52 W Ä R M E P U M P E Was macht die Wärmepumpe so attraktiv? Die Geschichte der Wärmepumpe reicht bis ins Jahr 1852 zurück. Damalige Erkenntnisse legten die Basis für ein späteres Erfolgskonzept. Heute sind Wärmepumpenheizungen hinsichtlich Primärenergieverbrauch und CO2-Ausstoß Gas- und Ölheizungen bereits deutlich überlegen. D och zurück zu den Anfängen, wo alles begann. Haben Sie eigentlich schon einmal vom William Thomson gehört? Ein Allerweltsname, werden Sie sich vielleicht denken, nein – diesen Herrn kennt heute kaum jemand. William Thomson war ab 1846 Professor für theoretische Physik in Glasgow und forschte hierbei hauptsächlich in den Gebieten der Thermodynamik. Diese Forschungen resultierten bereits 1848 in der Veröffentlichung einer Arbeit zur Thermodynamik auf Basis der Carnot’schen Wärmetheorie, bei welcher er unter anderem auch die nach ihm benannte absolute Kelvin-Skala einführte. Das Kelvin, die Einheit der thermodynamischen Temperatur, ist der 273,16te Teil der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunktes von Wasser. Durch Temperatur und Druck festgelegt treten hier die drei Phasen des Wassers, fest, flüssig und gasförmig nebeneinander im Gleichgewicht auf. Die Einheit „Kelvin“ ist in ihrer heutigen Form die seit 1968 gesetzlich festDas Herzstück aller Viessmann Wärmepumpen ist der Scroll-Verdichter, der für die Anhebung des Temperaturniveaus von der Wärmequelle zum Heizkreis sorgt. Durch seine hermetische Abdichtung wird ein leiser und wartungsfreier Betrieb über viele Jahre sichergestellt. gelegte SI-Einheit der Temperatur. Gemeinsam mit James Prescott Joule entdeckte Thomson 1852 den JouleThomson-Effekt – das Prinzip der Wärmepumpe. Aufgrund dieser und vieler anderer bedeutenden Erkenntnisse wurde Thomson 1866 zum Ritter geschlagen und 1892 als 1. Baron Kelvin of Largs in den erblichen Adelsstand erhoben. Bereits 1910 wurden erste Patentanträge zu Wärmepumpen eingereicht. 1932 baute der Amerikaner Willis Carrier, „the Father of the Air Conditioning Industry“, die erste einsetzbare Wärmepumpe in der Hauptverwaltung der Uji Electric in Tokio ein. Für die Beheizung des geschichtsträchtigen Züricher Rathauses wurde 1938 eine Wärmepumpenanlage in Betrieb genommen. Diese arbeitete erfolgreich und effizient mit dem Flusswasser der Limmat. 1945 begann in den Vereinigten Staaten die Entwicklung von erdgekoppelten Wärmepumpen. In Indianapolis wurden im Winter 1945/46 bis zu –24°C gemessen. Trotzdem konnte ein Aggregat mit 2,2 kW Leistungsaufnahme die Raumtemperatur im Haus von Robert C. Webber durchgängig auf 22–23°C halten. Zehn Jahre später kamen in Mitteleuropa die ersten Grundwasserwärmepumpen zum Einsatz. Heute ist die Technik der Wärmepumpe ausgereift und wird ständig weiterentwickelt. In der Schweiz wird bereits jeder dritte Neubau mit einer Elektrowärmepumpe ausgestattet, in Schweden besitzen sogar 7 von 10 Neubauten eine Wärmepumpe. Auch die Zuwachsraten für den österreichischen Markt sind enorm. Das Funktionsprinzip einer Wärmepumpe. Eine interessante Flash-Animation dazu kann man auf der Viessmann Homepage unter www.viessmann.at (die Produkte/Vitocal 300) abrufen. Die Vitocal 300 Wärmepumpen nutzen regenerative Energien aus dem Erdreich, dem Grundwasser und der Luft. Sie sind so effizient, dass sie ganzjährig als einziger Wärmelieferant eingesetzt werden können. Österreichs einzige spezialisierte Fachzeitschrift für die Bereiche Heizung, Lüftung, Klima- und Kältetechnik Heizung Lüftung Klimatechnik – 12/2005 Heizung Lüftung Klimatechnik W Ä R M E P U M P E 53 Es ist allerdings auch ein Trend zu Luft/Wasser-Wärmepumpen festzustellen, da diese mit weniger Aufwand und kostengünstig installiert werden können. In der Schweiz beträgt der Anteil dieses Typs bereits 60% der neu installierten Anlagen. Das Grundprinzip der Wärmepumpe Unabhängig von ihrer jeweiligen Bauart kann eine Wärmepumpe als ein Gerät bezeichnet werden, das die Temperatur des Arbeitsmediums von einem niedrigen Niveau mit Hilfe von Zusatzenergie auf ein höheres Temperaturniveau anhebt und so den Wärmeinhalt des Mediums nutzbar macht. Kompressionswärmepumpen gelten heute als Stand der Technik und sind deshalb am weitesten verbreitet. Ihre Arbeitsweise entspricht der von üblichen Kühlschränken – nur mit veränderter Zielvorgabe (Heizen statt Kühlen). So funktioniert die Wärmepumpe Die Aufgabe einer Wärmepumpe ist es, Erdreich, Wasser oder Luft Wärme zu entziehen. Das muss auch dann funktionieren, wenn diese Umgebung kälter ist als der Wärmeträger der Österreichs einzige spezialisierte Fachzeitschrift für die Bereiche Heizung, Lüftung, Klima- und Kältetechnik Heizung Lüftung Klimatechnik 12/2005 – Heizung Lüftung Klimatechnik Wärmepumpe. Diese auf den ersten Blick widersinnige Arbeitsweise wird durch einen physikalischen Kunstgriff möglich: Man nutzt dabei den Zusammenhang von Druck, Volumen und Temperatur eines Wärmeträgermediums. Alle drei Größen müssen in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen und Veränderungen der einen Größe haben zwangsläufig Veränderungen der anderen zur Folge. Im Detail wird dabei folgende Gesetzmäßigkeit genutzt: Entspannt sich ein unter Überdruck stehendes Gas, nimmt es sich aus seiner Umgebung die für die Volumensvergrößerung benötigte Wärme. Und hier spielt es keine Rolle, ob diese Umgebung wärmer oder kälter ist. Noch die kälteste Umgebung muss ihm für diese Entspannung Wärme überlassen, wenn das Gas vorher genügend komprimiert wurde. Dafür sorgt das Herzstück jeder Wärmepumpe, der Verdichter. Je kälter das Wasser, die Erde oder die Luft sind, mit denen eine Wärmepumpe arbeitet, umso mehr muss vorher das Gas verdichtet werden. Für den Betreiber wird das daran erkennbar, dass seine Wärmepumpe mehr Strom verbraucht, wenn die Wärmequelle abkühlt. Der Schotte William Thomson (1824–1907) hat nicht nur den absoluten Nullpunkt mit 0 K (–273,16°C) erkannt sondern gilt auch als Entdecker des Prinzips der Wärmepumpe. Wann verfügt man nun über die Wärme? Die Wärme wird im Kreislauf immer dann gewonnen, wenn das verdampfte Gas vom Verdichter wieder verflüssigt wird. Hierbei handelt es sich um jene Wärme, die sich das Gas von seiner Umgebung zum Verdampfen „gepumpt“ hat und die es nun, nach dem es wieder flüssig ist, nicht mehr benötigt. Da sich die Wärmeträgerflüssigkeit zu diesem Zeitpunkt aber nicht mehr im Erdreich, Wasser oder in der Luft befindet, sondern von dort weggepumpt wurde, steht die Wärme nun dem Verbraucher zur Verfügung. ̈ 54 W Ä R M E P U M P E Vitocal 343 von Viessmann ist eine Komplettlösung für Niedrigenergiehäuser. Das bedeutet Sole/WasserWärmepumpe, SpeicherWassererwärmer und alle Komponenten zur Solarintegration in einem Gehäuse mit einer Grundfläche von nur 600 x 670 mm. Genaue Planung ist wichtig Richtig geplante Wärmepumpenanlagen beheizen das Haus auch bei Minusgraden zuverlässig. Nicht zuletzt deshalb hat sich die Wärmepumpenheizung in Ländern mit ausgeprägten Wintern wie Schweden, Schweiz und Österreich durchgesetzt. Dennoch erfordern Wärmepumpen, wie auch andere Heizungen, eine sorgfältige Planung und Ausführung. Die Auslegung einer Wärmepumpe ist besonders von der Wärmequellentemperatur (Erdreich, Wasser oder Luft) und von der Vorlauftemperatur des Heizkreises im Haus abhängig. So verändert sich beispielsweise die Heizleistung einer Wärmepumpe in Abhängigkeit der Wärmequellentemperatur um drei bis vier Prozent pro Grad Celsius Temperaturänderung. Die ausgewählte Wärmequelle muss also von ihrem Temperaturbereich her besonders im Winter geeignet sein. Weiterhin muss für die Erschließung der Wärmequelle genügend Platz zur Verfügung stehen. Nicht zuletzt müssen die geologischen Bedingungen geeignet und die Erschließung und Nutzung der Wärmequelle genehmigungsfähig sein. Fortbildung für die tägliche Praxis Errichtung und Anschluss einer Wärmepumpenanlage gestalten sich ähnlich, wie bei einer modernen Gasoder Ölheizung. Lediglich bei der Erschließung der Wärmequelle kann der Aufwand etwas größer werden. Viessmann Marktpartner haben es gut, denn sie werden durch ein umfangreiches Angebot an technischen Wärmepumpenseminaren in allen Verkaufsniederlassungen unterstützt. Jedes Jahr besuchen tausende Mitarbeiter österreichischer Fachfirmen die beliebten Veranstaltungen der Viessmann-Akademie. Hier erfahren die Teilnehmer nicht nur Alles rund um die Theorie der Wärmepumpe sondern werden auch eingehend mit den Hightech-Produkten des Hauses Viessmann vertraut gemacht. Wärmepumpen für alle Anwendungsfälle bis 106,8 kW Wärmepumpen von Viessmann eignen sich für die Wärmeversorgung aller Gebäudearten: Ein- und Mehrfamilienhäuser, Hotels, Krankenhäuser, Schulen, Bürogebäude und Industriebauten, sowohl im Neubau als auch bei der Modernisierung. Sie nutzen dazu die im Erdreich, im Wasser oder in der Umgebungsluft gespeicherte Energie. Vitocal 300: Einheitliche Vielfalt Mit den einstufigen Baureihen Vitocal 300 (BW und WW) mit Heizleistungen von 4,8–21,5 kW und zweistufig von 12,8–106,8 kW können sie auf jede Anforderungen und jeden Bedarf abgestimmt werden. Der modulare Aufbau auf Basis von zwei separaten Verdichterkreisen sorgt für eine besonders hohe Effizienz im Teillastbereich. Die Sole/Wasser-Wärmepumpe Vitocal 300 BW nutzt die gespeicherte Wärme aus dem Erdreich. Dort herrscht ähnlich wie im Grundwasser das ganze Jahr über eine nahezu gleichmäßige Temperatur. Über einen Erdkollektor, der in 1,5 m Tiefe wie eine Heizschlange verlegt wird, entzieht die Pumpe der Erde Wärme. Die Platz sparende Alternative zum Erdkollektor ist eine Erdsonde, die tief in den Boden reicht. Die Temperatur liegt dort ganzjährig konstant bei 10°C. Damit ist die Vitocal 300 Typ BW unabhängig von der Außentemperatur und kann auch an kalten Tagen problemlos den gesamten Heizbetrieb übernehmen. Für die Nutzung der Wärme aus dem Grundwasser kann die Vitocal 300 einfach auf den Typ WW nachgerüstet werden. Bei dieser Betriebsart erbringt sie die höchsten Leistungszahlen. Die Luft/Wasser-Wärmepumpe Vitocal Typ AW (5,4–14,6 kW) nutzt die von der Sonne erwärmte Außenluft. Der leistungsstarke Compliant ScrollVerdichter gewinnt daraus die Heizwärme. Die digitale Regelung CD60 erlaubt neben der Funktionskontrolle eine besonders bequeme Kommunikation mit der Wärmepumpe. Dabei hilft der klartextunterstützte Dialog bei der Aus- und Anwahl der Funktionen. Vitocal 300 BWC/WWC: Das Wärmepumpen-Komplettpaket Die Sole/Wasser- und Wasser/WasserWärmepumpen Vitocal 300 (Typ BWC und WWC) werden mit Leistungen von 4,8–14,2 kW angeboten und erreichen höchste Leistungszahlen bis 4,61. Sie ergänzen die Vitocal 300Baureihe um ein attraktives Wärmepumpen-Komplettpaket. Diese Wärmepumpen sind werksseitig komplett vormontiert. Das spart viel Zeit auf der Baustelle. In das Gehäuse der Vitocal 300 (Typen BWC und WWC) sind bereits Primärpumpe, Heizkreispumpe sowie eine Elektrozusatzheizung mit 9 kW Heizleistung integriert. Für den Anschluss des Heizkreises ist werksseitig eine Sicherheitsgruppe aus Sicherheitsventil, Manometer und Entlüfter installiert. Vitocal 350: Für Vorlauftemperaturen bis 65°C Die Wärmepumpen der Reihe Vitocal 350 sind mit einer zusätzlichen Dampfeinspritzung (EVI-Zyklus) im Verdichterkreis ausgerüstet und liefern deshalb Vorlauftemperaturen von bis zu 65°C. Sie sind damit speziell für die Modernisierung veralteter Kesselanlagen geeignet und können auch in Verbindung mit vorhandenen Radiatoren eingesetzt werden. Österreichs einzige spezialisierte Fachzeitschrift für die Bereiche Heizung, Lüftung, Klima- und Kältetechnik Heizung Lüftung Klimatechnik – 12/2005 Heizung Lüftung Klimatechnik W Ä R M E P U M P E 55 Vitocal 343: Die Wärme pumpen-Kompaktzentrale Vitocal 343 ist der Wärme-CompaktTower für Heizung und Trinkwassererwärmung in Niedrigenergiehäusern. Auf der Fläche von nur 600 x 670 mm befinden sich die Sole/Wasser-Wärmepumpe (6 kW, COP bis 4,3), der 250 l fassende Solarspeicher, Umwälzpumpen für Sole, Heizung und den optionalen Solarkreis sowie alle hydraulischen Anschlüsse und die Regelung. Viele Jahre sind nun vergangen, seit in Amerika die erste Erdwärmepumpe installiert wurde. Mussten damals noch für deren 10 kW Leistung ein großer Heizraum bereitgestellt werden, so genügen heute Nischen in Wirtschaftsräumen, um diese Hightech-Produkte im Wohnbereich zu integrieren. Am Ende unserer Betrachtungen steht noch die immer wieder gestellte Frage: Was ist an der Wärmepumpe besser als an einer Öl- oder Gasheizung? Die Wärmepumpe ist den konventionellen Wärmeerzeugern in vielerlei Hinsicht überlegen. Denn zum einen heizt die Wärmepumpe deutlich preiswerter als Öl- oder Gasanlagen. Österreichs einzige spezialisierte Fachzeitschrift für die Bereiche Heizung, Lüftung, Klima- und Kältetechnik Heizung Lüftung Klimatechnik 12/2005 – Heizung Lüftung Klimatechnik Eine Kilowattstunde Wärme kostet mit der Wärmepumpe(regional unterschiedlich) ca. 3 Cent, mit herkömmlicher Technik sind ungefähr 6 Cent zu berappen. Außerdem schont die Wärmepumpe die Rohstoffressourcen, denn ca. 75% der bereitgestellten Wärme stammt aus der Umwelt. Die Wärmepumpe benötigt auch keinen Schornstein, keinen Öltank und keinen Vorrat an Brennstoffen. Lediglich einen Teil elektrischer Antriebsenergie. Und ist dann die Wärmepumpe nicht eine getarnte Stromheizung? Dazu muss man dem Skeptiker sagen: Jede Heizung ist auf Strom angewiesen. Fällt die Spannung aus, dreht sich auch bei Ölkesseln und Gasthermen kein Rad mehr. Die Wärmepumpe nutzt den Strom zum Antrieb des Verdichters, der den Kältekreislauf in Trab hält. Eigentlicher Zweck der Wärmepumpe ist jedoch der Gewinn von Umweltwärme, hierfür wird die Verdichterenergie benötigt. Allerdings macht der Strom, der den Verdichter und SoleGrundwasserpumpe oder Ventilatoren zur Umwälzung der Wärmequellenkreise antreibt, lediglich ein Viertel der gewonnenen Heizwärme aus. Und der Strom wird dank des Einsatzes erneuerbarer Energiequellen auch immer sauberer. Trotz allem ist auch heute schon die Umweltbilanz der Wärmepumpe deutlich besser als die von konventionellen Wärmeerzeugern. Die Wärmepumpe nutzt regenerative Energien und verringert den Einsatz fossiler Brennstoffe, sie emittiert keine klimaschädlichen Gase, amortisiert sich innerhalb weniger Jahre und steigert den Wert des Hauses. Das macht die Wärmepumpenheizung so attraktiv! Reinhold Seeböck Viessmann bietet seinen Marktpartnern ein umfangreiches Angebot an Wärmepumpenschulungen.