Luft Wärmepumpe
Die Luft Wärmepumpe nutzt Luft als Wärmequelle die sie abkühlt. Meist wird Aussenluft verwendet, es finden aber auch andere Varianten Verwendung. Je nachdem wie die Wärmeabgabe an das Gebäude funktioniert unterscheidet man zwischen Luft/Wasser Wärmepumpen und Luft/Luft Wärmepumpen. Erstere benutzen ein Flächen- oder Radiatoren Heizsystem, letztere geben die Wärme über eine Belüftungsanlage ab. U.a. in der Schweiz wird die Luft/Wasser Wärmepumpe am häufigsten eingesetzt. Dies liegt daran, dass die Wärmequelle Luft am günstigsten zu erschliessen ist.
Funktionsweise
Das grundsätzliche Funktionsprinzip der Wärmepumpe ist bei allen Kompressionswärmepumpen gleich. Die Luft Wärmepumpe hat allerdings verdampferseitig einige Besonderheiten.
Ein Ventilator bläst Luft über den Verdampfer der Wärmepumpe die dadurch gekühlt wird. Dieser besteht gewöhnlich aus Rohren in denen das Kältemittel fliesst die mit Lamellen auf der Aussenseite bestückt sind um die Oberfläche zu vergrössern. Dadurch dass die Temperatur des Verdampfers tiefer liegt als die Luft kondensiert Feuchtigkeit aus. Diese schlägt sich an ihm nieder und friert an, wenn die Verdampfertemperatur unter dem Gefrierpunkt liegt. Dadurch muss der Verdampfer regelmässig abgetaut werden. Dieser Vorgang benötigt zusätzlich Energie die die Arbeitszahl der Wärmepumpe verschlechtert. Die Häufigkeit des Abtauens, hängt von der Lufttemperatur und deren Feuchtegehalt ab. Ein weiterer Nachteil einer Luft Wärmepumpe ist, dass der Ventilator wegen der hohen benötigten Luftmenge störende Geräusche verursachen kann.
Bei Luft/Luft Wärmepumpen ist auch der Kondensierer ähnlich gestaltet wie deren Verdampfer.
Wärmequelle
Der Energieinhalt der Luft kann unterschiedlich genutzt werden. Am weitesten verbreitet sind Luft/Wasser Wärmepumpen die die Aussenluft nutzen. Dabei wird entweder die Luft durch Rohre in den Keller zu der Wärmepumpe geleitet oder die Wärmepumpe gänzlich steht im Freien (Aussenaufstellung). Es gibt auch Split Ausführungen, d.h. der Verdampfer mit dem Ventilator ist im Freien aufgestellt, während der Rest im Hausinnern aufgebaut ist. Es führen dann die Kältemittelleitungen durch die Hauswand.
Abluft, z.B. von einer Lüftungsanlage, kann ebenso genutzt werden. Der Vorteil liegt darin, dass diese Luft relativ warm ist gegenüber der Aussenluft. Allerdings ist die Luftmenge gering, es kann im Prinzip nur die Wärmemenge wieder ins Haus gebracht werden die über die Lüftung abtransportiert wird, plus die elektrischen Verluste der Wärmepumpe. Daher sind Abluftwärmepumpen die die Wärme aus der Lüftungsanlage gewinnen nur im Passivhaus sinnvoll wo die Transmissionsverluste gegenüber den Lüftungsverlusten sehr klein sind oder es wird eine zusätzliche Heizung benötigt. Ansonsten muss ein elektrischer Heizstab nachhelfen und die Wärmepumpe mutiert zur reinen Stromheizung.
Auch eine indirekte Nutzung der Luft ist möglich. Die Aussenluft, manchmal unterstützt durch die solare Einstrahlung, erwärmt einen Zwischenkreis in dem Sole fliesst. Die Wärmepumpe selbst funktioniert wie eine Sole Wärmepumpe. Dieser Solekreis kann als Energiezaun, Absorbermatten, Energiekugeln oder anderen Gebilden mit genügend grosser Oberfläche gestaltet sein.
Leistung und Effizienz
Die Leistung einer Wärmepumpe hängt primär von der Temperatur der Wärmequelle ab. Daher nimmt die Wärmeleistung einer Luft Wärmepumpe die die Aussenluft nutzt ab, je tiefer die Aussentemperatur liegt. Die Heizlast, also der Leistungsbedarf des Hauses, steigt jedoch mit tieferer Aussentemperatur an. Daher wird oftmals eine Zusatzheizung (z.B. el. Heizstab) verbaut, damit die nötige Heizleistung auch bei tiefsten Aussentemperaturen noch erbracht werden kann. Es ist jedoch auch möglich, eine Luft Wärmepumpe monovalent zu betreiben, also ohne Zusatzheizung. Diese muss dann entsprechend gross dimensioniert werden. Nachteil ist, dass dann bei hohen Aussentemperaturen das Gerät stark überdimensioniert ist. Abhilfe können Wärmepumpen mit zwei Verdichtern oder noch besser modulierende Anlagen schaffen, die die Heizleistung anpassen können.
Die Effizienz von Luft Wärmepumpen liegt meist hinter denen die andere Wärmequellen nutzen zurück. Dafür sind mehrere Gründe verantwortlich.
- Die Wärmekapazität und der Wärmeübergang von Luft sind schlechter als bei Flüssigkeiten, dies führt zu tieferer Verdampfungstemperatur bei gleicher Temperatur der Wärmequelle und damit geringerer Leistungszahl.
- Eisansatz am Verdampfer verschlechtert den Wärmeübergang zusätzlich
- Das regelmässige Abtauen des Verdampfer benötigt zusätzliche Energie
- Da der Heizbedarf bei tiefen Quellentemperaturen am höchsten ist, fallen tiefe Aussentemperaturen stärker ins Gewicht als hohe. Die gewichtete mittlere Aussentemperatur liegt oft unterhalb derer anderer Wärmequellen (Ausnahme sind sehr milde Standorte mit selten Temperaturen deutlich unter dem Gefrierpunkt)
Die in der FAWA Studie [ FAWA04 ] gemessenen Jahresarbeitszahlen von Luft/Wasser Wärmepumpen (Aussenluft) liegen im Mittel bei 2.6 (Verglichen mit 3.6 bei Sole oder Wasser Systemen)
