Heizen und Kühlen mit einer Wärmepumpe – Teil 1

Einführung

Wenn Sie nach Möglichkeiten suchen, Ihr Zuhause zu heizen und zu kühlen oder Ihre Energiekosten zu senken, sollten Sie über ein Wärmepumpensystem nachdenken. Wärmepumpen sind in Kanada eine bewährte und zuverlässige Technologie, die in der Lage ist, den Komfort Ihres Zuhauses das ganze Jahr über zu steuern, indem sie im Winter Wärme liefert, im Sommer kühlt und in einigen Fällen Warmwasser für Ihr Zuhause erwärmt.

Wärmepumpen können in einer Vielzahl von Anwendungen eine ausgezeichnete Wahl sein, sowohl für neue Häuser als auch für die Nachrüstung bestehender Heiz- und Kühlsysteme. Sie sind auch eine Option beim Austausch bestehender Klimaanlagen, da die Zusatzkosten für den Wechsel von einem reinen Kühlsystem zu einer Wärmepumpe oft recht gering sind. Angesichts der Vielzahl verschiedener Systemtypen und Optionen kann es oft schwierig sein, zu entscheiden, ob eine Wärmepumpe die richtige Option für Ihr Zuhause ist.

Wenn Sie über eine Wärmepumpe nachdenken, haben Sie wahrscheinlich eine Reihe von Fragen, darunter:

• Welche Arten von Wärmepumpen gibt es?
• Wie viel meines jährlichen Heiz- und Kühlbedarfs kann eine Wärmepumpe decken?
• Welche Wärmepumpengröße benötige ich für mein Zuhause und meinen Einsatzzweck?
• Wie viel kosten Wärmepumpen im Vergleich zu anderen Systemen und wie viel kann ich bei meiner Energierechnung sparen?
• Muss ich zusätzliche Änderungen an meinem Zuhause vornehmen?
• Wie hoch ist der Wartungsaufwand für das System?

Diese Broschüre enthält wichtige Fakten zu Wärmepumpen, damit Sie besser informiert sind und die richtige Wahl für Ihr Zuhause treffen können. Anhand dieser Fragen als Leitfaden beschreibt diese Broschüre die gängigsten Arten von Wärmepumpen und erörtert die Faktoren, die bei der Auswahl, Installation, dem Betrieb und der Wartung einer Wärmepumpe eine Rolle spielen.

Zielgruppe

Diese Broschüre richtet sich an Hausbesitzer, die Hintergrundinformationen zu Wärmepumpentechnologien suchen, um eine fundierte Entscheidungsfindung hinsichtlich Systemauswahl und -integration, Betrieb und Wartung zu unterstützen. Die hier bereitgestellten Informationen sind allgemeiner Natur und spezifische Details können je nach Installation und Systemtyp variieren. Diese Broschüre ersetzt nicht die Zusammenarbeit mit einem Auftragnehmer oder Energieberater, der sicherstellt, dass Ihre Installation Ihren Anforderungen und gewünschten Zielen entspricht.

Ein Hinweis zum Energiemanagement im Haushalt

Wärmepumpen sind sehr effiziente Heiz- und Kühlsysteme und können Ihre Energiekosten deutlich senken. Wenn Sie das Haus als System betrachten, wird empfohlen, die Wärmeverluste Ihres Hauses durch Bereiche wie Luftlecks (durch Risse, Löcher), schlecht isolierte Wände, Decken, Fenster und Türen zu minimieren.

Wenn Sie diese Probleme zunächst angehen, können Sie möglicherweise eine kleinere Wärmepumpengröße verwenden, wodurch die Kosten für die Wärmepumpenausrüstung gesenkt werden und Ihr System effizienter arbeiten kann.

Eine Reihe von Veröffentlichungen, die erklären, wie dies zu bewerkstelligen ist, sind bei Natural Resources Canada erhältlich.

Was ist eine Wärmepumpe und wie funktioniert sie?

Wärmepumpen sind eine bewährte Technologie, die seit Jahrzehnten sowohl in Kanada als auch weltweit eingesetzt wird, um Gebäude effizient zu heizen, zu kühlen und in manchen Fällen auch mit Warmwasser zu versorgen. Tatsächlich ist es wahrscheinlich, dass Sie täglich mit der Wärmepumpentechnologie zu tun haben: Kühlschränke und Klimaanlagen funktionieren nach denselben Prinzipien und derselben Technologie. In diesem Abschnitt werden die Grundlagen der Funktionsweise einer Wärmepumpe erläutert und verschiedene Systemtypen vorgestellt.

Grundkonzepte der Wärmepumpe

Eine Wärmepumpe ist ein elektrisch betriebenes Gerät, das einem Ort mit niedriger Temperatur (einer Quelle) Wärme entzieht und sie an einen Ort mit höherer Temperatur (einer Senke) abgibt.

Um diesen Vorgang zu verstehen, stellen Sie sich eine Fahrradtour über einen Hügel vor: Es ist keine Anstrengung erforderlich, um von der Spitze des Hügels nach unten zu gelangen, da sich Fahrrad und Fahrer auf natürliche Weise von einer hohen zu einer niedrigeren Stelle bewegen. Allerdings erfordert das Bergauffahren deutlich mehr Arbeit, da sich das Fahrrad entgegen der natürlichen Bewegungsrichtung bewegt.

In ähnlicher Weise fließt Wärme auf natürliche Weise von Orten mit höherer Temperatur zu Orten mit niedrigerer Temperatur (z. B. geht im Winter Wärme aus dem Inneren des Gebäudes nach außen verloren). Eine Wärmepumpe nutzt zusätzliche elektrische Energie, um dem natürlichen Wärmefluss entgegenzuwirken und die an einem kälteren Ort verfügbare Energie an einen wärmeren Ort zu pumpen.

Wie heizt oder kühlt eine Wärmepumpe Ihr Zuhause? Wenn einer Quelle Energie entzogen wird, verringert sich die Temperatur der Quelle. Wenn das Haus als Quelle genutzt wird, wird Wärmeenergie abgeführt und dieser Raum gekühlt. Auf diese Weise funktioniert eine Wärmepumpe im Kühlmodus. Es handelt sich um das gleiche Prinzip, das auch bei Klimaanlagen und Kühlschränken zum Einsatz kommt. In ähnlicher Weise steigt die Temperatur einer Senke, wenn Energie zugeführt wird. Wenn das Haus als Spüle genutzt wird, wird Wärmeenergie zugeführt und der Raum erwärmt. Eine Wärmepumpe ist vollständig reversibel, was bedeutet, dass sie Ihr Zuhause sowohl heizen als auch kühlen kann und so für ganzjährigen Komfort sorgt.

Quellen und Senken für Wärmepumpen

Die Auswahl der Quelle und Senke Ihres Wärmepumpensystems hat großen Einfluss auf die Leistung, die Kapitalkosten und die Betriebskosten Ihres Systems. Dieser Abschnitt bietet einen kurzen Überblick über häufige Quellen und Senken für Wohnanwendungen in Kanada.

Quellen: Zwei Wärmeenergiequellen werden in Kanada am häufigsten zum Heizen von Häusern mit Wärmepumpen genutzt:

• Luftquelle: Die Wärmepumpe entzieht der Außenluft während der Heizperiode Wärme und gibt während der sommerlichen Kühlperiode Wärme nach außen ab.
• Es mag überraschend sein zu wissen, dass selbst bei kalten Außentemperaturen noch viel Energie verfügbar ist, die entnommen und an das Gebäude abgegeben werden kann. Beispielsweise entspricht der Wärmegehalt der Luft bei -18 °C 85 % der Wärme, die bei 21 °C enthalten ist. Dadurch kann die Wärmepumpe auch bei kälterem Wetter ausreichend Wärme liefern.
• Luftquellensysteme sind auf dem kanadischen Markt mit über 700.000 installierten Einheiten in ganz Kanada am weitesten verbreitet.
• Diese Art von System wird im Abschnitt Luftwärmepumpen ausführlicher besprochen.
• Erdwärmepumpe: Eine Erdwärmepumpe nutzt die Erde, das Grundwasser oder beides im Winter als Wärmequelle und im Sommer als Speicher zur Abgabe der dem Haus entzogenen Wärme.
• Diese Wärmepumpen sind weniger verbreitet als Luftwärmepumpen, werden aber in allen Provinzen Kanadas immer häufiger eingesetzt. Ihr Hauptvorteil besteht darin, dass sie keinen extremen Temperaturschwankungen ausgesetzt sind und das Erdreich als Quelle konstanter Temperatur nutzen, was zu der energieeffizientesten Art von Wärmepumpensystem führt.
• Diese Art von System wird im Abschnitt Erdwärmepumpen ausführlicher besprochen.

Senken: Zwei Senken für Wärmeenergie werden in Kanada am häufigsten zum Heizen von Häusern mit Wärmepumpen verwendet:

• Die Raumluft wird durch die Wärmepumpe erwärmt. Dies kann dadurch geschehen, dass das Wasser im Inneren des Gebäudes erwärmt wird. Dieses Wasser kann dann über ein Hydroniksystem zur Versorgung von Endsystemen wie Heizkörpern, Fußbodenheizungen oder Gebläsekonvektoren verwendet werden.
  • Ein zentral geführtes System bzw
  • Ein kanalloses Innengerät, beispielsweise ein Wandgerät.

Eine Einführung in die Effizienz von Wärmepumpen

Öfen und Kessel sorgen für Raumheizung, indem sie der Luft durch die Verbrennung eines Brennstoffs wie Erdgas oder Heizöl Wärme hinzufügen. Obwohl sich die Wirkungsgrade kontinuierlich verbessert haben, liegen sie immer noch unter 100 %, was bedeutet, dass nicht die gesamte verfügbare Energie aus der Verbrennung zur Erwärmung der Luft genutzt wird.

Wärmepumpen funktionieren nach einem anderen Prinzip. Der in die Wärmepumpe eingespeiste Strom wird zur Übertragung von Wärmeenergie zwischen zwei Standorten genutzt. Dadurch kann die Wärmepumpe effizienter arbeiten, wobei die typischen Wirkungsgrade deutlich darüber liegen

100 %, d. h. es wird mehr Wärmeenergie erzeugt, als für deren Förderung elektrische Energie aufgewendet wird.

Es ist wichtig zu beachten, dass die Effizienz der Wärmepumpe stark von den Temperaturen der Quelle und Senke abhängt. So wie das Erklimmen eines steileren Hügels mit dem Fahrrad mehr Anstrengung erfordert, erfordern größere Temperaturunterschiede zwischen der Quelle und der Senke der Wärmepumpe eine stärkere Arbeit und können die Effizienz verringern. Die Bestimmung der richtigen Größe der Wärmepumpe zur Maximierung der saisonalen Effizienz ist von entscheidender Bedeutung. Auf diese Aspekte wird in den Abschnitten Luftwärmepumpen und Erdwärmepumpen näher eingegangen.

Effizienzterminologie

In den Herstellerkatalogen werden verschiedene Effizienzmetriken verwendet, was das Verständnis der Systemleistung für einen Erstkäufer etwas verwirrend machen kann. Nachfolgend finden Sie eine Aufschlüsselung einiger häufig verwendeter Effizienzbegriffe:

Steady-State-Metriken: Diese Maße beschreiben die Effizienz der Wärmepumpe im „Steady-State“, also ohne reale Schwankungen in Jahreszeit und Temperatur. Daher kann sich ihr Wert erheblich ändern, wenn sich die Quellen- und Senkentemperaturen sowie andere Betriebsparameter ändern. Zu den Steady-State-Metriken gehören:

Leistungskoeffizient (COP): Der COP ist ein Verhältnis zwischen der Rate, mit der die Wärmepumpe Wärmeenergie überträgt (in kW), und der Menge an elektrischer Leistung, die zum Pumpen erforderlich ist (in kW). Wenn beispielsweise eine Wärmepumpe 1 kW elektrische Energie zur Übertragung von 3 kW Wärme verwenden würde, wäre der COP 3.

Energie-Effizienz-Verhältnis (EER): Das EER ähnelt dem COP und beschreibt die stationäre Kühleffizienz einer Wärmepumpe. Sie wird ermittelt, indem die Kühlleistung der Wärmepumpe in Btu/h durch die elektrische Energieaufnahme in Watt (W) bei einer bestimmten Temperatur dividiert wird. EER ist ausschließlich mit der Beschreibung der Kühleffizienz im stationären Zustand verbunden, im Gegensatz zu COP, mit dem die Effizienz einer Wärmepumpe sowohl beim Heizen als auch beim Kühlen ausgedrückt werden kann.

Saisonale Leistungsmetriken: Diese Messungen sollen eine bessere Schätzung der Leistung während einer Heiz- oder Kühlsaison ermöglichen, indem „reale“ Temperaturschwankungen im Laufe der Saison berücksichtigt werden.

Zu den saisonalen Kennzahlen gehören:

• Saisonaler Heizleistungsfaktor (HSPF): HSPF ist ein Verhältnis zwischen der Energiemenge, die die Wärmepumpe während der gesamten Heizperiode an das Gebäude liefert (in Btu), und der Gesamtenergie (in Wattstunden), die sie im gleichen Zeitraum verbraucht.

Zur Darstellung der Heizperiode bei der Berechnung des HSPF werden Wetterdatenmerkmale langfristiger Klimabedingungen verwendet. Allerdings ist diese Berechnung in der Regel auf eine einzelne Region beschränkt und spiegelt möglicherweise nicht die gesamte Leistung Kanadas vollständig wider. Einige Hersteller können auf Anfrage einen HSPF für eine andere Klimaregion bereitstellen; Typischerweise werden HSPFs jedoch für Region 4 gemeldet, die ein Klima ähnlich dem Mittleren Westen der USA darstellt. Region 5 würde den größten Teil der südlichen Hälfte der Provinzen Kanadas abdecken, vom Landesinneren von British Columbia bis nach New BrunswickFußnote1.

• Saisonale Energieeffizienzquote (SEER): SEER misst die Kühleffizienz der Wärmepumpe über die gesamte Kühlsaison. Sie wird ermittelt, indem die gesamte über die Kühlsaison bereitgestellte Kühlung (in Btu) durch die von der Wärmepumpe während dieser Zeit verbrauchte Gesamtenergie (in Wattstunden) dividiert wird. Der SEER basiert auf einem Klima mit einer durchschnittlichen Sommertemperatur von 28 °C.

Wichtige Terminologie für Wärmepumpensysteme

Hier sind einige gebräuchliche Begriffe, auf die Sie bei der Untersuchung von Wärmepumpen stoßen könnten.

Komponenten des Wärmepumpensystems

Das Kältemittel ist die Flüssigkeit, die durch die Wärmepumpe zirkuliert und abwechselnd Wärme aufnimmt, transportiert und abgibt. Je nach Standort kann das Fluid flüssig, gasförmig oder ein Gas-Dampf-Gemisch sein

Das Umschaltventil steuert die Strömungsrichtung des Kältemittels in der Wärmepumpe und wechselt die Wärmepumpe vom Heiz- in den Kühlbetrieb oder umgekehrt.

Eine Spule ist eine oder mehrere Rohrschlaufen, in denen die Wärmeübertragung zwischen der Quelle/Senke und dem Kältemittel stattfindet. Die Rohre können Rippen aufweisen, um die für den Wärmeaustausch verfügbare Oberfläche zu vergrößern.

Der Verdampfer ist eine Spule, in der das Kältemittel Wärme aus seiner Umgebung aufnimmt und zu Dampf mit niedriger Temperatur verdampft. Während das Kältemittel vom Umschaltventil zum Kompressor gelangt, sammelt der Akkumulator überschüssige Flüssigkeit, die nicht in ein Gas verdampft ist. Allerdings verfügen nicht alle Wärmepumpen über einen Akkumulator.

Der Kompressor drückt die Moleküle des Kältemittelgases zusammen und erhöht so die Temperatur des Kältemittels. Dieses Gerät hilft bei der Übertragung von Wärmeenergie zwischen Quelle und Senke.

Der Kondensator ist eine Spule, in der das Kältemittel Wärme an die Umgebung abgibt und flüssig wird.

Das Expansionsgerät senkt den vom Kompressor erzeugten Druck. Dadurch sinkt die Temperatur und das Kältemittel wird zu einem Dampf-Flüssigkeits-Gemisch mit niedriger Temperatur.

Im Außengerät wird in einer Luftwärmepumpe Wärme an die/von der Außenluft übertragen. Diese Einheit enthält im Allgemeinen eine Wärmetauscherschlange, den Kompressor und das Expansionsventil. Es sieht aus und funktioniert genauso wie der Außenteil einer Klimaanlage.

In der Innenschlange wird bei bestimmten Arten von Luftwärmepumpen Wärme an die Raumluft bzw. von der Raumluft übertragen. Im Allgemeinen enthält das Innengerät eine Wärmetauscherschlange und möglicherweise auch einen zusätzlichen Ventilator, um erwärmte oder gekühlte Luft in den Aufenthaltsraum zu zirkulieren.

Das Plenum, das nur bei Kanalinstallationen zu finden ist, ist Teil des Luftverteilungsnetzes. Das Plenum ist ein Luftraum, der Teil des Systems zur Verteilung erwärmter oder gekühlter Luft im Haus ist. Im Allgemeinen handelt es sich um einen großen Raum unmittelbar über oder um den Wärmetauscher herum.

Andere Bedingungen

Maßeinheiten für Kapazität oder Stromverbrauch:

• Ein Btu/h oder britische thermische Einheit pro Stunde ist eine Einheit zur Messung der Wärmeleistung einer Heizungsanlage. Ein Btu ist die Menge an Wärmeenergie, die eine typische Geburtstagskerze abgibt. Würde diese Wärmeenergie im Laufe einer Stunde freigesetzt, entspräche sie einem Btu/h.
• Ein kW oder Kilowatt entspricht 1000 Watt. Das ist die Leistung, die zehn 100-Watt-Glühbirnen benötigen.
• Eine Tonne ist ein Maß für die Leistung einer Wärmepumpe. Dies entspricht 3,5 kW oder 12.000 Btu/h.

Luftwärmepumpen

Luftwärmepumpen nutzen die Außenluft im Heizbetrieb als Wärmeenergiequelle und im Kühlbetrieb als Senke zur Energieabgabe. Diese Arten von Systemen können im Allgemeinen in zwei Kategorien eingeteilt werden:

Luft-Luft-Wärmepumpen. Diese Geräte erwärmen oder kühlen die Luft in Ihrem Zuhause und stellen die überwiegende Mehrheit der Luftwärmepumpen-Integrationen in Kanada dar. Sie können nach der Art der Installation weiter klassifiziert werden:

• Kanalisiert: Die Innenschlange der Wärmepumpe befindet sich in einem Kanal. Die Luft wird erwärmt oder gekühlt, indem sie über die Spule strömt, bevor sie über die Rohrleitungen an verschiedene Orte im Haus verteilt wird.
• Kanallos: Die Innenschlange der Wärmepumpe befindet sich in einem Innengerät. Diese Innengeräte werden im Allgemeinen auf dem Boden oder an der Wand eines Aufenthaltsraums angebracht und erwärmen oder kühlen die Luft in diesem Raum direkt. Unter diesen Einheiten finden Sie möglicherweise die Begriffe Mini- und Multi-Split:
  • Mini-Split: Ein einzelnes Innengerät befindet sich im Inneren des Hauses und wird von einem einzelnen Außengerät versorgt.
  • Multi-Split: Mehrere Innengeräte befinden sich im Haus und werden von einem einzigen Außengerät versorgt.

Luft-Luft-Systeme sind effizienter, wenn der Temperaturunterschied zwischen innen und außen geringer ist. Aus diesem Grund versuchen Luft-Luft-Wärmepumpen im Allgemeinen, ihre Effizienz zu optimieren, indem sie eine größere Menge warmer Luft bereitstellen und diese Luft auf eine niedrigere Temperatur (normalerweise zwischen 25 und 45 °C) erwärmen. Dies steht im Gegensatz zu Ofensystemen, die ein kleineres Luftvolumen liefern, diese Luft jedoch auf höhere Temperaturen (zwischen 55 °C und 60 °C) erhitzen. Wenn Sie von einem Ofen auf eine Wärmepumpe umsteigen, bemerken Sie dies möglicherweise, wenn Sie Ihre neue Wärmepumpe in Betrieb nehmen.

Luft-Wasser-Wärmepumpen: In Kanada weniger verbreitet, erhitzen oder kühlen Luft-Wasser-Wärmepumpen Wasser und werden in Häusern mit hydronischen (wasserbasierten) Verteilungssystemen wie Niedertemperaturheizkörpern, Fußbodenheizungen oder Gebläsekonvektoren eingesetzt. Im Heizbetrieb liefert die Wärmepumpe Wärmeenergie an das Wassersystem. Im Kühlmodus wird dieser Prozess umgekehrt und dem Wassersystem wird Wärmeenergie entzogen und an die Außenluft abgegeben.

Bei der Bewertung von Luft-Wasser-Wärmepumpen sind die Betriebstemperaturen im Wassersystem von entscheidender Bedeutung. Luft-Wasser-Wärmepumpen arbeiten effizienter, wenn sie das Wasser auf niedrigere Temperaturen erwärmen, z. B. unter 45 bis 50 °C, und eignen sich daher besser für Fußbodenheizungen oder Gebläsekonvektorsysteme. Bei der Verwendung mit Hochtemperaturheizkörpern, die Wassertemperaturen über 60 °C erfordern, ist Vorsicht geboten, da diese Temperaturen im Allgemeinen die Grenzwerte der meisten Wohnwärmepumpen überschreiten.

Hauptvorteile von Luftwärmepumpen

Der Einbau einer Luftwärmepumpe kann Ihnen eine Reihe von Vorteilen bieten. In diesem Abschnitt wird untersucht, wie Luftwärmepumpen die Energiebilanz Ihres Haushalts verbessern können.

Effizienz

Der Hauptvorteil der Verwendung einer Luftwärmepumpe ist die hohe Effizienz beim Heizen im Vergleich zu typischen Systemen wie Öfen, Boilern und elektrischen Fußleisten. Bei 8 °C liegt der Leistungskoeffizient (COP) von Luftwärmepumpen typischerweise zwischen 2,0 und 5,4. Das bedeutet, dass bei Geräten mit einem COP von 5 für jede der Wärmepumpe zugeführte kWh Strom 5 Kilowattstunden (kWh) Wärme übertragen werden. Wenn die Außenlufttemperatur sinkt, sinken die COPs, da die Wärmepumpe über einen größeren Temperaturunterschied zwischen Innen- und Außenbereich arbeiten muss. Bei –8 °C können die COP-Werte zwischen 1,1 und 3,7 liegen.

Auf saisonaler Basis kann der saisonale Heizleistungsfaktor (HSPF) marktverfügbarer Einheiten zwischen 7,1 und 13,2 (Region V) variieren. Es ist wichtig zu beachten, dass diese HSPF-Schätzungen für ein Gebiet mit einem ähnlichen Klima wie Ottawa gelten. Die tatsächlichen Einsparungen hängen stark vom Standort Ihrer Wärmepumpeninstallation ab.

Energieeinsparungen

Die höhere Effizienz der Wärmepumpe kann zu erheblichen Einsparungen beim Energieverbrauch führen. Die tatsächlichen Einsparungen in Ihrem Haus hängen von einer Reihe von Faktoren ab, darunter Ihrem lokalen Klima, der Effizienz Ihres aktuellen Systems, der Größe und dem Typ der Wärmepumpe sowie der Steuerungsstrategie. Es stehen zahlreiche Online-Rechner zur Verfügung, mit denen Sie schnell abschätzen können, mit wie viel Energieeinsparung Sie für Ihre spezielle Anwendung rechnen können. Das ASHP-Eval-Tool von NRCan ist kostenlos verfügbar und kann von Installateuren und Maschinenbaukonstrukteuren als Beratung zu Ihrer Situation verwendet werden.

Wie funktioniert eine Luftwärmepumpe?

Transkript

Eine Luftwärmepumpe hat drei Kreisläufe:

• Der Heizkreislauf: Bereitstellung von Wärmeenergie für das Gebäude
• Der Kühlkreislauf: Wärmeenergie aus dem Gebäude entfernen
• Der Abtauzyklus: Frost entfernen
• Ablagerungen auf Außenspulen

Der Heizzyklus

Anmerkung:

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