Heizen und Kühlen mit einer Wärmepumpe – Teil 2

Während des Heizzyklus wird der Außenluft Wärme entnommen und in den Innenraum „gepumpt“.

• Zunächst strömt das flüssige Kältemittel durch die Expansionsvorrichtung und verwandelt sich in ein Niederdruck-Flüssigkeits-/Dampfgemisch. Anschließend gelangt es zur Außenschlange, die als Verdampferschlange fungiert. Das flüssige Kältemittel nimmt Wärme aus der Außenluft auf, siedet und wird zu einem Dampf mit niedriger Temperatur.
• Dieser Dampf gelangt durch das Umschaltventil zum Akkumulator, der die verbleibende Flüssigkeit auffängt, bevor der Dampf in den Kompressor gelangt. Der Dampf wird dann komprimiert, wodurch sich sein Volumen verringert und er sich erwärmt.
• Schließlich leitet das Umschaltventil das jetzt heiße Gas zur Innenspule, dem Kondensator. Die Wärme des heißen Gases wird an die Raumluft übertragen, wodurch das Kältemittel zu einer Flüssigkeit kondensiert. Diese Flüssigkeit kehrt zum Expansionsgerät zurück und der Zyklus wiederholt sich. Die Innenschlange befindet sich im Kanalsystem in der Nähe des Ofens.

Die Fähigkeit der Wärmepumpe, Wärme von der Außenluft an das Haus zu übertragen, hängt von der Außentemperatur ab. Mit sinkender Temperatur sinkt auch die Fähigkeit der Wärmepumpe, Wärme aufzunehmen. Bei vielen Installationen von Luftwärmepumpen bedeutet dies, dass es eine Temperatur (den so genannten thermischen Gleichgewichtspunkt) gibt, bei der die Heizleistung der Wärmepumpe gleich dem Wärmeverlust des Hauses ist. Unterhalb dieser Außentemperatur kann die Wärmepumpe nur einen Teil der für die Behaglichkeit des Wohnraums erforderlichen Wärme liefern und es ist zusätzliche Wärme erforderlich.

Es ist wichtig zu beachten, dass die überwiegende Mehrheit der Luftwärmepumpen eine Mindestbetriebstemperatur haben, unterhalb derer sie nicht betrieben werden können. Bei neueren Modellen kann dieser Wert zwischen -15 °C und -25 °C liegen. Unterhalb dieser Temperatur muss ein Zusatzsystem zur Beheizung des Gebäudes eingesetzt werden.

Der Abkühlungszyklus

Der oben beschriebene Zyklus wird umgekehrt, um das Haus im Sommer zu kühlen. Das Gerät entzieht der Innenluft Wärme und gibt sie nach außen ab.

• Wie im Heizkreislauf durchläuft das flüssige Kältemittel die Expansionsvorrichtung und verwandelt sich in ein Niederdruck-Flüssigkeits-/Dampfgemisch. Anschließend gelangt es zur Innenschlange, die als Verdampfer fungiert. Das flüssige Kältemittel nimmt Wärme aus der Raumluft auf, siedet und wird zu einem Dampf mit niedriger Temperatur.
• Dieser Dampf gelangt durch das Umschaltventil zum Akkumulator, der die verbleibende Flüssigkeit auffängt, und dann zum Kompressor. Der Dampf wird dann komprimiert, wodurch sich sein Volumen verringert und er sich erwärmt.
• Schließlich gelangt das nun heiße Gas durch das Umschaltventil zur Außenspule, die als Kondensator fungiert. Die Wärme des heißen Gases wird an die Außenluft übertragen, wodurch das Kältemittel zu einer Flüssigkeit kondensiert. Diese Flüssigkeit kehrt zum Expansionsgerät zurück und der Zyklus wiederholt sich.

Während des Kühlzyklus entfeuchtet die Wärmepumpe auch die Raumluft. Feuchtigkeit in der Luft, die über das Innenregister strömt, kondensiert auf der Oberfläche des Registers und wird in einer Wanne am Boden des Registers gesammelt. Ein Kondensatablauf verbindet diese Wanne mit dem Hausabfluss.

Der Auftauzyklus

Wenn die Außentemperatur bei Betrieb der Wärmepumpe im Heizmodus auf nahe oder unter den Gefrierpunkt fällt, kondensiert die Feuchtigkeit in der Luft, die über die Außenschlange strömt, und gefriert darauf. Das Ausmaß der Frostbildung hängt von der Außentemperatur und dem Feuchtigkeitsgehalt der Luft ab.

Diese Frostbildung verringert die Effizienz der Spule, indem sie ihre Fähigkeit, Wärme an das Kältemittel zu übertragen, verringert. Irgendwann muss der Frost entfernt werden. Dazu schaltet die Wärmepumpe in den Abtaumodus. Der gebräuchlichste Ansatz ist:

• Zunächst schaltet das Umschaltventil das Gerät in den Kühlmodus. Dadurch wird heißes Gas zur Außenspirale geleitet, um den Frost zu schmelzen. Gleichzeitig wird der Außenventilator, der normalerweise kalte Luft über die Spule bläst, abgeschaltet, um die zum Schmelzen des Frosts erforderliche Wärmemenge zu reduzieren.
• Währenddessen kühlt die Wärmepumpe die Luft in den Rohrleitungen. Normalerweise würde das Heizsystem diese Luft erwärmen, während sie im ganzen Haus verteilt wird.

Eine von zwei Methoden wird verwendet, um zu bestimmen, wann das Gerät in den Abtaumodus wechselt:

• Bedarfsgesteuerte Frostschutzsteuerungen überwachen den Luftstrom, den Kältemitteldruck, die Luft- oder Spulentemperatur und den Druckunterschied über die Außenspule, um Frostansammlungen zu erkennen.
• Die Zeit-Temperatur-Abtauung wird durch einen voreingestellten Intervall-Timer oder einen Temperatursensor an der Außenschlange gestartet und beendet. Der Zyklus kann je nach Klima und Auslegung der Anlage alle 30, 60 oder 90 Minuten gestartet werden.

Unnötige Abtauzyklen verringern die saisonale Leistung der Wärmepumpe. Daher ist die Bedarfsfrostmethode im Allgemeinen effizienter, da sie den Abtauzyklus nur dann startet, wenn er erforderlich ist.

Zusätzliche Wärmequellen

Da Luftwärmepumpen eine minimale Außenbetriebstemperatur (zwischen -15 °C und -25 °C) haben und bei sehr niedrigen Temperaturen eine reduzierte Heizleistung aufweisen, ist es wichtig, eine zusätzliche Heizquelle für den Betrieb von Luftwärmepumpen in Betracht zu ziehen. Auch beim Abtauen der Wärmepumpe kann eine Zusatzheizung erforderlich sein. Es stehen verschiedene Optionen zur Verfügung:

• Vollständig elektrisch: In dieser Konfiguration wird der Wärmepumpenbetrieb durch elektrische Widerstandselemente in den Leitungen oder durch elektrische Fußleisten ergänzt. Diese Widerstandselemente sind weniger effizient als die Wärmepumpe, ihre Fähigkeit, Wärme zu liefern, ist jedoch unabhängig von der Außentemperatur.
• Hybridsystem: In einem Hybridsystem nutzt die Luftwärmepumpe ein Zusatzsystem wie einen Ofen oder Kessel. Diese Option kann bei Neuinstallationen eingesetzt werden und ist auch eine gute Option, wenn eine Wärmepumpe zu einem bestehenden System hinzugefügt wird, beispielsweise wenn eine Wärmepumpe als Ersatz für eine zentrale Klimaanlage installiert wird.

Weitere Informationen zu Systemen, die zusätzliche Heizquellen verwenden, finden Sie im letzten Abschnitt dieser Broschüre, Zugehörige Ausrüstung. Dort finden Sie eine Diskussion über Möglichkeiten, wie Sie Ihr System für den Übergang zwischen der Nutzung einer Wärmepumpe und der Nutzung einer zusätzlichen Wärmequelle programmieren können.

Überlegungen zur Energieeffizienz

Zum besseren Verständnis dieses Abschnitts lesen Sie den früheren Abschnitt „Eine Einführung in die Effizienz von Wärmepumpen“, in dem erläutert wird, was HSPFs und SEERs darstellen.

In Kanada schreiben die Energieeffizienzvorschriften eine saisonale Mindesteffizienz beim Heizen und Kühlen vor, die erreicht werden muss, damit das Produkt auf dem kanadischen Markt verkauft werden kann. Zusätzlich zu diesen Vorschriften gelten in Ihrer Provinz oder Ihrem Territorium möglicherweise strengere Anforderungen.

Nachfolgend sind die Mindestleistungen für Kanada insgesamt und typische Bereiche für marktverfügbare Produkte für Heizen und Kühlen zusammengefasst. Es ist wichtig, vor der Auswahl Ihres Systems auch zu prüfen, ob in Ihrer Region zusätzliche Vorschriften gelten.

Saisonale Kühlungsleistung, SEER:

• Mindest-SEER (Kanada): 14
• Bereich, SEER in marktverfügbaren Produkten: 14 bis 42

Saisonale Heizleistung, HSPF

• Mindest-HSPF (Kanada): 7,1 (für Region V)
• Bereich, HSPF in marktverfügbaren Produkten: 7,1 bis 13,2 (für Region V)

Hinweis: HSPF-Faktoren werden für die AHRI-Klimazone V bereitgestellt, in der ein ähnliches Klima wie in Ottawa herrscht. Die tatsächliche saisonale Effizienz kann je nach Region variieren. Derzeit wird ein neuer Leistungsstandard entwickelt, der die Leistung dieser Systeme in kanadischen Regionen besser darstellen soll.

Die tatsächlichen SEER- oder HSPF-Werte hängen von einer Vielzahl von Faktoren ab, die hauptsächlich mit der Konstruktion der Wärmepumpe zusammenhängen. Die aktuelle Leistung hat sich in den letzten 15 Jahren erheblich weiterentwickelt, was auf neue Entwicklungen in der Kompressortechnologie, im Wärmetauscherdesign sowie auf einen verbesserten Kältemittelfluss und eine verbesserte Steuerung zurückzuführen ist.

Wärmepumpen mit einfacher und variabler Drehzahl

Von besonderer Bedeutung bei der Betrachtung der Effizienz ist die Rolle neuer Kompressorkonstruktionen bei der Verbesserung der saisonalen Leistung. Typischerweise zeichnen sich Geräte, die mit den vorgeschriebenen Mindestwerten SEER und HSPF arbeiten, durch Wärmepumpen mit einer Drehzahl aus. Mittlerweile sind Luftwärmepumpen mit variabler Drehzahl erhältlich, die darauf ausgelegt sind, die Kapazität des Systems so zu variieren, dass sie dem Heiz-/Kühlbedarf des Hauses zu einem bestimmten Zeitpunkt besser entspricht. Dies trägt dazu bei, jederzeit die höchste Effizienz aufrechtzuerhalten, auch bei milderen Bedingungen, wenn das System weniger beansprucht wird.

In jüngerer Zeit wurden Luftwärmepumpen auf den Markt gebracht, die besser für den Betrieb im kalten kanadischen Klima geeignet sind. Diese Systeme, oft auch Kaltklima-Wärmepumpen genannt, kombinieren Kompressoren mit variabler Kapazität mit verbesserten Wärmetauscherkonstruktionen und -steuerungen, um die Heizleistung bei kälteren Lufttemperaturen zu maximieren und gleichzeitig bei milderen Bedingungen einen hohen Wirkungsgrad aufrechtzuerhalten. Diese Arten von Systemen weisen typischerweise höhere SEER- und HSPF-Werte auf, wobei einige Systeme SEER-Werte von bis zu 42 und HSPF-Werte von nahezu 13 erreichen.

Zertifizierung, Standards und Bewertungsskalen

Die Canadian Standards Association (CSA) überprüft derzeit alle Wärmepumpen auf elektrische Sicherheit. Eine Leistungsnorm legt Tests und Testbedingungen fest, bei denen die Heiz- und Kühlleistung und der Wirkungsgrad von Wärmepumpen bestimmt werden. Die Leistungsteststandards für Luftwärmepumpen sind CSA C656, die (Stand 2014) mit ANSI/AHRI 210/240-2008, Leistungsbewertung von Unitary Air-Conditioning & Air-Source Heat Pump Equipment, harmonisiert wurden. Es ersetzt auch CAN/CSA-C273.3-M91, Leistungsstandard für Split-System-Zentralklimaanlagen und Wärmepumpen.

Überlegungen zur Größe

Um Ihr Wärmepumpensystem angemessen zu dimensionieren, ist es wichtig, den Heiz- und Kühlbedarf Ihres Hauses zu kennen. Es wird empfohlen, einen Heizungs- und Kühlungsfachmann mit der Durchführung der erforderlichen Berechnungen zu beauftragen. Heiz- und Kühllasten sollten mithilfe einer anerkannten Dimensionierungsmethode wie CSA F280-12 „Bestimmung der erforderlichen Kapazität von Heiz- und Kühlgeräten für Wohnräume“ bestimmt werden.

Die Dimensionierung Ihres Wärmepumpensystems sollte entsprechend Ihrem Klima, den Heiz- und Kühllasten Ihres Gebäudes und den Zielen Ihrer Installation erfolgen (z. B. Maximierung der Heizenergieeinsparungen im Vergleich zur Ersetzung eines vorhandenen Systems zu bestimmten Jahreszeiten). Um diesen Prozess zu unterstützen, hat NRCan einen Leitfaden zur Dimensionierung und Auswahl von Luftwärmepumpen entwickelt. Dieser Leitfaden richtet sich zusammen mit einem begleitenden Softwaretool an Energieberater und Maschinenkonstrukteure und ist frei verfügbar, um Hinweise zur richtigen Dimensionierung zu geben.

Wenn eine Wärmepumpe zu klein dimensioniert ist, werden Sie feststellen, dass die Zusatzheizung häufiger genutzt wird. Auch wenn ein unterdimensioniertes System immer noch effizient arbeitet, kann es sein, dass Sie aufgrund des hohen Einsatzes eines Zusatzheizsystems nicht die erwarteten Energieeinsparungen erzielen.

Wenn eine Wärmepumpe überdimensioniert ist, kann es sein, dass die gewünschten Energieeinsparungen aufgrund eines ineffizienten Betriebs bei milderen Bedingungen möglicherweise nicht erzielt werden. Während das Zusatzheizsystem seltener in Betrieb ist, erzeugt die Wärmepumpe bei wärmeren Umgebungsbedingungen zu viel Wärme und das Gerät schaltet sich ständig ein und aus, was zu Unannehmlichkeiten, Verschleiß an der Wärmepumpe und einem Stromverbrauch im Standby-Modus führt. Um optimale Energieeinsparungen zu erzielen, ist es daher wichtig, Ihre Heizlast und die Betriebseigenschaften der Wärmepumpe genau zu kennen.

Weitere Auswahlkriterien

Neben der Größe sollten mehrere zusätzliche Leistungsfaktoren berücksichtigt werden:

• HSPF: Wählen Sie ein Gerät mit einem möglichst hohen HSPF. Überprüfen Sie bei Geräten mit vergleichbaren HSPF-Nennwerten deren Dauerbetriebsnennwerte bei –8,3 °C, dem Tieftemperaturnennwert. Die Einheit mit dem höheren Wert ist in den meisten Regionen Kanadas die effizienteste.
• Abtauen: Wählen Sie ein Gerät mit bedarfsgesteuerter Abtausteuerung. Dadurch werden die Abtauzyklen minimiert, was den Zusatz- und Wärmepumpenenergieverbrauch reduziert.
• Schallbewertung: Schall wird in der Einheit Dezibel (dB) gemessen. Je niedriger der Wert, desto geringer ist die vom Außengerät abgegebene Schallleistung. Je höher der Dezibelpegel, desto lauter das Geräusch. Die meisten Wärmepumpen haben einen Schallpegel von 76 dB oder weniger.

Überlegungen zur Installation

Luftwärmepumpen sollten von einem qualifizierten Auftragnehmer installiert werden. Wenden Sie sich bezüglich der Dimensionierung, Installation und Wartung Ihrer Geräte an einen örtlichen Heizungs- und Kühlungsfachmann, um einen effizienten und zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten. Wenn Sie eine Wärmepumpe als Ersatz oder Ergänzung Ihres Zentralofens einsetzen möchten, sollten Sie sich darüber im Klaren sein, dass Wärmepumpen im Allgemeinen mit höheren Luftströmen arbeiten als Ofensysteme. Abhängig von der Größe Ihrer neuen Wärmepumpe sind möglicherweise einige Änderungen an Ihren Rohrleitungen erforderlich, um zusätzlichen Lärm und den Energieverbrauch des Ventilators zu vermeiden. Ihr Auftragnehmer kann Sie in Ihrem konkreten Fall beraten.

Die Kosten für die Installation einer Luftwärmepumpe hängen von der Art des Systems, Ihren Planungszielen und den vorhandenen Heizgeräten und Rohrleitungen in Ihrem Haus ab. In einigen Fällen können zusätzliche Änderungen an den Rohrleitungen oder elektrischen Leitungen erforderlich sein, um Ihre neue Wärmepumpeninstallation zu unterstützen.

Überlegungen zum Betrieb

Beim Betrieb Ihrer Wärmepumpe sollten Sie einige wichtige Dinge beachten:

• Optimieren Sie die Sollwerte der Wärmepumpe und des Zusatzsystems. Wenn Sie über ein elektrisches Zusatzsystem verfügen (z. B. Fußleisten oder Widerstandselemente im Kanal), stellen Sie sicher, dass Sie für Ihr Zusatzsystem einen niedrigeren Temperatursollwert verwenden. Dies trägt dazu bei, die Wärmemenge, die die Wärmepumpe Ihrem Zuhause liefert, zu maximieren und Ihren Energieverbrauch und Ihre Stromrechnungen zu senken. Ein Sollwert von 2 °C bis 3 °C unter dem Heiztemperatur-Sollwert der Wärmepumpe wird empfohlen. Fragen Sie Ihren Installationsunternehmer nach dem optimalen Sollwert für Ihr System.
• Bereiten Sie sich auf ein effizientes Abtauen vor. Sie können den Energieverbrauch reduzieren, indem Sie Ihr System so einrichten, dass der Innenventilator während der Abtauzyklen ausgeschaltet wird. Dies kann von Ihrem Installateur durchgeführt werden. Allerdings ist zu beachten, dass das Auftauen bei dieser Konfiguration etwas länger dauern kann.
• Minimieren Sie Temperaturrückschläge. Wärmepumpen reagieren langsamer als Ofensysteme und reagieren daher schwieriger auf starke Temperaturabfälle. Es sollten mäßige Rückschläge von nicht mehr als 2 °C eingesetzt werden oder es sollte ein „intelligenter“ Thermostat verwendet werden, der das System frühzeitig einschaltet, um eine Erholung nach dem Rückschlag zu erwarten. Fragen Sie auch hier Ihren Installateur nach der optimalen Absenktemperatur für Ihr System.
• Optimieren Sie Ihre Luftstromrichtung. Wenn Sie ein an der Wand montiertes Innengerät haben, sollten Sie erwägen, die Luftstromrichtung anzupassen, um Ihren Komfort zu maximieren. Die meisten Hersteller empfehlen, den Luftstrom beim Heizen nach unten und beim Kühlen auf die Bewohner zu richten.
• Lüftereinstellungen optimieren. Stellen Sie außerdem sicher, dass Sie die Lüftereinstellungen anpassen, um den Komfort zu maximieren. Um die von der Wärmepumpe abgegebene Wärme zu maximieren, wird empfohlen, die Lüftergeschwindigkeit auf hoch oder „Auto“ einzustellen. Um auch die Entfeuchtung zu verbessern, wird beim Kühlen die „niedrige“ Lüftergeschwindigkeit empfohlen.

Überlegungen zur Wartung

Die ordnungsgemäße Wartung ist entscheidend, um sicherzustellen, dass Ihre Wärmepumpe effizient und zuverlässig arbeitet und eine lange Lebensdauer hat. Sie sollten die jährliche Wartung Ihres Geräts von einem qualifizierten Fachmann durchführen lassen, um sicherzustellen, dass alles in einwandfreiem Zustand ist.

Abgesehen von der jährlichen Wartung gibt es ein paar einfache Dinge, die Sie tun können, um einen zuverlässigen und effizienten Betrieb zu gewährleisten. Wechseln oder reinigen Sie Ihren Luftfilter unbedingt alle drei Monate, da verstopfte Filter den Luftstrom verringern und die Effizienz Ihres Systems verringern. Stellen Sie außerdem sicher, dass Lüftungsschlitze und Luftregister in Ihrem Zuhause nicht durch Möbel oder Teppiche blockiert werden, da eine unzureichende Luftzirkulation zu oder von Ihrem Gerät die Lebensdauer der Geräte verkürzen und die Effizienz des Systems beeinträchtigen kann.

Betriebskosten

Die Energieeinsparungen durch die Installation einer Wärmepumpe können dazu beitragen, Ihre monatlichen Energierechnungen zu senken. Ob Sie Ihre Energiekosten senken können, hängt stark vom Strompreis im Verhältnis zu anderen Brennstoffen wie Erdgas oder Heizöl und bei Nachrüstungsanwendungen davon ab, welche Art von System ersetzt wird.

Im Vergleich zu anderen Systemen wie Öfen oder elektrischen Fußleisten sind Wärmepumpen aufgrund der Anzahl der Komponenten im System im Allgemeinen teurer. In einigen Regionen und Fällen können diese zusätzlichen Kosten durch Einsparungen bei den Betriebskosten in relativ kurzer Zeit wieder amortisiert werden. In anderen Regionen kann sich dieser Zeitraum jedoch aufgrund unterschiedlicher Stromtarife verlängern. Es ist wichtig, mit Ihrem Auftragnehmer oder Energieberater zusammenzuarbeiten, um eine Einschätzung der Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpen in Ihrer Region und der möglichen Einsparungen zu erhalten.

Lebenserwartung und Garantien

Luftwärmepumpen haben eine Lebensdauer zwischen 15 und 20 Jahren. Der Kompressor ist die entscheidende Komponente des Systems.

Für die meisten Wärmepumpen gilt eine einjährige Garantie auf Teile und Arbeitsleistung sowie eine zusätzliche fünf- bis zehnjährige Garantie auf den Kompressor (nur für Teile). Da die Garantien jedoch von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich sind, prüfen Sie daher das Kleingedruckte.

Anmerkung:

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