Große Wasser-Wasser-Wärmepumpen und ihre Anwendungen in Wohngebäuden

 

Große Wasser-Wasser-Wärmepumpen und ihre Anwendungen in Wohngebäuden

Einführung

Wasser-Wasser-Wärmepumpen (WWWP) nutzen Grund- oder Oberflächenwasser als Wärmequelle und -senke, um Wohngebäude effizient zu heizen und zu kühlen. Diese Technologie gewinnt zunehmend an Bedeutung, insbesondere im Kontext der Energiewende und des wachsenden Bedarfs an nachhaltigen Heizlösungen für den Wohnungsbau.

Funktionsweise

Wasser-Wasser-Wärmepumpen arbeiten nach dem Prinzip der Wärmepumpentechnologie und bestehen aus vier Hauptkomponenten: Verdampfer, Kompressor, Kondensator und Expansionsventil. Der Prozess umfasst folgende Schritte:

1. Wärmeaufnahme: Das Kältemittel nimmt im Verdampfer Wärme aus der Wasserquelle auf und verdampft.
2. Kompression: Der Kompressor erhöht den Druck und die Temperatur des dampfförmigen Kältemittels.
3. Wärmeabgabe: Im Kondensator gibt das heiße Kältemittel seine Wärme an das Heizsystem des Wohngebäudes ab und kondensiert.
4. Expansion: Das verflüssigte Kältemittel wird durch das Expansionsventil entspannt und der Zyklus beginnt von vorne.

Thermodynamische Grundlagen

Die Leistungszahl (Coefficient of Performance, COP) ist ein Maß für die Effizienz der Wärmepumpe und wird durch das Verhältnis der abgegebenen Wärmeleistung $Q_{\text{out}}$ zur aufgenommenen elektrischen Leistung $W$ definiert:

$\text{COP}=\frac{Q_{\text{out}}}{W}$

Für eine ideale Wärmepumpe, die nach dem Carnot-Prozess arbeitet, lautet der COP:

${\text{COP}}_{\text{Carnot}}=\frac{T_{\text{h}}}{T_{\text{h}}-T_{\text{c}}}$

Dabei ist $T_{\text{h}}$ die absolute Temperatur des warmen Reservoirs und $T_{\text{c}}$ die absolute Temperatur des kalten Reservoirs.

Anwendungen in Wohngebäuden

1. Heizung:

   • WWWPs können effizient zur Beheizung von Ein- und Mehrfamilienhäusern eingesetzt werden. Sie nutzen die konstante Temperatur von Grund- oder Oberflächenwasser, um eine stabile und effiziente Wärmequelle zu gewährleisten.

2. Warmwasserbereitung:

   • Neben der Raumheizung können WWWPs auch zur Bereitstellung von Warmwasser für den täglichen Gebrauch genutzt werden. Dies ist besonders in großen Wohnanlagen vorteilhaft, da der Warmwasserbedarf oft hoch ist.

3. Kühlung:

   • Im Sommer kann die Wärmepumpe umgekehrt betrieben werden, um das Gebäude zu kühlen. Dabei wird Wärme aus dem Gebäudeinneren aufgenommen und an das Wasser abgegeben.

Vorteile und Herausforderungen

Vorteile:

• Hohe Effizienz: WWWPs bieten eine hohe Effizienz und können das Vier- bis Sechsfache der elektrischen Energie in Wärme umwandeln.
• Nachhaltigkeit: Sie nutzen erneuerbare Energiequellen und tragen zur Reduktion von CO₂-Emissionen bei.
• Konstante Wärmequelle: Grundwasser hat das ganze Jahr über eine konstante Temperatur, was die Effizienz der Wärmepumpe erhöht.

Herausforderungen:

• Hohe Investitionskosten: Die Installation einer WWWP kann teurer sein als herkömmliche Heizsysteme.
• Genehmigungen: Die Nutzung von Grundwasser erfordert behördliche Genehmigungen.
• Wartung: Die Systeme erfordern regelmäßige Wartung, insbesondere bei der Nutzung von Grundwasser, um Verschmutzungen und Korrosion zu vermeiden.

Beispielrechnung

Nehmen wir an, eine WWWP arbeitet zwischen einem kalten Reservoir bei 10 °C (283 K) und einem warmen Reservoir bei 35 °C (308 K).

1. Berechnung des Carnot-COP:

${\text{COP}}_{\text{Carnot}}=\frac{308}{308-283}=\frac{308}{25}\approx 12.32$

2. Realer COP:

Der tatsächliche COP ist aufgrund von Systemverlusten niedriger. Ein realistischer COP für Wohngebäude liegt typischerweise bei 4 bis 5.

Fazit

Große Wasser-Wasser-Wärmepumpen bieten eine nachhaltige und effiziente Lösung für die Heiz- und Kühlanforderungen in Wohngebäuden. Trotz der höheren anfänglichen Investitionskosten und der Anforderungen an Wartung und Genehmigungen bieten sie langfristige wirtschaftliche und ökologische Vorteile. Insbesondere im Kontext der Energiewende und der Reduzierung fossiler Brennstoffe sind WWWPs eine zukunftsweisende Technologie für den Wohnungsbau.