Wärmepumpe zum Heizen eines Hauses: Funktionsprinzip, Sorten und Verwendung
Angesichts der sich verschlechternden Umweltsituation in der Welt und der (für den Durchschnittsverbraucher wichtigeren) raschen Erhöhung der Gas- und Stromtarife versuchen immer mehr Europäer, Systeme mit alternativen Energiequellen in ihr tägliches Leben aufzunehmen. Eine der Optionen für solche Systeme ist die sogenannte Wärmepumpe, mit der Sie Ihr Haus im Winter erwärmen und Wasser für Haushaltszwecke erwärmen können, wobei Sie nur ein Minimum an Strom verbrauchen.
Auch in den Häusern unserer Landsleute in den letzten Jahren kann man diesem Wunder der Technik zunehmend begegnen. Für die Russen ist das Problem der hohen Preise für traditionelle Energiequellen natürlich nicht so akut wie in Europa, aber erstens ist es erstens, und zweitens möchte ich nicht hinter der zivilisierten Welt zurückbleiben ...
Also, die Wärmepumpe ... Was ist das? Worauf beruht das Prinzip seines Handelns? Wo, wo und wie pumpt er Wärme? Lass es uns richtig machen.
Inhalt:
Das Funktionsprinzip der Wärmepumpe
Das Funktionsprinzip von Wärmepumpen beruht auf der Fähigkeit eines Stoffes (Kältemittels), bei Änderung des Aggregatzustands Wärme aufzunehmen oder abzugeben. Im Wesentlichen unterscheiden sich solche Pumpen nicht wesentlich von Kühlaggregaten. (Diese auf den ersten Blick merkwürdige Aussage wird Sie nicht überraschen, wenn Sie jemals die heiße Rückwand eines gewöhnlichen Haushaltskühlschranks berührt haben.)
Schematisch kann eine Wärmepumpe als ein System dargestellt werden, das aus drei Kreisläufen besteht. Das erste ist ein Kühlmittel, das Energie von einer Quelle mit geringem Wärmepotential überträgt. Im zweiten Kreislauf zirkuliert Kältemittel (Freon), das periodisch verdampft, Wärme aus dem ersten Kreislauf entnimmt, dann wieder kondensiert und an den dritten Kreislauf abgibt. Und schließlich „läuft“ der Kühlkörper entlang des dritten Kreislaufs, in unserem Fall Wasser, das Wärme durch das Heizsystem überträgt.
Der Arbeitszyklus der Wärmepumpe kann allgemein wie folgt beschrieben werden. Flüssiges Kältemittel tritt in den Verdampfer ein und gelangt dort in einen gasförmigen Zustand. Die dafür notwendige Energie wird dem im Primärkreislauf zirkulierenden Kühlmittel entnommen. Dann wird gasförmiges Kältemittel, das um einige Grade vorgewärmt ist, in den Kompressor gesaugt, dessen Hauptzweck die Gaskompression ist (dies verbraucht natürlich Elektrizität).
Der Gasdruck steigt mehrfach an und erwärmt sich dabei deutlich: Beträgt die Kältemitteltemperatur am Eingang des Kompressors 6-10 ° C, so beträgt sie am Ausgang bereits ca. 60 ° C. In der nächsten Stufe wird das erhitzte Gas zum Kondensator geschickt, wo es die empfangene Wärme an das Heizsystem abgibt, während es sich selbst kondensiert, d.h. geht in einen flüssigen Zustand. Anschließend wird der Überdruck über eine Drosselklappe abgebaut und der Zyklus beginnt von vorne.
Wie Sie sehen, unterscheidet sich das Gerät der Wärmepumpe nicht grundlegend vom Gerät der Kältemaschine. Es ist nur so, dass der Hauptzweck von Kühlaggregaten darin besteht, Kälte zu erzeugen, so dass dort die Wärme vom Verdampfer abgeführt wird und der Kondensator diese Wärme nur an den umgebenden Raum abgibt.In der Wärmepumpe ist das Gegenteil der Fall: Der Kondensator ist ein Wärmetauscher, der Wärme an den Verbraucher abgibt, und der Verdampfer ist ein Wärmetauscher, der die Wärme mit niedrigem Potenzial der Sekundärenergieressourcen nutzt.
Mit anderen Worten, eine Wärmepumpe ist ein "Kühlschrank umgekehrt". Gleichzeitig ist "umgekehrt" nicht nur ein Gerät, sondern auch ein Ergebnis. Wenn im Falle eines Kühlschranks die Wärme aus den darin gespeicherten Produkten verschwendet wird, bringt die von der Wärmepumpe erzeugte Energie echte Vorteile - sie wird für die gezielte Beheizung des Hauses aufgewendet.
Vielzahl von Wärmepumpen und -systemen
Die für die Beheizung des Gebäudes und des Warmwassersystems aufgewendete Wärmeenergie ist das Ergebnis der Umwandlung von Umweltenergie mithilfe einer Wärmepumpe. Die Pumpe konzentriert diese Niedrigpotentialenergie (Niedertemperaturenergie) und überträgt sie an die Heizungsanlage.
Es bleibt zu verstehen, was in diesem Fall unter der Energie der Umwelt zu verstehen ist. Mit den meisten Haushaltswärmepumpen können Sie die Wärme der Sonne und die innere Wärme der Erde nutzen, die sich das ganze Jahr über in den oberen Schichten der Erdkruste und des Wassers ansammelt.
Durch die Art der Auslegung des ersten Kreislaufs des Wärmetauschers werden alle Wärmepumpen in Boden, Wasser und Luft unterteilt.
Erdwärmepumpen
Erdwärmepumpen erhalten die notwendige Wärme, um das Kältemittel im Verdampfer vom Boden zu erwärmen. Die Temperatur der letzteren in mehreren Metern Tiefe unterliegt praktisch keinen saisonalen Schwankungen. In einem geschlossenen System von im Boden verlegten Rohren zirkuliert eine "Sole". Es ist kein Zufall, dass wir das Wort „Gurke“ in Anführungszeichen gesetzt haben: Salz, wie man es vom Namen erwarten kann, enthält es nicht. In der Tat ist es ein Frostschutzmittel auf der Basis von Ethylenglykol oder Propylenglykol, seltener wässrigem Ethanol. Wärmetauscherrohre können sowohl horizontal (horizontaler Kollektor) als auch vertikal (Erdwärmesonde) in den Boden verlegt werden.
Horizontale Sammelrohre werden in einer Tiefe unter dem Gefrierpunkt des Bodens in dieser Region (normalerweise 1,5 bis 2 m) in den Boden verlegt. Das Wärmeaustauschsystem dieses Typs nimmt eine ziemlich große Fläche ein. Zum Beispiel, um ein relativ kleines Haus mit einer Fläche von 100 m zu beheizen2 Es wird notwendig sein, 2-3 Morgen Land zuzuteilen. Es ist zu berücksichtigen, dass auf dem Gebiet des Sammlers nur solche Bäume und Sträucher gepflanzt werden dürfen, deren Wurzeln nicht zu tief in den Boden eindringen, und dass hier überhaupt keine Gebäude aufgestellt werden können.
Eine Erdwärmesonde ist ein Wärmetauscher, dessen Rohre vertikal verlegt und bis zu einer Tiefe von 100-200 m in den Boden eingetaucht sind. Die Anzahl der installierten Sonden hängt von der erforderlichen Kapazität der Anlage ab. Um das Haus zu beheizen, das wir oben bereits als Beispiel betrachtet haben, genügen zwei Sonden mit einer Länge von ca. 80 m in einem Abstand von 5 m voneinander.
Wie Sie sehen, sind für dieses System keine großen Flächen erforderlich. Sie können in jedem Bereich Ihres Standorts Bohrlöcher bohren - wo immer dies für Sie am bequemsten ist. Der Hauptnachteil von Erdwärmepumpen mit Erdwärmesonden sind die hohen Bohrkosten. Trotzdem bevorzugen die meisten Anwender genau diese Systeme, da Erdwärmesonden effizienter als horizontale Kollektoren sind und weniger Einschränkungen unterliegen.
Bohren eines Brunnens für eine Erdwärmesonde.
Wasserwärmepumpen
Die Wasserwärmepumpe „zieht“ die Energie des Grundwassers, das sie durch ihren Verdampfer pumpt. Ein solches System zeichnet sich durch einen erhöhten Wirkungsgrad und eine gute Stabilität aus: Die erste Eigenschaft ist das Ergebnis eines hohen Wärmeübergangs von Wasser, die zweite ist auf die Konstanz der Temperatur des Grundwassers zurückzuführen.
Um diese Art der Installation nutzen zu können, ist es selbstverständlich erforderlich, dass dasselbe Grundwasser in Ihrem Hoheitsgebiet und in ausreichender Menge zur Verfügung steht.Es ist sehr wünschenswert, dass sich der Grundwasserleiter nicht tiefer als 30-40 m befindet. Die gleichzeitige Erfüllung dieser beiden Bedingungen ist ein seltenes Phänomen. Eine andere Bedingung, deren Ausfall die Installation einer Wasserwärmepumpe in Ihrem Haus oder Ihrer Hütte behindern kann, ist ein niedriger Gehalt an Eisensalzen und anderen Verunreinigungen im Grundwasser.
Die Verwendung von Wasser geringer Qualität führt zu einem schnellen Ausfall des Geräts, da der Wärmetauscher einfach verstopft. Das Vorhandensein so vieler Einschränkungen ist der Grund dafür, dass solche Wärmepumpen trotz ihrer Attraktivität nur selten installiert werden (etwa 5% aller durchgeführten Projekte).
Luftwärmepumpen
Luftwärmepumpen haben hinsichtlich der Montagefreundlichkeit einen großen Vorteil gegenüber ihren "Brüdern". Um die Umgebungsluft als Wärmequelle zu nutzen, müssen Sie keine Brunnen bohren oder andere großflächige Bodenarbeiten durchführen. Wenn Sie also die Kosten für die Installation der Ausrüstung veranschlagen, kostet Sie eine Luftpumpe viel weniger als eine Wasser- oder Bodenpumpe.
Trotz dieses erheblichen Vorteils kann diese Art von Klimagerät nicht als ideal bezeichnet werden, da es auch einen erheblichen Nachteil hat. Eine solche Pumpe arbeitet nur dann effizient, wenn die Umgebungstemperatur über –15 ° C ... –20 ° C liegt. Ein Temperaturabfall unterhalb dieser Grenze, der im Winter in den meisten Regionen unseres Landes keine Seltenheit ist, führt zu einer deutlichen Abnahme des Wirkungsgrades einer Luftwärmepumpe.
Wärmepumpen-Wirkungsgradverhältnis
Etwas höher haben wir den neuen Begriff „Wirkungsgrad“ verwendet. Es wäre falsch, nicht zu erklären, was es ist, zumal es ein wichtiges Merkmal von Wärmepumpen ist, mit dem Sie verschiedene Pumpentypen miteinander vergleichen können.
Der Wirkungsgrad (auch Transformationskoeffizient genannt) ist das Verhältnis der von der Pumpe erzeugten Wärmeenergie zur von ihr verbrauchten elektrischen Energie. In der Tat ist dies der Wirkungsgrad der Wärmepumpe. Bei Wasserwärmepumpen beträgt dieser Koeffizient unabhängig von der Jahreszeit 5. Das heißt, wenn 1 kW * h Strom verbraucht wird, erzeugt die Anlage 5 kW * h Wärmeenergie.
Bei Bodenpumpen ist der Wert des Wirkungsgrads etwas niedriger - von 4 bis 4,5. Und schließlich zeichnen sich Luftwärmepumpen durch den kleinsten Koeffizienten aus, und ihr Wirkungsgrad hängt stark von der Umgebungstemperatur ab: Bei 0 ° C beträgt der Koeffizient ~ 3,5 und bei –20 ° C nicht mehr als 1,5 (bei einem so geringen Wirkungsgrad die Pumpe) Das zahlt sich einfach nicht aus, und es ist sinnvoll, über den Kauf billigerer Klimaanlagen (z. B. eines Elektrokessels) nachzudenken.
Einige Manager, die für die von ihnen verkauften Wärmepumpen werben, versichern potenziellen Kunden, dass diese Geräte einen Wirkungsgrad von 400-500% haben. Natürlich ist von Verstößen gegen die Gesetze der Thermodynamik keine Rede. Es ist nur so, dass in diesem Fall die Berechnungen absichtlich falsch sind: Andere Energiequellen als der verbrauchte Strom werden nicht berücksichtigt - Luft, Wasser oder Boden, die von der Sonne erwärmt werden und geothermische Prozesse. Bei der Berechnung des Wirkungsgrades wird nur Strom berücksichtigt, und die Quelle von minderwertiger Wärme wird nicht berücksichtigt. Das Ergebnis ist mehr als 100%.
Der Einsatz von Wärmepumpen im russischen Klima
Nachdem Sie sich mit den obigen Beschreibungen der verschiedenen Arten von Wärmepumpen vertraut gemacht haben, können Sie die Frage, welche Pumpe für den Betrieb im russischen Klima am besten geeignet ist, leicht selbst beantworten.
Luftwärmepumpen sind nur für den Einsatz in einer begrenzten Anzahl von Regionen unseres Landes geeignet - wo die Lufttemperatur im Winter fast nicht unter Null sinkt. Natürlich sollten die Bewohner Sibiriens, des Fernen Ostens und des Nordens des europäischen Teils Russlands nicht einmal an Luftwärmepumpen denken.
Die Verwendung von Wasserwärmepumpen unterliegt vielen Einschränkungen. Wir haben bereits über einige von ihnen gesprochen, es bleibt noch eine zu erwähnen. Mehr als die Hälfte des Territoriums unseres Landes befindet sich in der Permafrostzone. Wenn auch ein Bewohner Ostsibiriens oder des Nordens des Fernen Ostens „Glück“ hat und sich in seinem nicht zu tiefen Abschnitt Grundwasser befindet, dann liegt dieses Grundwasser immer noch in Form von Eis vor, was bedeutet, dass es nicht für die Verwendung in der Heizungsanlage geeignet ist .
Daher müssen sich die meisten unserer Landsleute auf die einzige Win-Win-Option verlassen - eine Erdwärmepumpe. Darüber hinaus ist unter russischen Klimabedingungen eine Pumpe mit einem horizontalen Kollektor anstelle einer horizontalen Sonde besser geeignet, die es ermöglicht, eine Tiefe zu erreichen, in der die Bodentemperatur stabiler ist.
Wärmepumpenanwendung zum Kühlen
Ein großer Vorteil von Wärmepumpen ist, dass sie das Haus nicht nur heizen, sondern bei Bedarf auch kühlen können. Unser kurzer russischer Sommer ist manchmal sehr heiß, und wenn Ihr Zuhause buchstäblich heiß wird, ist der Vorschlag, die Heizung in eine Klimaanlage zu verwandeln, sehr nützlich.
Eine technische Lösung für dieses Problem kann bereits in der Produktionsphase in die Wärmepumpe integriert werden. Nahezu alle Hersteller verfügen über eine Reihe von Pumpen, die den Raum konditionieren können (natürlicher Kühlmodus). Wenn Ihre Wärmepumpe nicht über solche Fähigkeiten verfügt, ist immer noch nicht alles verloren - eine reguläre Pumpe kann auch zur Kühlung eingesetzt werden. Die notwendige Zusatzausrüstung in Form einer hydraulischen Entkopplung wird außerhalb der Pumpe montiert. Beide Optionen erfordern keine großen Investitionen.
Sie können die von der Wärmepumpe erzeugte Kälte auf verschiedene Weise direkt in den Raum befördern. Diese Funktion kann kalten Platten an Wänden oder Decken, der Kühlung von Fußbodenheizungen, Heizkörpern mit guter Luftzirkulation oder einem Gebläsekonvektor zugewiesen werden - einem Gerät, in das ein von einem Gebläse geblasener Plattenwärmetauscher eingebaut ist.
Die Verwendung einer Wärmepumpe für Warmwasser
Jede Wärmepumpe kann nicht nur Ihr Zuhause heizen, sondern Sie auch das ganze Jahr über mit heißem Wasser versorgen. Es ist jedoch zu beachten, dass dieses System eine niedrige Temperatur aufweist, was bedeutet, dass die Wassertemperatur im Kessel 45-55 ° C nicht überschreitet. Daraus folgt, dass das Volumen des Kessels größer sein sollte als bei Verwendung einer Standardheizungsanlage, da Sie und Ihr Haushalt sonst unter den Bedingungen einer strengen Warmwasserbereitung leben müssen.
Diese Tatsache sollte berücksichtigt werden, wenn Raum für einen Heizungsraum zugewiesen wird, d. H. Bereits bei der Planung eines Hauses. Außerdem müssen Sie bei der Auswahl eines Kessels berücksichtigen, dass es sich um eine spezielle Ausrüstung handelt, die für die Arbeit mit Wärmepumpenanlagen ausgelegt ist. Der Hauptunterschied zwischen diesem Kessel und dem üblichen Kessel besteht in der vergrößerten Fläche des Wärmetauschers, die für die effizienteste Wärmeübertragung von der Wärmepumpe erforderlich ist.
Wärmepumpen mit integriertem Heizelement
Oft integrieren Hersteller zusätzliche Elektroheizungen in ihre Wärmepumpen. Die eingebaute Heizung ermöglicht es, bei Bedarf aus Sicht der Wärmepumpe auf eine alternative Energiequelle umzuschalten - Strom. Wofür ist das? In diesen Fällen muss die Heizung verwendet werden
Die Auswahl einer Wärmepumpe zur Beheizung eines Hauses erfolgt unter Berücksichtigung verschiedener Parameter, unter anderem der klimatischen Gegebenheiten der Region. Es wird als ungeeignet erachtet, eine Pumpe mit Überleistung zu installieren. Tatsache ist, dass extrem kalte Tage nicht sehr häufig vorkommen, zumindest im mitteleuropäischen Teil Russlands. Die Praxis zeigt, dass es wirtschaftlicher ist, in diesen Frostperioden mit Strom die erforderliche Leistung zu "gewinnen", als zunächst eine leistungsstärkere Pumpe zu installieren. Das Vorhandensein eines Heizelements macht es unnötig, das System leistungsstärker zu machen, als es für die meiste Zeit der Heizperiode erforderlich ist.
Für Besitzer von Wasser- und Erdwärmepumpen ist eine integrierte Heizung mehr als eine Notwendigkeit. Ganz anders sieht es bei Luftwärmepumpen aus. Bei einer Lufttemperatur von –20 ° C oder weniger ist eine solche Pumpe unwirksam, wenn sie nicht abschaltet. Und obwohl es nicht so viele kalte Tage und Nächte im Jahr gibt, möchte ich nicht gleich in einem schnell gefrorenen Haus bleiben. Das Vorhandensein eines doppelten Wärmeerzeugers kann in diesem Fall nicht als Luxus bezeichnet werden.
Luftwärmepumpe.
Tipps und Tricks
Eine Wärmepumpe ist ein technisch hoch entwickeltes und recht teures Gerät, daher sollten Sie sich mit großer Verantwortung an ihre Auswahl wenden. Um nicht unbegründet zu sein, geben wir einige sehr spezifische Empfehlungen.
1. Beginnen Sie niemals mit der Auswahl einer Wärmepumpe, ohne vorher Berechnungen durchgeführt und ein Projekt erstellt zu haben. Das Fehlen eines Projekts kann zu schwerwiegenden Fehlern führen, die nur mit Hilfe großer zusätzlicher finanzieller Investitionen behoben werden können.
2. Nur Fachleute sollten die Planung, Installation und Wartung der Wärmepumpe und der Heizungsanlage beauftragen. Wie stellen Sie sicher, dass Fachleute in diesem Unternehmen arbeiten? Erstens, je nach Verfügbarkeit aller erforderlichen Unterlagen, ein Portfolio von verkauften Objekten, Zertifikate von Ausrüstungslieferanten. Es ist sehr wünschenswert, dass die gesamte Palette der erforderlichen Dienstleistungen von einem Unternehmen erbracht wird, das in diesem Fall die volle Verantwortung für die Durchführung des Projekts trägt.
3. Wir empfehlen Ihnen, der in Europa hergestellten Wärmepumpe den Vorzug zu geben. Lassen Sie sich nicht von der Tatsache verwirren, dass es teurer ist als chinesische oder russische Geräte. Wenn die Kosten für Installation, Inbetriebnahme und Fehlerbehebung der gesamten Heizungsanlage in der Schätzung enthalten sind, wird der Preisunterschied zwischen den Pumpen kaum spürbar sein. Wenn Sie jedoch einen „Europäer“ zur Verfügung haben, können Sie sich seiner Zuverlässigkeit sicher sein, da der hohe Preis der Pumpe nur das Ergebnis der Verwendung moderner Technologien und hochwertiger Materialien bei ihrer Herstellung ist.
