Die Europäische Union (EU) hat sich im Rahmen ihrer umfassenden Klimastrategie ehrgeizige Ziele zur Verringerung der Kohlendioxidemissionen (CO2) bis 2030 gesetzt. Mit diesem Ansatz soll der Klimawandel bekämpft und der Übergang zu einer kohlenstoffarmen Wirtschaft vorangetrieben werden. Nach Schätzungen der Internationalen Energieagentur (IEA) haben Wärmepumpen weltweit das Potenzial, die globalen Kohlendioxidemissionen (CO2) bis 2030 um mindestens 500 Millionen t zu reduzieren. Dies geht mit der Verpflichtung der EU einher, bis 2030 60 Millionen Wärmepumpen installiert zu haben.
Arten von Wärmepumpen
Es gibt verschiedene Arten von Wärmepumpen, die Luft, Wasser, das Erdreich (Erdwärme) oder Abfall als Wärmequelle nutzen. In Europa am weitesten verbreitet sind jedoch Luftwärmepumpen (Air Source Heat Pumps – ASHP), die die Wärme aus der Außenluft gewinnen. Sie sind kostengünstig und relativ einfach zu installieren, was sie zu einer beliebten Wahl für den Einsatz in Wohngebäuden macht. Die ASHP werden in Luft-Luft- und Luft-Wasser-Wärmepumpen unterteilt.
Luft-Luft-Wärmepumpen: Diese Systeme entziehen der Außenluft Wärme und geben sie an die Innenluft ab. Sie können auch in umgekehrter Richtung arbeiten, um den Innenraum zu kühlen. Dies ist die gängigste Art von Wärmepumpen zum Heizen und Kühlen von Wohngebäuden.
Luft-Wasser-Wärmepumpen: Diese Systeme entziehen der Luft Wärme und geben sie an Wasser ab, das für die Beheizung von Räumen über Heizkörper und Fußbodenheizung oder sogar für die Warmwasserversorgung genutzt werden kann.
Wärmepumpen funktionieren nach dem einfachen Prinzip, die Wärme von einem Ort zum anderen zu transportieren. Im Winter entzieht eine Wärmepumpe der Außenluft Wärme und überträgt sie nach innen, um den gewünschten Raum zu heizen. Zur Kühlung im Sommer kehrt sich der Prozess um, und die Wärmepumpe entzieht dem Innenraum Wärme und gibt sie nach außen ab.
Ermöglicht wird diese Wärmeübertragung durch den Kältekreislauf. Eine Wärmepumpe verwendet ein Kältemittel, um Wärme bei einer niedrigen Temperatur aufzunehmen und sie bei einer höheren Temperatur abzugeben. Das System besteht aus einer Inneneinheit, einer Außeneinheit und einem Netz von Rohren, die das Kältemittel zwischen den beiden Einheiten transportieren. Der Verdichter, Teil der Außeneinheit, spielt eine Schlüsselrolle, indem er das Kältemittel unter Druck setzt, um die Wärmeübertragung zu erleichtern. Alle Komponenten – Umwälzpumpe, Ventilator und Verdichter – werden durch einen Motorantrieb betrieben, um die Energieeffizienz zu erhöhen und Verluste zu reduzieren.
Leistungszahl (COP-Wert)
Die Attraktivität der Wärmepumpe besteht darin, dass sie mehr Heizenergie erzeugt als sie verbraucht. Der COP-Wert (Coefficient of Performance-Wert) einer Wärmepumpe ist ein Maß für ihre Effizienz bei der Übertragung von Wärme. Er ist definiert als das Verhältnis zwischen der von der Wärmepumpe übertragenen Wärmeenergie und der für diese Übertragung erforderlichen Energiezufuhr, in der Regel in Form von elektrischer Energie. So verbraucht eine Wärmepumpe in der Praxis circa 1 kW Strom, um einen COP-Wert von 4 kW zu erreichen. Das macht die Wärmepumpe sehr effizient, denn sie gewinnt 3 kW aus der Luft. Wärmepumpen haben von Natur aus einen hohen COP-Wert. Bei einem hohen COP-Wert erhalten Sie mehr Wärmeenergie aus dem System, als ihm an elektrischer Energie zugeführt wird. Je höher der COP-Wert ist, desto energieeffizienter ist das Gerät. Oder anders ausgedrückt: Je höher der COP-Wert, desto mehr Geld kann man bei der Heizungs- oder Klimatisierungsrechnung einsparen.
Betrieb eines Wärmepumpen-Inverters
Wärmepumpen verwenden im Wesentlichen einen Motorantrieb, der einen Verdichter zur Umwandlung von Strom in Wärme im Dampfkompressionszyklus betreibt. Zum effizienten Betrieb eines Wärmepumpen-Verdichters gehört eine Kombination aus richtiger Verdichter-Auswahl, effizienter Motorsteuerung, fortschrittlicher Invertertechnologie und optimiertem Systemdesign. Das Ziel ist es, eine hohe Energieeffizienz, Zuverlässigkeit und Leistung zu erreichen, die zum Gesamt-COP-Wert der Wärmepumpe beitragen.
Unabhängig davon, ob es sich bei dem Wärmepumpensystem um einen Monoblock oder eine Aufteilung zwischen Außen- und Inneneinheiten handelt, besteht das Ziel darin, den Verdichter, den Ventilator und die Umwälzpumpe effizient zu betreiben. Die Wahl der richtigen Topologie wie Totem-Pole und Vienna-Gleichrichter für die Blindleistungskompensation und die Inverterphasen, insbesondere für dreiphasige Systeme, führt zu einem hocheffizienten Inverterdesign.
Bauelemente mit breitem Bandabstand
Inverter, die auf Halbleitern mit breitem Bandabstand wie Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) basieren, bieten aufgrund geringerer Schaltverluste einen höheren Wirkungsgrad und können mit höheren Frequenzen arbeiten. Dies führt zu kleineren und effizienteren Invertern. Vorteile von Halbleitern mit breitem Bandabstand gegenüber IGBTs in Wärmepumpen:
Höherer Wirkungsgrad: Bauelemente mit breitem Bandabstand haben geringere Schaltverluste und können im Vergleich zu herkömmlichen siliziumbasierten Bauelementen mit höheren Frequenzen arbeiten. Dies führt zu einem höheren Gesamtwirkungsgrad, der den Energieverbrauch und somit die Betriebskosten senkt.
Betrieb bei höheren Temperaturen: SiC- und GaN-Bauelemente können bei wesentlich höheren Temperaturen betrieben werden als Silizium-Bauelemente. Diese Eigenschaft ermöglicht kompaktere Wärmemanagementsysteme und kann zu einer Verringerung des Kühlungsbedarfs für Leistungselektronik in Wärmepumpen führen.
Geringere Größe und leichteres Gewicht: Die höheren Schaltfrequenzen ermöglichen kleinere Spulen und Kondensatoren, was wiederum die Gesamtgröße und das Gewicht des Wärmepumpensystems verringern kann. Diese Eigenschaft ist besonders vorteilhaft für kompakte Installationen oder tragbare Wärmepumpenanwendungen.
Höhere Zuverlässigkeit und Langlebigkeit: Geräte mit Bauelementen mit breitem Bandabstand weisen aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit und Haltbarkeit bei hohen Temperaturen im Allgemeinen eine größere Zuverlässigkeit auf. Dies führt zu einer längeren Lebensdauer und geringeren Wartungskosten.
Wärmepumpen in Unternehmenslösungen
Wärmepumpen können individuell angepasst und auf spezifische Bedürfnisse zugeschnitten werden – von Geräten für Einfamilienhäuser bis hin zu Großanlagen für Gewerbegebäude und Industriekomplexe. Diese Flexibilität gestattet es, dass Wärmepumpen in verschiedenen Umgebungen eingesetzt werden können. Sie sind auch gut mit erneuerbaren Energiequellen wie Sonnen- und Windenergie kombinierbar. Integrierte Systeme, die Wärmepumpen mit Sonnenkollektoren oder Windrädern kombinieren, können die Energiekosten und die Umweltbelastung noch weiter senken.
Moderne Wärmepumpen sind mit intelligenter Technologie ausgestattet und mit intelligenter Haustechnik verbunden, die sich leicht über einen Touchscreen steuern lassen und eine Fernüberwachung und Automatisierung ermöglichen. Diese Anbindung an intelligente Haustechnik und das Internet wird eine entscheidende Rolle bei der Energiewende spielen. Dies steigert die Effizienz, da die Nutzer ihre Heiz- und Kühlsysteme aus der Ferne steuern und Anpassungen je nach Wetterbedingungen oder Gebäudenutzung vornehmen können.
Fazit
Wärmepumpen stellen einen bedeutenden Fortschritt bei der Suche nach energieeffizienten Heiz- und Kühllösungen dar. Ihre Vielseitigkeit, Energieeffizienz und Umweltfreundlichkeit machen sie zu einer attraktiven Wahl für eine Vielzahl von Anwendungen. Im Zuge des technologischen Fortschritts und der fortschreitenden Innovation der Unternehmen sind Wärmepumpen dafür gerüstet, eine zentrale Rolle bei der Reduzierung des Energieverbrauchs und der Bekämpfung des Klimawandels zu spielen. Ob in Wohn-, Gewerbe- oder Industrieumgebungen – Wärmepumpen bieten eine überzeugende Lösung für eine nachhaltige Zukunft.
