. Ta modulacja pozwala pompie ciepła zapewnić dokładnie wymaganą wydajność grzewczą lub chłodniczą, a tym samym optymalizować zużycie energii.

Zagęszczacz

Sprężarka jest sercem pompy ciepła. Kompresuje czynnik chłodniczy, podnosi jego temperaturę i napędza cały obwód. Nowoczesne pompy ciepła często wykorzystują sprężarki spiralne lub falownicze dla lepszej wydajności i kontroli wyjściowej. Wspólna wartość wyjściowa sprężarki wynosi od 1 do 10 kilowatów, w zależności od wielkości pompy ciepła.

Falownik

Falownik jest sterownikiem elektronicznym, który może w sposób ciągły regulować moc wyjściową sprężarki. Pozwala to pompie ciepła precyzyjnie reagować na zapotrzebowanie i utrzymywać stałą temperaturę w budynku. Sterowanie wyjściem za pomocą falownika umożliwia optymalizację zużycia energii pompy ciepła. Modulacja może wynosić na przykład od 20% do 100%.

krzywa ogrzewania

Krzywa ogrzewania, znana również jako krzywa ogrzewania, reguluje sposób regulacji temperatury przepływu w zależności od temperatury zewnętrznej. Gdy temperatura zewnętrzna spada zimą, krzywa ogrzewania odpowiednio zwiększa temperaturę przepływu. Precyzyjna regulacja krzywej ogrzewania ma kluczowe znaczenie dla sprawnej pracy pompy ciepła.

Zwykle krzywa ogrzewania jest wstępnie ustawiana przez instalatora podczas instalacji pompy ciepła. W praktyce jednak ustawienie to musi być dostosowane do rzeczywistych warunków ogrzewania i użytkowania, aby optymalnie kontrolować wytwarzanie ciepła przez pompę ciepła. Zależy to w dużej mierze od indywidualnych cech budynku i systemu dystrybucji ciepła grzewczego.

‍

‍

‍

‍

‍

‍

‍

‍

‍

‍

‍

‍

‍

‍

Nachylenie krzywej ogrzewania pokazuje, o ile stopni temperatura przepływu pompy ciepła powinna się zmieniać, gdy zmienia się temperatura zewnętrzna. Podczas gdy stromość krzywej grzewczej wynika z połączenia izolacji termicznej i systemu dystrybucji ciepła, równoległe przesunięcie umożliwia indywidualną regulację pożądanego poziomu komfortu. Regulując przesunięcie równoległe, temperaturę w pomieszczeniu można łatwo podnieść lub obniżyć w razie potrzeby.

Zakładając, że pożądana temperatura w pomieszczeniu wynosi od 21 do 22 °C, temperatura ta musi być zapewniana automatycznie i bezzwłocznie przez pompę ciepła zarówno w bardzo zimne, jak i łagodniejsze dni. Regulacja krzywej ogrzewania jest konieczna, jeśli okaże się, że pompa ciepła nagrzewa się za mało lub za dużo w niektóre dni. W takich przypadkach krzywa ogrzewania powinna być stopniowo regulowana za pomocą jednostki sterującej pompy ciepła, aby upewnić się, że dopływ ciepła dokładnie spełnia rzeczywiste wymagania. Ważne jest, aby pojedyncza regulacja krzywej ogrzewania różniła się tylko o 10% od poprzedniego ustawienia, aby uniknąć zbyt dużych zmian.

sterowanie pompą ciepła

Sterownik pompy ciepła kontroluje wszystkie funkcje pompy ciepła, w tym sprężarkę, modulację mocy i krzywą grzewczą. Precyzyjne sterowanie ma kluczowe znaczenie dla wydajności i komfortu podczas ogrzewania i chłodzenia za pomocą pompy ciepła. Nowoczesne systemy sterowania pompą ciepła wykorzystują zaawansowane algorytmy i czujniki, aby optymalnie dostosować moc pompy ciepła do aktualnych warunków i zminimalizować zużycie energii.

‍

Tryby pracy pomp ciepła: Jak działają pompy ciepła

Pompy ciepła są naprawdę wszechstronne, jeśli chodzi o ogrzewanie i chłodzenie budynków. Ale jak dokładnie działają urządzenia? W tej sekcji przyjrzymy się bliżej różnym trybom pracy pomp ciepła i zrozumiemy, w jaki sposób skutecznie dostosowują swoją wydajność do odpowiednich wymagań.

Operacja jednowartościowa

Działanie jednowartościowe jest jedną z podstawowych metod pracy pomp ciepła. Jest to tryb, w którym pompa ciepła jest wyłączną odpowiedzialna za dostarczanie energii grzewczej lub chłodzącej. Wykorzystuje tylko ciepło środowiskowe jako źródło energii do utrzymania pożądanej temperatury w budynku.

Przykład:

• Dom jednorodzinny jest wyłącznie ogrzewany pompą ciepła powietrze-woda.

Działanie jednowartościowe jest szczególnie przyjazne dla środowiska, ponieważ nie wymaga użycia paliw kopalnych. Jednak może nie być wystarczająco wydajny w regionach o ekstremalnie niskich temperaturach, ponieważ ciepło środowiskowe jest ograniczone w bardzo zimne dni.

Aby umożliwić działanie jednowartościowe, należy spełnić szereg wymagań. Przede wszystkim źródło ciepła musi być w stanie pokryć całe obciążenie grzewcze budynku i ogrzewanie wody pitnej bez pomocy dodatkowego źródła ciepła. Wymaga to, aby dostępne było stałe źródło ciepła o stabilnych temperaturach.

Jednowartościowe działanie pompy ciepła często osiąga się przy użyciu energii geotermalnej lub wód gruntowych. Do tego celu stosuje się specjalne wymienniki ciepła, takie jak kolektory geotermalne lub sondy geotermalne. Ponadto system jednowartościowy wymaga systemu grzewczego, który może współpracować z systemami ogrzewania panelowego, takimi jak grzejniki podłogowe lub ścienne i konwektory wentylatorowe i obsługuje niskie temperatury przepływu około 40 stopni.

Stosowanie powietrza zewnętrznego jako jedynego źródła ciepła w pracy jednowarstwowej często nie jest zalecane ze względów ekonomicznych. Dzieje się tak, ponieważ powietrze zewnętrzne ma ograniczenia ze względu na wahania temperatury i ograniczoną dostępność, szczególnie w bardzo zimne dni. W takich sytuacjach lepiej rozważyć inny tryb działania, taki jak działanie monoenergetyczne lub dwuwartościowe.

W praktyce mniejsze pompy ciepła solana/woda oraz pompy ciepła woda/woda są często stosowane w pracy jednowarstwowej. Systemy te zapewniają stałe i wystarczająco wysokie temperatury źródła przez cały rok, dzięki czemu sama pompa ciepła może zaspokoić wymagania ogrzewania budynku. Możliwe jest jednak również wykorzystanie mocy pompy ciepła w połączeniu z innymi źródłami ciepła, w zależności od specyficznych wymagań budynku i jego środowiska.

Działanie jednoenergetyczne

Praca jednoenergetyczna jest kolejnym ważnym sposobem działania pomp ciepła. W tym trybie pompa ciepła jest używana razem z różnymi źródłami ciepła, które jednak wszystkie wykorzystują to samo działające źródło energii (np. elektryczność). Ten tryb pracy jest często używany w połączeniu z prętem grzejnym w celu optymalizacji wydajności i kontroli temperatury.

Beispiel:

• Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe beheizt und kühlt ein Wohngebäude das ganze Jahr über. Bei “Kältespitzen” kann ein Heizstab aktiviert werden, um die gewünschte Temperatur aufrechtzuerhalten.

Der monoenergetische Betrieb wird häufig bei kleinen Luft-Wärmepumpen in Einfamilienhäusern verwendet, die einen Elektroheizstab als Backup haben. Wenn die Außentemperatur im Winter stark abfällt und die Wärmepumpe allein nicht ausreicht, um genügend Wärme zu erzeugen, springt der Heizstab ein. Dies geschieht selten, etwa an etwa 5 % der Heiztage, und beeinflusst die Effizienz der Wärmepumpe kaum. Während Luftwärmepumpen oft auf den Einsatz eines Heizstabs angewiesen sind, kann bei Erdwärmepumpen in der Regel darauf verzichtet werden. Die Wärmepumpenregelung ermöglicht es, den Heizstab je nach Bedarf zu aktivieren oder zu deaktivieren.

Extra: Rolle des Elektroheizstabs

Der Elektroheizstab, der im Pufferspeicher oder im Heizungsvorlauf integriert ist, hat normalerweise eine Leistung von wenigen Kilowatt (kW), typischerweise zwischen 2,5 und 10 kW. Er kann in verschiedenen Situationen nützlich sein, wie z.B. bei sehr niedrigen Außentemperaturen, zur Unterstützung der Gebäudetrocknung im Neubau, zur thermischen Desinfektion des Brauchwassers oder als Sicherheitsmaßnahme bei stark schwankenden Außentemperaturen. In einigen Fällen kann der Heizstab auch helfen, die Anschaffungskosten zu senken oder das häufige Ein- und Ausschalten der Wärmepumpe in der Übergangszeit zu vermeiden.

Bivalenter Betrieb

Im bivalenten Betrieb von Wärmepumpen wird zusätzlich zur Wärmepumpe ein weiterer Wärmeerzeuger verwendet, der einspringt, wenn es draußen sehr kalt ist und die Wärmepumpe allein nicht genug Wärme erzeugen kann. Dieser zusätzliche Wärmeerzeuger kann verschiedene Formen haben, wie zum Beispiel Gas-, Holz- oder Ölkessel. Wenn die Wärmeerzeugung nicht durch Strom erfolgt, spricht man von einem bivalenten Wärmepumpenbetrieb. Dieser Ansatz findet oft in älteren Gebäuden Anwendung, in denen höhere Vorlauftemperaturen erforderlich sind, oder in größeren Anlagen, in denen die ausschließliche Nutzung der Wärmepumpe wirtschaftlich nicht sinnvoll wäre.

Beispiel:

• Ein Wohngebäude verwendet eine Luft-Wasser-Wärmepumpe in Verbindung mit einem Gasbrennwertkessel. Die Wärmepumpe übernimmt die Heizung an milden Tagen, während der Gasbrennwertkessel bei extremen Temperaturen einspringt.

Im bivalenten Betrieb übernimmt der zusätzliche Wärmeerzeuger die Heizung ab einem bestimmten Punkt, dem sogenannten Bivalenzpunkt oder Dimensionierungspunkt. Dieser Ansatz wird häufig bei der Modernisierung von bestehenden Gebäuden eingesetzt, insbesondere wenn höhere Systemtemperaturen benötigt werden. Der bivalente Betrieb kommt normalerweise nur in Luft-Wärmepumpenanlagen und in Anlagen zur Trinkwassererwärmung in Mehrfamilienhäusern zum Einsatz.

Um die Betriebskosten niedrig zu halten und die Effizienz zu maximieren, ist es wichtig, dass die Wärmepumpe einen möglichst großen Teil des Wärmebedarfs des Gebäudes abdeckt. Da die Anzahl der Tage mit Außentemperaturen unter -5 °C normalerweise sehr begrenzt ist, wird der Bivalenzpunkt oft um diese Temperatur festgelegt oder ermittelt. In solchen Fällen macht die Zusatzheizung nur einen kleinen Prozentsatz der gesamten benötigten Wärme aus, beispielsweise etwa 1 % bei -10 °C Außentemperatur und etwa 4 % bei -16 °C Außentemperatur.

Bivalenzpunkt und dessen Bedeutung:

Der Bivalenzpunkt ist die Temperatur, bei der die Wärmepumpe und die alternative Heizquelle die gleiche Heizleistung erbringen können. Die Festlegung des Bivalenzpunkts oder Dimensionierungspunkts bei der Auslegung einer Luft-Wärmepumpe ist entscheidend, da die Leistung der Wärmepumpe mit abnehmenden Außentemperaturen sinkt und die Heizlast des Gebäudes steigt. Die genaue Position dieses Punkts hängt von der spezifischen Heizlast des Gebäudes ab und liegt typischerweise im Temperaturbereich zwischen -4 °C und -8 °C. Unterhalb dieser Temperatur kann die Wärmepumpe nicht mehr effizient arbeiten, daher wird sie normalerweise in Verbindung mit anderen Heizmethoden, wie Gas, Holz, Solarthermie oder Geothermie betrieben.

Unterschiedliche Bivalenzarten: paralleler, alternativer und teilparalleler Betrieb:

• Paralleler Betrieb: Im bivalent-parallelen Betrieb trägt die Wärmepumpe den Wärmebedarf ebenfalls allein bis zum Bivalenzpunkt. Bei Unterschreiten dieses Punktes unterstützt der zweite Wärmeerzeuger den Heizbetrieb der Wärmepumpe. Bei niedrigen Temperaturen hat der zweite Wärmeerzeuger einen höheren Anteil an der Wärmeerzeugung als die Wärmepumpe. Beide Wärmeerzeuger decken jedoch den Wärmebedarf, wenn die Normaußentemperatur erreicht ist.
• Im parallelen Betrieb arbeiten die Wärmepumpe und die alternative Heizquelle gleichzeitig, um die benötigte Heizleistung bereitzustellen.
• Dies ist besonders effizient, wenn die alternative Heizquelle über eine niedrige Vorlauftemperatur verfügt, was bedeutet, dass sie effizient bei niedrigen Temperaturen arbeiten kann.
• Alternativer Betrieb: Bei der bivalent-alternativen Betriebsweise trägt die Wärmepumpe den Wärmebedarf allein bis zum Erreichen des Bivalenzpunkts. Unterhalb dieses Punktes übernimmt der zweite Wärmeerzeuger den alleinigen Heizbetrieb, und die Wärmepumpe schaltet sich ab.
• Im alternativen Betrieb wird die Wärmepumpe nur dann eingeschaltet, wenn die alternative Heizquelle nicht ausreicht, um die gewünschte Raumtemperatur zu erreichen.
• Dies minimiert den Energieverbrauch der Wärmepumpe, da sie nur bei Bedarf arbeitet.
• Teilparalleler Betrieb: Der bivalent-teilparallele Betrieb kombiniert Elemente des bivalent-parallelen und bivalent-alternativen Betriebs. Die Wärmepumpe arbeitet allein bis zum Bivalenzpunkt und wird dann vom zweiten Wärmeerzeuger unterstützt. Bei Erreichen einer weiteren festgelegten Temperatur, schaltet sich die Wärmepumpe ab, und der gesamte Wärmebedarf wird allein vom zweiten Wärmeerzeuger gedeckt. Die Planung muss berücksichtigen, wann die Wärmepumpe abgeschaltet wird und der zweite Wärmeerzeuger die alleinige Wärmeerzeugung übernimmt.
• Im teilparallelen Betrieb arbeiten die Wärmepumpe und die alternative Heizquelle zunächst parallel und dann allein.
• Die Wärmepumpe kann beispielsweise einen Teil der benötigten Heizleistung erbringen, während die alternative Heizquelle den Rest abdeckt.

‍

Weitere Betriebsarten und Technologien

Neben den oben genannten Betriebsweisen gibt es noch weitere Technologien und Betriebsarten, die die Effizienz und Flexibilität von Wärmepumpen erhöhen.

• Wärmepumpenbetrieb in Kaskade: Die Methode des Wärmepumpenbetriebs in Kaskade beinhaltet das Schalten mehrerer Wärmepumpen in Serie, um die Gesamteffizienz zu erhöhen. Jede Wärmepumpe in der Kaskade hat die Aufgabe, die Temperatur des Kältemittels weiter zu erhöhen, bevor es zur nächsten Einheit weitergeleitet wird. Dieser Ansatz erweist sich insbesondere in größeren Gebäuden als vorteilhaft, in denen unterschiedliche Heiz- und Kühlleistungen effizient und kostengünstig abgedeckt werden müssen. Ein weiterer Pluspunkt dieser Methode ist die erhöhte Versorgungssicherheit, da bei einem Ausfall einer Einheit die anderen weiterhin reibungslos arbeiten können.
• Modulierender Betrieb mit Invertern: Invertergesteuerte Wärmepumpen können, ihre Leistung stufenlos zu regeln, um den aktuellen Bedarf präzise zu decken. Dies führt zu einer Minimierung des Energieverbrauchs und einer Erhöhung der Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe. Der Inverter ist das Herzstück dieser Variante und reguliert die Leistung, indem er die Drehzahl des Kompressors der Wärmepumpe anpasst. Dies verhindert unnötiges Ein- und Ausschalten der Wärmepumpe und verringert die Belastung ihrer Bauteile.
• Hybrider Betrieb von Wärmepumpen: Hybridsysteme kombinieren Wärmepumpen mit anderen Heiztechnologien wie Solarthermie oder Gasbrennwertkesseln, um die Gesamteffizienz zu maximieren. Diese Systeme setzen sich aus verschiedenen Heizungsarten zusammen, wobei die gängigste Kombination aus Gasheizungen und Luft-Wärmepumpen besteht. Je nach gewählter Betriebsweise regelt die Steuerung, wann die Wärmepumpe und wann die Gasheizung eingeschaltet wird. Das kann beispielsweise nach definierten Zielen wie dem Erreichen einer bestimmten Leistungszahl (COP) oder der Reduzierung von CO2-Emissionen sein. Hybride Wärmepumpen sind besonders nützlich in älteren Gebäuden, in denen hohe Vorlauftemperaturen im Winter den alleinigen Einsatz der Wärmepumpe unwirtschaftlich machen, während sie in wärmeren Monaten die Vorteile der Wärmepumpe voll ausschöpfen können.

‍

Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpen

Bei der Entscheidung für eine Wärmepumpe spielt die Wirtschaftlichkeit eine entscheidende Rolle. Die Effizienz und die damit verbundenen Einsparungen hängen stark von der Betriebsweise und den individuellen Gegebenheiten ab.

Einfluss der Betriebsweise auf die Wirtschaftlichkeit

Die Wirtschaftlichkeit einer Wärmepumpe wird maßgeblich von ihrer Betriebsweise beeinflusst. Wie bereits erwähnt, gibt es verschiedene Betriebsarten von Wärmepumpen, darunter der monovalente, monoenergetische und bivalente Betrieb. Jede dieser Betriebsarten hat ihre eigenen Vor- und Nachteile in Bezug auf die Wirtschaftlichkeit.

• Monovalenter Betrieb: Dieser Betriebsmodus, bei dem die Wärmepumpe allein ohne Zusatzheizung arbeitet, ist in der Regel die wirtschaftlichste Option, wenn die Umgebungsbedingungen es zulassen. Je niedriger die benötigte Vorlauftemperatur ist und je konstanter die Außentemperaturen sind, desto effizienter ist dieser Betriebsmodus. In Regionen mit milden Wintern kann der monovale Betrieb die besten wirtschaftlichen Ergebnisse liefern.
• Monoenergetischer Betrieb: Im monoenergetischen Betrieb wird die Wärmepumpe mit verschiedenen Heizwärmeerzeugern verwendet, die jedoch alle die gleiche Betriebsenergiequelle nutzen.  Bei kleinen Luft-Wärmepumpen in Einfamilienhäusern wird häufig ein Heizstab als Backup verwendet, der selten zum Einsatz kommt und die Jahresarbeitszahl kaum negativ beeinflusst. Der Einsatz eines Elektroheizstabs stellt sicher, dass die Wärmepumpe die gewünschte Temperatur auch bei extremen Bedingungen erreichen kann.
• Bivalenter Betrieb: Der bivalente Betrieb ermöglicht die Nutzung mehrerer Energiequellen und ist besonders in Regionen mit kalten Wintern relevant. Hier kann die Wärmepumpe bis zu einem bestimmten Punkt effizient arbeiten und wird dann von einer alternativen Heizquelle, wie einem Gasbrennwertkessel, unterstützt. Die Position des Bivalenzpunkts, an dem die Wärmepumpe und die alternative Heizquelle die gleiche Leistung erbringen, ist entscheidend. Bei niedrigeren Vorlauftemperaturen und höheren Heizlasten wird der bivalente Betrieb wirtschaftlich sinnvoller.

‍

Kosten-Nutzen-Verhältnis und mögliche Einsparungen

Die Kosten-Nutzen-Analyse ist ein wichtiger Schritt bei der Bewertung der Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpen. Hierbei werden die Investitionskosten für die Anschaffung und Installation der Wärmepumpe den erwarteten Einsparungen gegenübergestellt. Dabei sollten folgende Faktoren berücksichtigt werden:

Investitionskosten: Die Investitionskosten für Wärmepumpen variieren je nach Typ und Größe der Anlage sowie den individuellen Gegebenheiten des Standorts. Im Vergleich zu herkömmlichen Heizsystemen wie Gas-Brennwertheizungen können die Anschaffungskosten für Wärmepumpen höher sein. Bei Luftwärmepumpen starten die Kosten bei etwa 5.000 Euro, während Erdwärmeheizungen aufgrund zusätzlicher Bohrmeter oder eines größeren Flächenkollektors bis zu 20.000 Euro mehr kosten können.

‍

‍

‍

‍

‍

‍

‍

‍

‍

‍

‍

Die höheren Investitionskosten für Wärmepumpen sind teilweise auf die Notwendigkeit von Umbauten am Heizsystem zurückzuführen, insbesondere in Altbauten. In einigen Fällen kann auch der Einbau eines Elektroheizstabes erforderlich sein, wenn die Wärmepumpe im monoenergetischen Betrieb arbeitet. Trotz dieser anfänglichen Kosten müssen die langfristigen Vorteile und Einsparungen berücksichtigt werden.

Betriebskosten: Die Betriebskosten einer Wärmepumpe setzen sich aus den Energiekosten für den Betrieb der Wärmepumpe und gegebenenfalls für die alternative Heizquelle im bivalenten Betrieb zusammen. Wärmepumpen sind bekannt für ihre hohe Energieeffizienz, da sie Wärme aus der Umgebungsluft, dem Wasser oder dem Erdreich nutzen. Dadurch können erhebliche Einsparungen bei den Energiekosten erzielt werden.

Die Jahresarbeitszahl (JAZ) ist ein wichtiger Kennwert, der die Effizienz der Wärmepumpe angibt. Je höher die JAZ, desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe. Moderne Wärmepumpen können JAZ-Werte von 4 oder mehr erreichen, was bedeutet, dass sie viermal mehr Wärme produzieren, als sie an Energie verbrauchen.

In Altbauten, in denen häufig höhere Vorlauftemperaturen für die Beheizung erforderlich sind, kann die JAZ etwas niedriger sein, bleibt jedoch immer noch auf einem effizienten Niveau. Die Betriebskosten für eine Wärmepumpe sind daher in der Regel niedriger als die für herkömmliche Heizsysteme wie Gas- oder Ölheizungen.

Wartungskosten: Die regelmäßige Wartung einer Wärmepumpe ist entscheidend, um ihre Effizienz und Lebensdauer zu gewährleisten. Die Wartungskosten variieren je nach Hersteller und Modell, liegen jedoch normalerweise im Bereich von 100 bis 200 Euro pro Jahr. Die regelmäßige Überprüfung und Wartung der Wärmepumpe durch einen Fachmann stellt sicher, dass sie optimal funktioniert und keine teuren Reparaturen erforderlich sind.

Fördermittel und finanzielle Anreize: Die Bundesregierung erkennt die maßgebliche Bedeutung erneuerbarer Energien und Energieeffizienz im Kampf gegen den Klimawandel an und hat dementsprechend eine Palette von Förderprogrammen entwickelt, um den Wandel im Gebäudesektor zu fördern. Ziel ist es, den Umstieg auf Heizungssysteme, die zu 65 Prozent auf erneuerbaren Energien basieren, durch finanzielle Zuschüsse und günstige Darlehen zu unterstützen. Ab 2024 fördert die Bundesregierung die Installation umweltfreundlicher Heizungen mit einer Grundförderung von 30 Prozent der Gesamtkosten. Diese Maßnahme zielt darauf ab, den Klimaschutz zu verstärken und die Betriebskosten im Vergleich zu fossil betriebenen Heizsystemen stabil zu halten.

Für Haushalte mit einem jährlichen zu versteuernden Gesamteinkommen von bis zu 40.000 Euro gibt es einen einkommensabhängigen Bonus von 30 Prozent, um besonders einkommensschwachen Haushalten einen zusätzlichen Anreiz zu bieten. Bis zum Jahr 2028 erhalten Personen, die ihre veralteten fossilen Heizsysteme (z. B. Öl, Kohle, Nachtspeicher oder Gas) durch erneuerbare Energiequellen ersetzen, einen Geschwindigkeitsbonus von 20 Prozent. Alle diese Boni können miteinander kombiniert werden, dürfen jedoch insgesamt 70 Prozent der Gesamtkosten nicht überschreiten. Dies stellt eine erhebliche finanzielle Unterstützung dar und macht Investitionen in erneuerbare Energien äußerst attraktiv.

Die langfristigen Einsparungen, die durch niedrigere Betriebskosten und staatliche Fördermittel erzielt werden, können die anfänglichen Investitionskosten für eine Wärmepumpe oft ausgleichen und in vielen Fällen übersteigen. Daher ist es entscheidend, die Gesamtkosten über die Lebensdauer der Anlage zu berücksichtigen und nicht nur die anfänglichen Ausgaben.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass Wärmepumpen eine effiziente Möglichkeit bieten, Wärmeenergie aus erneuerbaren Quellen zu gewinnen und in Gebäuden für Heizung und Warmwasserbereitung zu nutzen. Von Luft-Wasser-Wärmepumpen über Erdwärmepumpen bis hin zu Hybrid-Wärmepumpen stehen verschiedene Optionen zur Verfügung, die sich für unterschiedliche Anforderungen und Gegebenheiten eignen. Die Auswahl der optimalen Wärmepumpe hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter die Gebäudegröße, regionale Klimabedingungen und individuelle Bedürfnisse.

Eine genaue Heizlastberechnung und ein hydraulischer Abgleich sind entscheidend, um die richtige Wärmepumpe auszuwählen. In diesem Zusammenhang kann Software wie die von autarc wertvolle Unterstützung bieten. Autarc's Software zur Heizlastberechnung und hydraulischem Abgleich ermöglicht es, die spezifischen Anforderungen eines Gebäudes zu ermitteln und die am besten geeignete Wärmepumpe zu finden.

Finden Sie die richtige Wärmepumpe mit autarc!

Suchen Sie nach einer verlässlichen Methode, um die perfekte Wärmepumpe für Ihr Gebäude zu ermitteln? Dann setzen Sie auf die Präzision der raumweisen Heizlastberechnung mit autarc! Unsere fortschrittliche Software macht die komplexe Berechnung und Auswahl leicht verständlich und führt Sie zielsicher zur optimalen Wärmepumpenlösung. Egal, ob Sie vom Fach sind oder sich das erste Mal mit dem Thema befassen, autarc stellt Ihnen alle Werkzeuge zur Verfügung, die Sie benötigen.

Ermitteln Sie die exakte Heizlast Ihres Gebäudes, berücksichtigen Sie alle relevanten Bauelemente und dimensionieren Sie Ihre Wärmepumpe präzise! Zudem können Sie mit autarc herausfinden, welche Fördermittel für Ihr Projekt verfügbar sind und diese direkt über die Software beantragen. Beginnen Sie Ihre Reise zu einem effizienter beheizten Heim und entdecken Sie die Vorteile von autarc.

Klicken Sie hier (Link), um mehr über autarc zu erfahren und direkt loszulegen.

‍