Luft-Wärmepumpen

Eine Luft-Wärmepumpe kann Ihr Haus effizient heizen und kühlen, besonders wenn Sie in einem warmen Klima leben. Bei ordnungsgemäßer Installation kann eine Luft-Wärmepumpe eineinhalb- bis dreimal mehr Wärmeenergie an ein Haus liefern als die elektrische Energie, die sie verbraucht. Dies ist möglich, weil eine Wärmepumpe Wärme transportiert, anstatt sie wie bei Verbrennungsheizungen aus einem Brennstoff umzuwandeln.

Obwohl Luft-Wärmepumpen in fast allen Teilen der Vereinigten Staaten eingesetzt werden können, sind sie in der Regel über längere Zeiträume mit Temperaturen unter dem Gefrierpunkt nicht sehr leistungsfähig. In Regionen mit Temperaturen unter dem Gefrierpunkt im Winter ist es möglicherweise nicht kosteneffizient, den gesamten Heizbedarf mit einer Standard-Luftwärmepumpe zu decken.

Neue Systeme mit einer Gasheizung als Backup können dieses Problem jedoch überwinden. Es gibt auch eine "Cold Climate Heat Pump", die vielversprechend ist, aber derzeit mit Herstellungsproblemen zu kämpfen hat. Darüber hinaus behauptet eine "Reverse Cycle Chiller" genannte Version, bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt effizient arbeiten zu können.

Im Kühlbetrieb verdampft eine Luft-Wärmepumpe ein Kältemittel im Innenregister; während die Flüssigkeit verdampft, entzieht sie der Luft im Haus Wärme. Nachdem das Gas komprimiert wurde, gelangt es in das Außenregister und kondensiert, wobei es Wärme an die Außenluft abgibt. Die durch den Kompressor und das Expansionsventil verursachten Druckänderungen ermöglichen es dem Gas, bei einer hohen Temperatur im Außenbereich zu kondensieren und bei einer niedrigeren Temperatur im Innenbereich zu verdampfen.

Wie sie funktionieren

Das Kühlsystem einer Wärmepumpe besteht aus einem Kompressor und zwei Wärmetauschern aus Kupferrohren (einer im Innen- und einer im Außenbereich), die zur besseren Wärmeübertragung von Aluminiumlamellen umgeben sind. Im Heizbetrieb entzieht das flüssige Kältemittel in den äußeren Rohrschlangen der Luft Wärme und verdampft zu einem Gas. Die Innenregister geben die Wärme des Kältemittels ab, wenn es wieder zu einer Flüssigkeit kondensiert. Ein Umschaltventil in der Nähe des Verdichters kann die Richtung des Kältemittelstroms ändern, um zu kühlen und die Außenregister im Winter abzutauen.

Wenn die Außentemperaturen unter 40?ㆬ fallen, wird ein weniger effizientes Panel aus elektrischen Widerstandsspulen, ähnlich denen in Ihrem Toaster, für die Beheizung der Innenräume eingesetzt. Aus diesem Grund sind Luft-Wärmepumpen nicht immer sehr effizient für die Beheizung von Gebieten mit kalten Wintern. Einige Geräte verfügen jetzt über gasbefeuerte Ersatzöfen anstelle von elektrischen Widerstandsspulen, wodurch sie effizienter arbeiten können.

Die Effizienz und Leistung der heutigen Luftwärmepumpen ist eineinhalb- bis zweimal höher als die der vor 30 Jahren erhältlichen. Diese Verbesserung der Effizienz ist auf technische Fortschritte und Optionen wie diese zurückzuführen:

Im Heizbetrieb verdampft eine Luft-Wärmepumpe ein Kältemittel im Außenregister; während die Flüssigkeit verdampft, entzieht sie der Außenluft Wärme. Nachdem das Gas komprimiert wurde, strömt es in das Innenregister und kondensiert, wobei es Wärme an das Innere des Hauses abgibt. Die durch den Kompressor und das Expansionsventil verursachten Druckänderungen ermöglichen es dem Gas, bei einer niedrigen Temperatur draußen zu verdampfen und bei einer höheren Temperatur drinnen zu kondensieren.

• Thermostatische Expansionsventile für eine genauere Steuerung des Kältemittelflusses zum Innenregister
• Gebläse mit variabler Drehzahl, die effizienter sind und einige der nachteiligen Auswirkungen von engen Kanälen, schmutzigen Filtern und verschmutzten Wärmetauschern ausgleichen können
• Verbesserte Spulenkonstruktion
• Verbesserter Elektromotor und zweistufiger Kompressor
• Kupferrohre, innen gerillt zur Vergrößerung der Oberfläche.

Die meisten zentralen Wärmepumpen sind Split-Systeme, d. h. sie haben jeweils ein Register im Innen- und eines im Außenbereich. Die Zu- und Abluftkanäle sind mit einem zentralen Ventilator verbunden, der sich im Innenraum befindet.

Einige Wärmepumpen sind Komplettsysteme. Bei diesen befinden sich normalerweise sowohl die Wärmetauscher als auch der Ventilator im Freien. Die erwärmte oder gekühlte Luft wird über ein Kanalsystem, das durch eine Wand oder das Dach ragt, in den Innenraum geleitet.

Auswahl einer Wärmepumpe

Jede Wärmepumpe für den Hausgebrauch, die in diesem Land verkauft wird, ist mit einem EnergyGuide-Label versehen, das die Heiz- und Kühlleistung der Wärmepumpe angibt und sie mit anderen verfügbaren Marken und Modellen vergleicht.

Die Heizeffizienz von elektrischen Luftwärmepumpen wird durch den Heizleistungsfaktor (HSPF) angegeben, der das Verhältnis zwischen der saisonalen Heizleistung in Btu und dem saisonalen Stromverbrauch in Watt darstellt. Die Kühleffizienz wird durch die jahreszeitliche Energieeffizienzzahl (SEER) angegeben, die das Verhältnis der jahreszeitlichen Wärmeabgabe in Btu pro Stunde zur jahreszeitlichen Leistungsaufnahme in Watt darstellt.

Der Heating Seasonal Performance Factor (HSPF) bewertet sowohl die Effizienz des Kompressors als auch die der elektrischen Widerstandselemente. Die effizientesten Wärmepumpen haben einen HSPF-Wert zwischen 8 und 10.

Der jahreszeitbedingte Wirkungsgrad (Seasonal Energy Efficiency Ratio, SEER) bewertet die Kühleffizienz einer Wärmepumpe. Im Allgemeinen gilt: Je höher der SEER-Wert, desto höher die Kosten. Durch die Energieeinsparungen kann sich die höhere Anfangsinvestition während der Lebensdauer der Wärmepumpe jedoch mehrmals amortisieren. Wenn Sie eine zentrale Wärmepumpe aus den 1970er Jahren (SEER = 6) durch ein neues Gerät (SEER = 12) ersetzen, verbrauchen Sie nur halb so viel Energie, um die gleiche Kühlleistung zu erbringen, was die Kosten für die Klimaanlage halbiert. Die effizientesten Wärmepumpen haben einen SEER-Wert zwischen 14 und 18.

Achten Sie bei der Wahl einer elektrischen Luftwärmepumpe auf das ENERGY STAR®-Zeichen, das an Geräte mit einem SEER-Wert von mindestens 12 und einem HSPF-Wert von mindestens 7 vergeben wird. Wenn Sie eine elektrische Luft-Wärmepumpe kaufen und sich nicht sicher sind, ob sie die ENERGY STAR-Kriterien erfüllt, achten Sie auf dem leuchtend gelben EnergyGuide-Etikett auf eine Effizienz von 12 SEER/7HSPF oder mehr. Prüfen Sie bei Geräten mit vergleichbaren HSPF-Werten die stationäre Leistung bei -8,3 Grad C, der niedrigen Temperatureinstellung. Das Gerät mit dem höheren Wert ist effizienter.

Erwägen Sie den Kauf einer Wärmepumpe mit einem HSPF-Wert von mindestens 7,7. Im September 2006 wird das US-Energieministerium eine neue Norm in Kraft setzen, die vorschreibt, dass zentrale Wärmepumpen mindestens einen HSPF-Wert von 7,7 haben müssen. In wärmeren Klimazonen ist der SEER-Wert wichtiger als der HSPF-Wert; in kälteren Klimazonen sollte man sich darauf konzentrieren, den höchstmöglichen HSPF-Wert zu erreichen.

Dies sind einige weitere Faktoren, die bei der Auswahl und Installation von Luftwärmepumpen zu berücksichtigen sind:

• Wählen Sie eine Wärmepumpe mit einer Bedarfsabtauungsregelung. Dadurch werden die Abtauzyklen minimiert, was den zusätzlichen Energieverbrauch und den Energieverbrauch der Wärmepumpe reduziert.
• Wenn Sie einen Elektroofen mit einer Wärmepumpe ergänzen, sollte das Wärmepumpenregister in der Regel auf der kalten (stromaufwärts gelegenen) Seite des Ofens platziert werden, um die höchste Effizienz zu erzielen.
• Ventilatoren und Kompressoren machen Lärm. Stellen Sie das Außengerät nicht in der Nähe von Fenstern und angrenzenden Gebäuden auf, und wählen Sie eine Wärmepumpe mit einem Außengeräuschpegel von 7,6 bels oder weniger. Sie können diese Geräusche auch reduzieren, indem Sie das Gerät auf einen schalldämpfenden Sockel stellen.
• Der Standort des Außengeräts kann dessen Effizienz beeinträchtigen. Außengeräte sollten vor starkem Wind geschützt werden, da dieser Probleme beim Abtauen verursachen kann. Sie können ein Gebüsch oder einen Zaun strategisch vor den Spulen platzieren, um das Gerät vor starkem Wind zu schützen.

Siehe den Abschnitt über Auswahl und Austausch von Heiz- und Kühlsystemen für Informationen zur Auswahl eines Auftragnehmers, und siehe den Abschnitt über Dimensionierung Ihres Heizungs- und Klimatisierungssystems für die richtige Größenbestimmung.

Leistungsaspekte bei Wärmepumpen

Einem von ENERGY STAR finanzierten Forschungsbericht zufolge weisen mehr als 50% aller Wärmepumpen erhebliche Probleme mit einem geringen Luftstrom, undichten Leitungen und einer falschen Kältemittelfüllung auf.

Für jede Tonne der Klimatisierungskapazität der Wärmepumpe sollte ein Luftstrom von ca. 400?C500 Kubikfuß pro Minute (cfm) vorhanden sein. Effizienz und Leistung verschlechtern sich, wenn der Luftstrom viel weniger als 350 cfm pro Tonne beträgt. Techniker können den Luftstrom durch Reinigen des Verdampferregisters oder Erhöhen der Gebläsedrehzahl erhöhen, oft sind jedoch auch Änderungen an den Rohrleitungen erforderlich. Siehe die Abschnitte über Minimierung von Energieverlusten in Kanälen und weiter Isolierung von Kanälen.

Kältesysteme sollten bei der Installation und bei jedem Serviceeinsatz auf Dichtheit geprüft werden. Raumwärmepumpen und Kompaktwärmepumpen werden im Werk mit Kältemittel befüllt. Sie werden nur selten falsch befüllt. Split-Wärmepumpen hingegen werden vor Ort befüllt, was manchmal dazu führen kann, dass entweder zu viel oder zu wenig Kältemittel vorhanden ist. Split-Wärmepumpen mit der richtigen Kältemittelfüllung und dem richtigen Luftstrom liegen in der Regel sehr nahe an den vom Hersteller angegebenen Werten für SEER und HSPF. Zu viel oder zu wenig Kältemittel verringert jedoch die Leistung und Effizienz der Wärmepumpe.

Um eine zufriedenstellende Leistung und Effizienz zu erzielen, sollte die Füllmenge einer Split-Wärmepumpe nur wenige Gramm von der vom Hersteller angegebenen Menge abweichen. Der Techniker muss vor der Überprüfung der Kältemittelfüllung den Luftstrom messen, da die Messungen des Kältemittels nur dann genau sind, wenn der Luftstrom korrekt ist. Wenn die Füllung korrekt ist, stimmen die vom Hersteller angegebenen Temperaturen und Drücke des Kältemittels mit den von Ihrem Servicetechniker gemessenen Temperaturen und Drücken überein. Überprüfen Sie diese Messungen mit dem Techniker. Wenn die vom Hersteller angegebenen Temperaturen und Drücke nicht mit den gemessenen Werten übereinstimmen, muss gemäß den EPA-Normen Kältemittel hinzugefügt oder entnommen werden.

Fortgeschrittene Technologien: Reverse-Cycle-Kältemaschinen

Eine der bemerkenswertesten Innovationen im Bereich der Luft-Wärmepumpen ist der sogenannte Reverse Cycle Chiller (RCC). Sie bietet die Vorteile, dass der Hausbesitzer aus einer Vielzahl von Heiz- und Kühlverteilungssystemen wählen kann, von Fußbodenheizungen bis hin zu Umluftsystemen mit mehreren Zonen. Außerdem bietet sie das Potenzial für niedrigere Stromrechnungen im Winter und wärmere Luft aus den Zuluftöffnungen für mehr Komfort.

Ein RCC ist besonders wirtschaftlich für reine Elektrohäuser oder in Gebieten, in denen Erdgas nicht verfügbar ist. Abhängig von anderen Brennstofftarifen kann sie sogar die günstigste Heizungsoption im Vergleich zu allen anderen Heizstoffen sein.

Das System besteht aus einer standardmäßigen, einstufigen Luft-Wärmepumpe mit 12 SEER, die für die Heizlast und nicht für die übliche kleinere Kühllast im Sommer ausgelegt ist. Die Wärmepumpe ist an einen großen, stark isolierten Wassertank angeschlossen, den die Wärmepumpe je nach Jahreszeit erwärmt oder kühlt. Die meisten Systeme verwenden einen Gebläsekonvektor mit Kanälen, der das gespeicherte Wasser nutzt, um die Luft zu erwärmen oder zu kühlen und sie im Haus zu verteilen. Während der Heizperiode kann das Warmwasser über ein Fußbodenheizungssystem verteilt werden.

Das RCC-System beseitigt einen der größten Kritikpunkte an Luft-Wärmepumpen, nämlich das periodische Ausblasen von kalter Luft während des Abtauzyklus und während des anfänglichen Starts des Heizzyklus, wenn sich die Verteilerkanäle erwärmen. Das RCC-System löst diese Probleme, indem es die gespeicherte Wärme im Wassertank nutzt, um die Kühlschlangen abzutauen, und nicht die Raumluft.

Mit dem RCC-System kann die Wärmepumpe auch bei niedrigen Temperaturen mit höchster Effizienz arbeiten. Dies sorgt für mehr Komfort und Wirtschaftlichkeit, ohne dass elektrische Widerstandsheizregister erforderlich sind. In einer Anlage in Michigan zum Beispiel versorgte das RCC-System die Klimaanlage und ein Fußbodenheizungssystem mit 115?ㆠ Wasser, obwohl die Außentemperatur minus 15?ㆮ betrug.

Ein weiterer bedeutender Energiesparvorteil besteht darin, dass das RCC mit einem Kälte-Wärmerückgewinner (RHR) ausgestattet werden kann. Dieser ähnelt dem üblichen Wärmetauscher, den man bei hochwertigen Wärmepumpen und Klimaanlagen findet (siehe unten). Der Hauptunterschied besteht darin, dass der RHR nicht nur während der Kühlsaison Warmwasser erzeugt, sondern auch während der Heizsaison, indem er die überschüssige Kapazität des Außengeräts während des milderen Winterwetters nutzt, um im Wesentlichen kostenloses Warmwasser zu erzeugen. Im Sommer wird kostenloses Warmwasser erzeugt, indem die Abwärme des Hauses zurückgewonnen wird, solange das System auch das Gebäude kühlt.

Das kombinierte RCC- und RHR-System kostet etwa 25% mehr als eine Standardwärmepumpe ähnlicher Größe. Die einfache Amortisation der zusätzlichen Kosten in Gebieten, in denen Erdgas nicht verfügbar ist, liegt bei etwa 2?C3 Jahren.

Fortschrittliche Technologien: Kälte-Wärmepumpe

Ein Unternehmen hat die Cold Climate Heat Pump entwickelt, die mit einem zweistufigen Zweizylinder-Kompressor für einen effizienten Betrieb ausgestattet ist, mit einem Booster-Kompressor, der einen effizienten Betrieb des Systems bis zu 15?ㆻ ermöglicht, und mit einem Plattenwärmetauscher, dem so genannten Economizer", der die Leistung der Wärmepumpe nach Angaben des Unternehmens bis weit unter 0?ㆬ erhöht.

Das System wurde von mehreren Versorgungsunternehmen im Nordwesten positiv getestet, die bekannt gaben, dass die Wärmepumpe in Vorversuchen eine 60% höhere Effizienz als Standard-Luftwärmepumpen aufwies.

Das Produkt wurde den Verbrauchern nie in großem Umfang zur Verfügung gestellt, aber es scheint, dass die Produktion wieder aufgenommen werden kann und die Wärmepumpen bald für die Verbraucher erhältlich sein werden.

Fortschrittliche Technologien: All-Climate Wärmepumpe

Eine weitere vielversprechende Technologie ist die All Climate Heat Pump, die nach Angaben des Herstellers in den kältesten Wintertagen ohne Zusatzheizung betrieben werden kann und für angenehme Innentemperaturen sorgt, selbst wenn die Außentemperaturen unter Null fallen. Die Wärmepumpe könnte die Heiz- und Kühlkosten um 25%?C60% senken. Das Wenatchee Valley College in Washington hat die Wärmepumpe auf dem Campus installiert und testet sie seit Oktober 2006.

Während bei den meisten Wärmepumpen der Schwerpunkt auf der Kühlung liegt, wurde die All Climate Heat Pump so konzipiert, dass der Schwerpunkt auf der Heizung liegt. Die Anschaffungskosten für die All Climate Heat Pump sind hoch, aber wenn sie weiterhin so gut funktioniert wie vorhergesagt, machen die Energieeinsparungen über die gesamte Lebensdauer des Systems die Anschaffungskosten mehr als wett. Die All Climate Heat Pump ist derzeit für Verbraucher erhältlich.