Die Wärmepumpenheizung – Doppelte Behaglichkeit zu halben Kosten

August 2012 / Prof. Dr. rer. nat. Klaus Bastian, vergl.
Nr. 54.1 der Referenzbaustellen ‘01
Intro
Jahrtausende haben die Menschen die strahlende Wärme des Feuers genutzt, um ihre Bedürfnisse nach Behaglichkeit und Wohlbefinden in den kalten  Regionen des Nordens zu erfüllen. Erst im Zeitalter der Technisierung von Wohnungen und Wohnen wurde die Zentralheizung zum Inbegriff
des Fortschritts, ein System, welches die Luft mit Hilfe von Heizkörpern erhitzt und die Wärme durch Konvektion zu den Menschen im Raum befördert.
Das wichtigste Lebensmittel, die Luft, wurde so zum Transportmittel für die Wärme mit allen ungewollten Nebeneffekten: Zug, Fußkälte, Energieverluste,
Schimmel, Allergien.

Heute ist es möglich, die Behaglichkeit der wärmenden Flamme in den Bauteilen unseres Hauses einzuschließen, so dass die Luft zum Wärmetransport nicht mehr bewegt werden muss. Der Wohnraum wird konvektionsfrei und besonders behaglich. Und das gelingt sogar ohne die Hilfe des altbewährten Feuers! Um einen Wohnraum auf angenehme 23° C zu temperieren, ist es nicht erforderlich, Gas oder Öl bei 1200 ° Celsius zu verbrennen, die Umwelt zu belasten und unseren Enkeln die Sorgen mit fehlenden Rohstoffen zu überlassen. Es genügt, die aus dem Gebäude entwichene Wärme mit einem technischen Prozess, wie er in jedem Kühlschrankabläuft, in den Baukörper des Hauses zurückzupumpen!

Zu welchen Kosten mag dieser Komfort erreichbar sein?

Die ACALOR-Direktwärmepumpe verursacht einen Investitionsaufwand vergleichbar mit dem einer konventionellen Fußbodenheizung. Die Energiekosten allerdings werden halbiert!
Heizen ohne Feuer, wie soll das gehen?

Stellen Sie sich einen klirrend kalten Wintermorgen vor: minus 20 Grad Celsius außen und innen 23 Grad, die in Gebäudedecken und -fußböden stecken und vor der grimmigen Kälte schützen. Doch wie sieht dieses Wetter aus physikalischer Sicht aus? Die kalte Luft ist bei minus 20 Grad Celsius immer noch 253 Kelvin heiß, denn der absolute Nullpunkt von Null Kelvin, der durch den thermisch
energielosen Zustand der Materie bestimmt ist, liegt bei minus 273 Grad Celsius. Der Innenraum hat mit 23 Grad Celsius dann eine Temperatur von
296 Kelvin. Die ACALOR-Direktwärmepumpe entzieht nun der physikalisch immer noch heißen Außenluft Energie, indem sie diese um 3 Kelvin auf 250
Kelvin (oder minus 23 Grad Celsius) abkühlt, transformiert diese Energie im Kompressor auf ein 50 Kelvin höheres Niveau und bläst das Heizgas mit
nunmehr 300 Kelvin oder 27 Grad Celsius in den Estrich. Der kann sich so erwärmen und für unser Wohlbefinden sorgen.

Das war zu kompliziert? Zu einer solchen Technik haben Sie kein Vertrauen?

Sie haben es, denn in Ihrem Haushalt machen Kühlschrank und insbesondere Tiefkühltruhe täglich das gleiche Experiment: Das Gefriergut kühlt auf minus 20 Grad Celsius und tiefer ab. Das geht aber nur, wenn die überschüssige Energie in den 23 Grad Celsius warmen Innenraum abgegeben werden kann, nachdem sie vom Kompressor auf das höhere Niveau gepumpt wurde.

Die ACALOR-Direktwärmepumpe arbeitet nach genau dem gleichen Prinzip wie eine Tiefkühltruhe, nur sind innen und außen vertauscht. Und da das
Volumen außerhalb des Hauses praktisch unendlich groß ist, versiegt die thermische Energie dort nicht, selbst wenn klirrender Frost herrscht. Die
bewegte Außenluft sorgt für permanenten Nachschub an heißer Luft, dem Lieferanten für wohlige Wärme im Haus.

Eine Wärmepumpe und sonst nichts.
Ja, das Herz der ACALOR-Anlage ist eine für diese Aufgabe speziell ausgesuchte und optimierte Wärmepumpe. Trotzdem ist sie keine klassische Wärmepumpenheizung sondern die kompromisslose Anpassung an die Bedürfnisse des Wohnungsbaus.

Die klassische Wärmepumpenheizung ist ein Komponentensystem bestehend aus:
• Wärmequelle und Übertragungsmedium
(z.B. Sole)
• Wärmepumpe mit Verdampfer (Sole)
und Kondensator (Heizungswasser)
• Niedertemperatur-Warmwasserheizung
(z.B. eine Fußbodenheizung)

Sie besteht also aus drei Komponenten, die untereinander jeweils mit Wärmeübertragern gekoppelt sind. Der Energiefluss beginnt z. B. im Boden, dem sie mittels einer im Kreislauf gepumpten kalten Sole
die Wärme entzieht. Diese wird im Verdampfer auf das Kältemittel der Wärmepumpe übertragen. Nachdem es durch den Kompressor auf ein
höheres energetisches Niveau gepumpt wurde, kondensiert das Kältemittel im Wärmetauscher des Heizkreislaufs und überträgt die Energie auf das
Heizungswasser. Das zirkuliert, angetrieben durch eine weitere Pumpe, im Rohrsystem des Fußbodens und gibt dort kontinuierlich seine Wärme ab, bis
das Thermostatventil den Wasserkreislauf stoppt.

Charakteristisch für die klassische Wärmepumpenheizung ist das modulare Konzept mit mindestens zwei zusätzlichen Wärmeübertragern (oder Schnittstellen), welche eine beliebige Kombinierbarkeit mit herstellerunabhängigen Systemkomponenten gestattet.

Das ist vorteilhaft für den Installateur, der eine Anlage beliebig zusammenstellen kann! Dieses Konzept ist allerdings auch für die erheblichen Verluste des Systems verantwortlich, die Sie als Kunde mit den Heizkosten bezahlen müssen. Denn jeder Wärmetauscher benötigt eine Wärmedifferenz, um Energie zu übertragen. Das mag bei einem Heizkessel, der mit einer 1200 Grad Celsius heißen Flamme betrieben wird, wenig ausmachen. Eine Wärmepumpe muss diese Differenz jedoch zusätzlich erarbeiten!

Die ACALOR-Direktwärmepumpe bricht mit den herkömmlichen  Vorstellungen einer Wärmepumpenheizung und optimiert so das Gesamtsystem in unübertroffener Weise: das Heizgas gibt seine Wärme nicht an Wasser als Wärmeüberträgermedium ab sondern wird – wie der Name es sagt – direkt und ohne zusätzliche Pumpen durch druckfeste Rohre in den Estrich geleitet.
Der Heizestrich ist also zugleich Bauelement des Hauses und Bestandteil der Heizung. In ihm kondensiert das Gas und gibt seine Energie verlustfrei
an das Bauwerk ab. Und dies geschieht genau dort, wo die Wärme gebraucht wird, am kältesten Punkt des Systems.

Es fallen so nicht nur die vielen Strom verbrauchenden Pumpen weg, sondern auch die Temperaturdifferenzen für den Betrieb von Wärmeüberträgern.
Die ACALOR -Direktwärmepumpe muss daher viel weniger Temperatur pumpen, um den gleichen Effekt wie eine herkömmliche Warmwasser-Wärmepumpenheizung zu erreichen. Daher kann sie als einzige Wärmepumpenheizung auch noch mit minus 20 Grad Celsius kalter Außenluft etwas anfangen!

Sie übertrifft die konventionelle Fußbodenheizung sogar hinsichtlich ihrer Behaglichkeit, da die Kondensationstemperatur im Estrich an allen Punkten
gleich ist und nicht – wie bei Warmwassertransport – von der Einspeisung bis zum Ende kontinuierlich abnimmt.

Behaglicher als eine Warmwasser-Fußbodenheizung!
Damit eine Warmwasser-Fußbodenheizung an einer gewünschten Stelle Energie übertragen kann, benötigt sie ein warmes Heizmedium mit der erforderlichen
Übertemperatur. Da auch auf dem Weg zur beheizten Fläche Wärme abgegeben wird, muss am Eintrittspunkt eine höhere Vorlauftemperatur vorhanden sein als zur Beheizung des ausgewählten Bereichs erforderlich. So kommt es, dass die
Heizleistung auf dem Wege des Wassers mit der sinkenden Vorlauftemperatur abnimmt.

Die Kunst des Installateurs besteht darin, dies durch geschickte Führung der Heizschlangen im Estrich auszugleichen. Praktisch wird es immer
Temperaturunterschiede geben, die erst durch die Bewegung der erwärmten Luft wieder ausgeglichen wird. Konvektion ist der Fachausdruck dafür. Luft
als wichtigstes Lebensmittel wird so zum Wärmetransport missbraucht.

Bei der ACALOR-Direktwärmepumpe ist dieses Problem durch die Direktkondensation elegant umgangen. (Nur im Bereich der Verteilung hat das Heizgas eine Übertemperatur. Sie kommt speziellen Räumen wie Bädern und WCs oder der Warmwasserbereitung zugute.) Die Temperatur im Estrich wird durch den Druck des Heizgases bestimmt, bei dem es zu kondensieren beginnt. Da der Druck in einem verbundenen System überall gleich ist, beginnt das Gas an der kältesten Stelle flüssig zu werden und erwärmt diese dabei. Durch diesen Trick wird die Wärme zu den bedürftigsten Stellen transportiert,
ohne dass das Heizgas auf dem Weg dahin bereits seine Energie verliert.
Scheint zum Beispiel durch das Fenster die Sonne auf den Fußboden, so wird das Heizgas diesen Bereich unbehelligt passieren. Sind an einer Balkontür
die Wärmeverluste erhöht, so führt die um wenige Zehntel Grad reduzierte Temperatur zu einer verstärkten Kondensation des Heizgases an dieser
Stelle und damit zu einem gezielten Wärmetransport zu dem Schwachpunkt.
Das Resultat ist eine unerreicht gleichmäßige Erwärmung des Estrichs und dadurch der umgebenden Bauteile sowie der Raumluft. Von ACALOR beheizte Häuser zeichnen sich durch das Fehlen von Temperaturunterschieden in der Raumluft aus und damit durch ein konvektionsfreies Raumklima. Das ist das optimale Raumklima schlechthin und besonders wichtig für Allergiker!
Und die Kosten für das Wunder?
Die ACALOR-Direktwärmepumpe wird sinnvollerweise beim Neubau oder der Generalinstandsetzung eingebaut, da sie als vollständiges Heizsystem mit
anderen schon bestehenden Komponenten nicht zusammenwirken kann. Die Heizleistung ist präzise an den Wärmebedarf eines typischen modernen
Ein- oder Mehr-Familienhauses angepasst, welches die Wärmeschutzverordnung erfüllt.

Somit benötigt man neben dem Heizestrich im Gebäude genau ein Aggregat zur Wärmebereitstellung und verursacht Gestehungskosten, die mit einer klassischen Fußbodenheizung im Neubau in etwa vergleichbar sind.
Besonders interessant wird die ACALOR-Direktwärmepumpe hinsichtlich ihrer Betriebskosten. Das liegt an der cleveren Nutzung von Umweltwärme, die kostenlos zur Verfügung steht und einen großen Teil der Heizenergie bereitstellt. Maßgebend für die Menge der rückgewonnenen Wärme ist die so genannte Jahresarbeitszahl, ein Faktor der angibt, wie viel Heizenergie aus einer Einheit Antriebsenergie im Jahresdurchschnitt generiert wird. ACALOR-Direktwärmepumpen haben eine Jahresarbeitszahl von vier. Zur Bereitstellung von 4 kWh Heizwärme benötigen sie also nur 1 kWh Elektroenergie! Das zahlt sich für einen Betreiber finanziell aus!

Zwar liegen die spezifischen Kosten für Strom über denen von Gas. Das wird aber durch die Nutzung von Umweltwärme mehr als wettgemacht. Zusätzlich sparen kann man durch den Wegfall eines zweiten Energieanschlusses für die Gasheizung und der dadurch nicht mehr fällig werdenden zweiten Grundgebühr.
Gibt es denn schon praktische Erfahrungen?

ACALOR liefert und baut als Systemanbieter seit mehr als 20 Jahren diese Technik ein. Pro Jahr werden ca. 300 Häuser mit dieser Technik ausgestattet. Die Anlagen erfüllen praktisch wartungsfrei die gestellten Anforderungen. Besuchen Sie ein ACALOR-Haus in Ihrer Nähe und sprechen Sie mit den Bauherren über deren Erfahrungen.

Woraus besteht denn die ACALOR-Direktwärmepumpe genau?
Schön, wenden wir uns den praktischen Fragen zu. Die Grundkomponenten der ACALOR-Direktwärmepumpe sind ein Hochleistungsverdampfer mit Ventilator
zur Energiegewinnung durch Abkühlung der Außenluft, eine spezielle  Wärmepumpe auf Basis eines Copeland Scrollverdichters, der Heizestrich mit eingebauten druckfesten Kupferrohren, der in allen Räumen des Hauses auf deren Wärmebedarf abgestimmt ist.

Natürlich kann mit der ACALOR-Direktwärmepumpe auch Warmwasser bereitet werden.

Hierzu ist zusätzlich ein spezieller ACALOR-Edelstahlspeicher mit einem Fassungsvermögen von 200 Liter erforderlich, der frostsicher aufzustellen ist. Als Heizmedium benötigt die ACALOR-Direktwärmepumpe schließlich ein Mittel, welches bei  Umgebungstemperaturen, wie sie in Wohnräumen und im Freien herrschen, verdampfen und kondensieren kann. Hier kommt das umweltfreundliche Propan (R290) zum Einsatz, das in den geringen Mengen von etwa 3 kg im vollständig hermetisierten System völlig unbedenklich ist.

Verdampfer und Wärmepumpe werden im Freien aufgestellt und benötigen dort eine Fläche von etwa 2 m² in unmittelbarer Nähe des Hauses. Ihr Standort sollte so gewählt werden, dass die Betriebsgeräusche von Lüfter und Verdichter nicht stören.
Wichtig ist, dass eine akustische Kopplung mit dem Gebäude vermieden wird und das Aggregat nicht unmittelbar vor dem Schlafzimmerfenster des Nachbarn steht.

Schließlich benötigt die ACALOR-Direktwärmepumpe einen Drehstromanschluss mit 2,2 kW Leistung. Diese geringe Leistung kann jeder Hausanschluss zusätzlich aufbringen. Gelegentlich ist es jedoch finanziell günstiger, beim Energieversorger einen separaten Anschluss mit einem Wärmepumpentarif zu beantragen. Ein zweiter Zähler zur Kontrolle der
Wärmepumpe und zur Bestätigung des niedrigen Verbrauchs empfiehlt sich ohnehin.

Die Steuerung der Heizung übernimmt ein stunden und taggenau programmierbarer Raumthermostat, der an einer zug- und sonnenscheinfreien Stelle im Wohnzimmer angebracht wird. Er steuert das Gesamtsystem, nicht die einzelnen Räume! Hier werden Sie vielleicht verwundert sein, weshalb eine raumbezogene Regelung fehlt. Sie ist systembedingt im hochwärmegedämmten Haus nicht mehr sinnvoll und erforderlich. Zum Heizestrich ist noch ein Wort zu sagen. Er ist für die Effizienz des Systems entscheidend, stellt er doch die Strahlungswärmequelle des Hauses dar. Wir alle wissen, dass der Kachelofen eine hervorragende Strahlungswärme abgibt. Das ist in seiner Ausführung aus keramischen Bauelementen begründet. Der Fußboden in einem ACALOR-beheizten Haus besteht idealerweise aus Fliesen, die wie ein Kachelofen eine optimale Strahlungswärme abgeben können. Andere Beläge  sind denkbar, z. B. Parkett, Kork, Teppich, Linoleum. Diese sollten verklebt sein. Man sollte sich bei
der Auswahl der Bodenbeläge immer das Modell des Kachelofens vor Augen halten, um hier keine Fehler zu machen.

Die Auslegung der ACALOR -Direktwärmepumpe

Schön, wir kommen bereits zur praktischen Planung des Vorhabens. Grundlage für den Heizungsbau ist immer eine präzise Wärmebedarfsrechnung einerseits für das gesamte Gebäude zur Festlegung der erforderlichen Heizleistung und andererseits für die einzelnen Räume entsprechend ihrer Nutzung. Die kritische Frage ist, ob Ihr Haus so gut gedämmt ist, dass bei den zu erwartenden Minusgraden auch ohne interne und externe Wärmegewinne (z. B. durch die Heizleistung von anwesenden Personen, durch Haustechnik oder solare Erträge) die ACALOR-Direktwärmepumpe den Wärmebedarf decken kann. Anders als bei
herkömmlichen Heizungen ist die Leistung der ACALOR-Direktwärmepumpe prinzipbedingt von der Außentemperatur abhängig. Je niedriger diese ist
umso größer ist die Temperaturdifferenz, die von der ACALOR-Direktwärmepumpe gepumpt werden muss. Das bedeutet, dass weniger Wärmeleistung für die Heizung verfügbar bleibt.

Entscheidend ist also die Festlegung von Auslegungstemperaturen für die Innentemperatur und die niedrigste durchschnittliche Außentemperatur, die für den Standort des Hauses angenommen werden muss. Die daraus zu ermittelnde Temperaturdifferenz bestimmt den maximalen Wärmeverlust,
der durch die Heizung sicher auszugleichen ist.

Im Beispiel wäre für eine Wohnraumtemperatur von 20 °C bei -15 °C Außentemperatur ausreichend Leistung vorhanden (Wegen der Anlauf-, Abtau- und Verteilverluste nur 80% Heizleistung dargestellt).

Bei höherem Bedarf (in der Regel ab ca. 200 qm Wohnfläche) können auch zwei Systeme parallel arbeiten. Sinnvoll ist es zu prüfen, ob durch gezielte Wärmedämmmaßnahmen der Energiebedarf gesenkt werden kann und so ein einziges Aggregat zur Versorgung ausreicht. Dazu gehört auch die Erwägung, eine Lüftung mit Wärmerückgewinnung einzubauen, die einen großen Teil des Lüftungswärmebedarfs erbringt.

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