Wärmepumpen: Wir wärmen uns in der Kälte

Welche Gründe halten uns davon ab, Abwärme zum Heizen von Häusern zu nutzen? Am Beispiel der weltweit verbreiteten Wärmepumpen werden die Schwierigkeiten bei deren Umsetzung in den GUS-Staaten betrachtet.

Um sicherzustellen, dass Wärmepumpen vorhanden sind und effektiv funktionieren, müssen Sie nicht weit gehen. Es reicht aus, in die Küche zu gehen und einen Blick auf den Kühlschrank zu werfen. Im Inneren herrschen Minustemperaturen und ein heißer Wärmetauschergrill auf der Rückseite signalisiert die erfolgreiche Wärmegewinnung aus Ihren Produkten.

Wärmepumpen werden oft als Umkehrkühlschränke bezeichnet. Diese Analogie ist nicht ganz korrekt. Die physikalischen Funktionsprinzipien eines Kühlschranks und einer Wärmepumpe sind identisch, sie unterscheiden sich lediglich in Design und Zweck: Der Kühlschrank entzieht einem geschlossenen Volumen Wärme und „wirft“ sie an die Umgebung ab. Im Gegenteil: Die Wärmepumpe entzieht der äußeren, offenen Umgebung Niedertemperaturwärme und gibt sie schließlich an das geschlossene Raumvolumen ab.

Die Funktionsprinzipien von Wärmekraftmaschinen wurden bereits in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts begründet, aber Kühlschränke hatten mehr Glück: Die Notwendigkeit, Lebensmittel aufzubewahren, erwies sich als drängenderes Problem als das Heizen von Häusern, zumal es keine Probleme mit Brennstoff gab damals zum Heizen.

Zum ersten Mal entstand das Interesse an Wärmepumpen im Europa der Nachkriegszeit, als der Ruin und der Mangel an Grundbedürfnissen die Suche nach nicht standardmäßigen Möglichkeiten zur Beheizung von Häusern zwangen. Der stärkste Impuls für die Verbesserung von Wärmepumpen war jedoch die Energiekrise der 1970er Jahre. Der starke Anstieg der Preise für Energieressourcen hat den Einsatz von Niedertemperatur-Wärmeträgern wirtschaftlich rentabel gemacht: Wasser in Stauseen, Erdwärme, heißes Abwasser aus Städten.

Zu diesem Zeitpunkt hatte die Industrie bereits zuverlässige und umweltfreundliche Systeme für verschiedene Anwendungen entwickelt und produziert: von Niedrigenergiesystemen für einzelne Ferienhäuser bis hin zu leistungsstarken Heizsystemen für Gebäudekomplexe.

Mittlerweile sind auf dem Markt Wärmepumpen erhältlich, die mit den unterschiedlichsten Medien (Luft, Wasser, Erde) betrieben werden und über automatisierte Pumpensteuerungs- und Managementsysteme verfügen. Doch die modernste Technik bringt nicht die gewünschten Ergebnisse, wenn bei der Wahl der Leistung der Wärmepumpe oder bei der Installation der Heizungsanlage Fehler gemacht werden.

Dazu ist es notwendig, sich an mehreren Schlüsselmerkmalen zu orientieren, die den effizienten Betrieb einer Wärmepumpe bestimmen. Der wichtigste davon ist der „Heizungskoeffizient“, d.h. das Verhältnis der erzeugten Wärmeenergiemenge zur verbrauchten elektrischen Energie. Bei modernen Systemen liegt sie zwischen 3,5 und 4.

Und hier beginnen die Nuancen.Der Hersteller gibt diesen Wert für die günstigste Betriebsart der Wärmepumpe an, d. h. für eine minimale Temperaturdifferenz zwischen dem externen Heizmedium und dem Heizkreis. Beispielsweise liegt der Koeffizient bei einer Außentemperatur von 10 Grad Celsius (Boden in 150 m Tiefe) und einer Temperatur des Heizkreislaufs von 40 Grad (warmer Boden) tatsächlich bei etwa 4. Aber schon bei 60 Grad ist er sinkt auf 2 und beträgt bei 80 Grad 1,0 V. In diesem Fall ist es einfacher und kostengünstiger, herkömmliche Elektroheizungen oder Boiler zu verwenden.

Das zweite Hauptproblem stellt die Berechnung des Kollektors (Wärmeauskopplungskreislauf) der Wärmepumpe dar. Je nach Bodenbeschaffenheit schwankt die Wärmeauskopplung zwischen 10 W/m bei Sandrohren und 35 W/m bei feuchten Lehmböden. Dies ist bei horizontaler Aufstellung des Kollektors der Fall. Für ein vertikales Reservoir ist es notwendig, die geologische Zusammensetzung der Schichten zu kennen, da entweder ein tiefer (mehr als 100 m) Brunnen oder ein mehrere Dutzend Meter tiefes Brunnensystem gebohrt werden muss.

Daher die Schlussfolgerung: Es ist einfach unmöglich, auf die Beteiligung einer spezialisierten Organisation oder Firma zu verzichten, die eine Studie durchführt, ein Projekt erstellt und die Zusammensetzung des Heizsystems bestimmt. Für einen horizontalen Kollektor ist kein Bohren erforderlich, aber für die Verlegung von Hunderten Metern Rohren müssen ebenso viele Gräben mit einer Tiefe von bis zu 2,5 Metern ausgehoben werden, sodass Ihr gepflegter Bereich nach getaner Arbeit wie ein Bombenstandort aussieht.

Für die Installation eines vertikalen Tanks sind Bohrungen bis zu einer Tiefe von mehr als 10 Metern erforderlich, was neben Forschungs- und Planungsarbeiten auch mit der Einholung von Genehmigungen verschiedener Organisationen verbunden ist.Der Untergrund der Erde ist heute Eigentum des Staates und kann angesichts der Behörden zu einem schwerwiegenderen Hindernis werden als die Preise für Ausrüstung und Arbeiten zur Einführung von Wärmepumpen.

Abschließend noch eine Schätzung der Kosten der Wärmepumpe mit Betrieb. Für eine Villa mit einer Heizfläche von 200 m2 wird eine Wärmepumpe mit einer Kapazität von ca. 18 kWh Wärmeenergie benötigt. Die Kollektorrohre werden etwa 400 Meter lang sein und eine optimistische Wärmeabfuhrleistung von 50 W/m aufweisen. Geräte mit einer solchen Kapazität von führenden deutschen Unternehmen kosten je nach Konfiguration etwa 6.000 bis 7.000 Euro. Bohr- oder Aushubarbeiten – innerhalb von 3000 Euro. Addieren Sie das Projekt, die Genehmigungen und erhalten Sie die Summe von 10.000. Dies ist ein Kriterium, um zu beurteilen, ob sich der Einbau einer Wärmepumpe für einen normalen Bürger heute lohnt und wann sich dies amortisiert.

Für Organisationen und Unternehmen, die neue Räumlichkeiten bauen, ist es jetzt möglich, die Heizung mit Wärmepumpen bereitzustellen. Diese Kosten können vor dem Hintergrund einer kontinuierlichen Erhöhung der Energietarife in 3-5 Jahren amortisiert werden. Doch für die Bevölkerung, für die der Staat Vorzugstarife oder subventionierte Energiekosten eingeführt hat, wird der Einsatz von Wärmepumpen auf lange Zeit unrentabel sein.