Wärmepumpe “Luft-Luft”: Funktionsprinzip, Aufbau, Auswahl und Berechnungen

Möchten Sie in Ihrem Haus eine Konvektorheizung einrichten, die eine Luft-Luft-Wärmepumpe zur Erwärmung des Wärmeträgers nutzt und beträchtliche Heizkosteneinsparungen ermöglicht? Sicherlich ist es ein reizvolles Vorhaben, eine vollwertige Heizung mit Warmwasserversorgung praktisch kostenlos zu bekommen.

Aber Sie wissen nicht, wie man ein solches System errichtet, um Räume auf alternative Weise zu heizen und Warmwasser für den Haushaltsbedarf zu erhalten?

Wir helfen Ihnen, dieses Thema zu verstehen – im Artikel werden das Funktionsprinzip und der Aufbau der Pumpe erläutert. Energie muss von einem solchen System nur für den Betrieb des Kompressors aufgewendet werden, und der Großteil der Wärme wird einfach aus der Außenluft entnommen, wofür wir vorerst noch kein Geld zahlen müssen.

Zudem werden die Vorteile seiner Einbindung in das System und wesentliche Nachteile betrachtet. Besonderes Augenmerk gilt der Auswahl und Berechnung der Pumpe.

Und für diejenigen, die alles gerne selbst machen, bieten wir an, eine ähnliche Pumpe unter Verwendung von verfügbaren Materialien selbst zu bauen. Zur Unterstützung stellen wir Fotomaterialien und Videoempfehlungen zum Aufbau und zur Funktionsweise der Luftwärmepumpe zur Verfügung.

Eigenschaften der Luft-Luft-Wärmepumpe

Jede Wärmepumpe gehört zur Ausstattung aus dem Bereich der alternativen Energien. Sie entzieht thermische Energie der Außenluft oder der Umgebungsluft im Raum, um damit Wohn- und Nichtwohngebäude zu beheizen.

Dabei werden keine verbrennbaren Brennstoffe verwendet.

Äußerlich ähnelt die Wärmepumpe (WP) Luft-Luft einem Inverter-Klimagerät, einer Split-Anlage aus Außen- und Innengerät.

Vom Funktionsprinzip her ähnelt sie eher einem Kühlschrank, nur funktioniert sie „umgekehrt”. Im Gegensatz zu beiden kann diese Wärmepumpe jedoch die Luftmassen im Haus sowohl kühlen als auch erwärmen.

Die Wärmepumpe entzieht der Außenatmosphäre Niedertemperatur-Wärmeenergie und erwärmt damit die Raumluft auf angenehme Temperaturen.

Funktionsprinzip und innerer Aufbau

Der Arbeit der Luft-Luft-WP liegt ein einfaches physikalisches Phänomen der Thermodynamik zugrunde – eine Flüssigkeit kühlt beim Verdampfen die Oberfläche, von der sie sich löst. Zum Beispiel zeigt der Dampf über einer Tasse heißen Tees denselben Effekt.

Nach diesem Prinzip funktioniert auch ein normaler Kühlschrank. In seinem Inneren befinden sich Rohre, in denen ein Kältemittel unter hohem Druck zirkuliert. Es entzieht dem Innenraum des Gefrierfachs Wärme und erwärmt sich dabei leicht.

Anschließend wird die gesammelte Wärme über den Wärmetauscher (das Gitter auf der Rückseite des Kühlschranks) an die Raumluft abgegeben.

Im Winter heizt die Luft-Luft-Wärmepumpe die Raumluft, im Sommer kann sie sie kühlen.

Und damit das Kältemittel danach auf Arbeitstemperatur abkühlt, wird es im Kompressor verdichtet. Dabei wechselt das Kältemittel während des Arbeitszyklus im System Kompressor-Kondensator-Verdampfer ständig vom gasförmigen in den flüssigen Zustand und zurück.

Eine Luftwärmepumpe funktioniert völlig analog. Nur entnimmt sie die Wärme von außen, nicht aus einem geschlossenen Gefrierschrank. Selbst wenn es draußen friert, ist in der Atmosphäre dennoch eine beträchtliche Menge thermischer Energie vorhanden.

Für die Wärmeerzeugung benötigt die Wärmepumpe nur die Energie, die für den Betrieb des Kompressors aufgewendet wird. Das Schema zeigt den Wärmeübertragungsprozess im Detail.

Eine Luft-Luft-Wärmepumpe besteht aus folgenden Elementen:

• Kompressor;
• Verdampfer mit Gebläse für Zwangsbelüftung;
• Expansionsventil;
• Kupferrohre für den Kältemitteltransport zwischen Außen- und Inneneinheit;
• Kondensator mit Ventilator zur Zufuhr erwärmter Luft in den Raum.

Die ersten drei Elemente bilden das Außengerät, und das letzte gehört zum Innenteil der Wärmepumpe. Die wärmeisolierten Kupferrohre dienen dem kontinuierlichen Transport des Wärmeträgers zwischen diesen Modulen der Split-Anlage.

Die Bewegung des Kältemittels in der Wärmepumpe erfolgt in einem geschlossenen Kreislauf, wodurch es ständig komprimiert und expandiert wird.

Die Funktionsweise einer Luft-Luft-Wärmepumpe sieht wie folgt aus:

1. Die Außenluft wird vom Ventilator in das Außengerät gesaugt und durch die Lamellen des äußeren Verdampfers geleitet. Das im Wärmetauscher zirkulierende Kältemittel nimmt die darin enthaltene Wärmeenergie auf und geht dabei in den gasförmigen Zustand über.
2. Anschließend gelangt das Gas in den Kondensator, wo es komprimiert wird. Danach wird es über Kupferrohre in das Innengerät gepumpt.
3. Im Kondensator im Haus geht das Gas wieder in den flüssigen Zustand über und gibt dabei die Wärme an die Raumluft ab.
4. Anschließend wird der Überdruck über ein Expansionsventil abgelassen, und das flüssige Kältemittel wird wieder zum primären Verdampfer geleitet.

Die Temperatur des in das Außengerät eintretenden Kältemittels ist stets niedriger als die Umgebungstemperatur. Daher entzieht es der Atmosphäre stets Wärme.

Der „Kühlungsgrad“ des Wärmeträgers im System ist jedoch konstant, während die Außentemperatur ständig schwankt. Aus diesem Grund verliert die Wärmepumpe bei starkem Frost ihre Effizienz.

Zyklus der Wärmeträgerbewegung einer Luft-Luft-Wärmepumpe: 1. Er wird vom Kompressor verdichtet, 2. kondensiert im Wärmetauscher und gibt dabei Wärme ab, 3. gelangt als Flüssigkeit in den äußeren Wärmetauscher, 4. verdampft dort, nimmt dabei die Wärmeenergie der Umgebung auf, 5. kehrt zurück zum Kondensator.

Um die Leistung der Wärmepumpe zu erhöhen, werden die Oberflächen von Kondensator und Verdampfer so groß wie möglich gestaltet. Für einen unterbrechungsfreien Betrieb im Winter ist der Außenwärmetauscher mit einem eigenen Abtausystem ausgestattet.

Vor- und Nachteile der Luftwärmepumpe

Jedes technisch komplexe System hat seine Vor- und Nachteile. Werbeprospekte sind das eine, in der Realität riskieren Besitzer von Wärmepumpen jedoch, auf bestimmte Probleme zu stoßen.

Anlagen zum Heizen/Kühlen vom Typ ‚Luft-Luft‘ sind aus mehreren Gründen vorteilhaft.

Zu den wichtigsten Vorteilen gehören:

• Vielseitigkeit. Die Systeme ermöglichen das Heizen und Kühlen von Räumen je nach Zweck des Raums, den Bedürfnissen und der Jahreszeit.
• Umweltfreundlichkeit. Sie ermöglichen den vollständigen Verzicht auf die Verbrennung von Erdgas, Kohle, Holz usw., die die natürliche Umwelt mit Verbrennungsprodukten verschmutzen.
• Einfache Montage. Es ist nicht schwierig, das System aus werkseitig hergestellten Komponenten zusammenzubauen. Man kann sogar selbst eine Wärmepumpe aus vorhandenen Materialien bauen.
• Brandsicherheit. Der Wärmegewinnungsprozess ist nicht mit der Verwendung von Brennstoff verbunden. Selbst Betriebsstörungen der Anlage können keine Brände verursachen.
• Wirtschaftlichkeit. Sie überzeugen durch einen hohen Wärmeübertragungskoeffizienten bei minimalen Kosten (pro verbrauchtem 1 kW Strom liefern sie 4–5 kW Wärme). Zudem amortisieren sie sich schnell.
• Erschwinglichkeit. Die Kosten für werksgefertigte Systeme ermöglichen es fast jedem, eine Wärmepumpe zu erwerben. Eine selbstgebaute Anlage ist praktisch kostenlos.
• Bedienkomfort. Das technisch anspruchsvollste Gerät im System ist der Kompressor, dessen Wartung nicht schwer zu bewältigen ist. Bei der für Wärmepumpen typischen Belastung fallen Kompressoren selten vor der vom Hersteller versprochenen Lebensdauer aus.

Um einen einzelnen Raum zu beheizen, reicht es aus, eine Split-Anlage zu installieren, indem Sie das Außengerät an der Fassade und den Konvektor an der Innenwand anbringen. Um mehrere Räume zu beheizen, müssen Sie Kanäle für die Verteilung der erwärmten Luft einrichten.

Auf jedes verbrauchte Kilowatt Strom gibt die Wärmepumpe bis zu fünf Kilowatt Wärmeenergie ab.

Die gesamte Steuerung der Luft-Luft-Wärmepumpe erfolgt durch die integrierte Automatik. Der Betrieb und die Einstellung dieses Systems erfordern keine besondere Aufmerksamkeit. Es müssen lediglich regelmäßig die Luftfilter gereinigt und gelegentlich ausgetauscht werden.

Zu den negativen Aspekten von Wärmepumpen gehören:

• ein wenn auch geringer, aber dennoch vorhandener Geräuschpegel;
• die direkte Abhängigkeit der Systemeffizienz von der Außentemperatur;
• den Anstieg des Stromverbrauchs bei kaltem Wetter;
• ständig in der Luft schwebenden Staub aufgrund des kontinuierlichen Betriebs des Ventilators und der Luftkonvektion im Raum;
• Abhängigkeit von der Stromversorgung (für einen unterbrechungsfreien Betrieb wird ein Generator benötigt).

Bei Außentemperaturen bis -10 °C funktioniert alles einwandfrei, die aus der Außenluft gewonnene Wärme reicht völlig aus, um im Haus komfortable Bedingungen zu schaffen. Bei weiterem Abkühlen sinkt die Effizienz der Wärmepumpe jedoch drastisch.

Wenn das Ferienhaus in einer Region mit kaltem Klima und starken Frösten im Winter gebaut wurde, kommt man ohne einen zusätzlichen Heizkessel oder Kamin nicht aus.

In warmem Klima bewältigt eine Luftwärmepumpe die Aufgaben zur Beheizung eines Privathauses problemlos, aber bei starkem Frost schadet eine zusätzliche Wärmequelle nicht.

Für die Einrichtung einer Luftheizung sind solche Systeme ideal geeignet. Minimaler Stromverbrauch, minimaler Montageaufwand und geringe Wartungsprobleme. Aber mit ihnen kann man kein Wasser erwärmen. Dazu müssten Sie zusätzlich einen Boiler installieren oder sich an das zentrale Netz anschließen.

Luft-Luft-Wärmepumpen sind die optimale Heizmethode für Gebäude aus Holz oder SIP-Platten. Solche Bauten haben geringe Wärmeverluste, und die Leistung einer Luftwärmepumpe reicht für ihre Beheizung mehr als aus.

Im Sommer kann eine Luft-Luft-Wärmepumpe zur Erwärmung des Wassers im Pool genutzt werden.

Grundlegende Unterschiede zur Klimaanlage

Äußerlich ähnelt eine Luft-Luft-Wärmepumpe einer Haushaltsklimaanlage. Sie hat jedoch ihre eigenen konstruktiven Besonderheiten und technischen Eigenschaften.

Das erste Gerät wird als primäre Heizquelle verwendet, die das ganze Jahr über arbeitet. Das zweite ist eher für die Kühlung der Luft in der Sommerhitze gedacht.

Die Hauptfunktion einer Wärmepumpe ist das Heizen. Viele Modelle können jedoch auch die Raumluft kühlen. In diesem Betriebsmodus sind sie der Klimaanlage in der Energieeffizienz jedoch deutlich unterlegen. Dies ist eher ein Notfall-Einsatzfall.

Vom Aussehen her ähneln sich eine Klimaanlage und eine Luft-Wärmepumpe, haben aber völlig unterschiedliche Aufgaben und Betriebseigenschaften.

Andererseits können viele Inverter-Klimageräte die Luft in Räumen erwärmen. Aber sie verbrauchen dabei wesentlich mehr Strom als Wärmepumpen. Jedes Gerät hat seinen eigenen Zweck.

Die Nutzung einer Luft-Luft-Wärmepumpe bedeutet in erster Linie den Umstieg auf erneuerbare Energiequellen.

Diese Systeme sind wirtschaftlich vorteilhaft, trotz hoher anfänglicher Investitionen. Die Reduzierung der Heizkosten amortisiert alle Anfangskosten.

Auswahl und Berechnungen der Wärmepumpe

Eine Luft-Luft-Wärmepumpe ist nur effektiv, wenn sie richtig ausgewählt wird. Es ist notwendig, ihre Leistung im Voraus in Abhängigkeit von der Quadratmeterzahl des Hauses zu berechnen. Erst dann kann man die Preise der verschiedenen Hersteller vergleichen.

Bei den Berechnungen wird die Energieeffizienz-Kennzahl COP (Verhältnis der Wärmepumpenleistung zur aufgewendeten Energie) verwendet.

Unter 'idealen Bedingungen' erreicht er oft 4–5 Punkte, die modernsten Modelle sogar 7–8. Sinkt die Außentemperatur jedoch auf -15 bis -20 °C, fällt dieser Wert drastisch auf nur etwa 2.

Die optimale Heizleistung erzielt die Wärmepumpe bei Außentemperaturen von -10 bis +10 Grad Celsius, da sie dann bis zu ¾ der Wärmeenergie von außen bezieht.

Bei der Berechnung der Luftheizung müssen Sie Folgendes berücksichtigen:

• die Wärmedämmung und Besonnung der Räume;
• die Fläche der Räume;
• die Anzahl der im Haus lebenden Personen;
• die allgemeinen klimatischen Bedingungen der Gegend, in der das Haus steht.

Für die meisten Häuser benötigt man pro zehn Quadratmeter etwa 0,7 kW Wärmepumpenleistung. Allerdings ist das recht grob geschätzt. Wenn die Decken höher als 2,7 m sind oder Wände und Fenster schlecht isoliert sind, wird mehr Wärme benötigt.

Es gibt viele Hersteller von Luft-Luft-Wärmepumpen, sowohl in Asien als auch in Europa.

Gute Bewertungen haben Systeme von Daikin, Dimplex, Hitachi, Vaillant, Mitsubishi, Fujitsu, Carrier, Aertec, Panasonic und Toshiba. Fast alle ihre Modelle sind an die hiesigen Betriebsbedingungen angepasst und haben sich gut bewährt.

Selbst bei Spannungsschwankungen gehen sie nicht kaputt und funktionieren nach Wiederherstellung der Stromversorgung einwandfrei weiter.

Der Preis für handelsübliche Luftwärmepumpen variiert zwischen 900 € und 4.500 €. Dabei kommt es nicht nur auf die Leistung des Geräts an, sondern auch auf die zusätzlichen Funktionen und das Herstellungsland.

Einzelne Modelle werden ergänzt durch:

• Luftreinigungs- und Desinfektionsfilter;
• Reserveheizungen;
• Stromgeneratoren;
• GSM-Module zur Systemsteuerung;
• Ionisatoren und Ozonisatoren.

Die Praxis zeigt, dass es bei Temperaturen unter -15 °C in den nur mit einer Luft-Luft-Wärmepumpe beheizten Räumen kühl wird. Und ohne zusätzliche Heizung ist es mit dem Komfort in den Räumen nicht weit her.

In südlichen Regionen, wo solche Frostperioden selten sind, ist die Wärmepumpe jedoch durchaus effektiv und rechtfertigt die ausgegebenen Kosten aufgrund der Energieeinsparungen mehr als.

Eigenbau aus einem alten Kühlschrank

Es ist recht schwierig, aus einzelnen Kompressoren und Kondensatoren ohne spezielle technische Kenntnisse selbst eine Luft-Luft-Wärmepumpe zusammenzubauen. Für einen kleinen Raum oder ein Gewächshaus kann man jedoch einen alten Kühlschrank verwenden.

Die einfachste Luftwärmepumpe können Sie aus einem Kühlschrank basteln, indem Sie einen Luftkanal von draußen hineinführen und einen Ventilator am hinteren Gitter des Wärmetauschers anbringen.

Dazu müssen Sie in der Vordertür des Kühlschranks zwei Löcher bohren. Durch das erste gelangt die Außenluft in das Gefrierfach, durch das zweite (unten) wird sie wieder nach draußen abgeführt.

Dabei gibt die Luft während des Durchgangs durch die Innenkammer einen Teil ihrer Wärme an das Kältemittel ab.

Sie können die Kältemaschine auch einfach in die Wand einbauen, mit der offenen Tür nach außen und dem Wärmetauscher auf der Rückseite in den Raum. Beachten Sie jedoch, dass die Heizleistung eines solchen Geräts gering ist und es nicht wenig Strom verbraucht.

Die Raumluft wird vom Wärmetauscher auf der Rückseite des Kühlschranks erwärmt. Eine solche Wärmepumpe kann jedoch nur bei Außentemperaturen von mindestens plus fünf Grad Celsius arbeiten.

Dieses Haushaltsgerät ist ausschließlich für den Einsatz in Innenräumen bestimmt.

In einem großen Ferienhaus müssen Sie die Luftheizungsanlage mit Luftkanälen ergänzen, die die warme Luft gleichmäßig in alle Räume verteilen.

Die Montage einer Luft-Luft-Wärmepumpe ist denkbar einfach. Sie müssen das Außengerät und das Innengerät installieren und sie dann über einen Kreislauf mit Wärmeträger miteinander verbinden.

Der erste Teil der Anlage wird im Freien installiert: direkt an der Fassade, auf dem Dach oder neben dem Gebäude. Den zweiten Teil können Sie im Haus an der Decke oder an der Wand anbringen.

Das Außengerät sollte in einigen Metern Entfernung vom Hauseingang und möglichst weit entfernt von Fenstern montiert werden; vergessen Sie nicht den vom Ventilator verursachten Lärm.

Das Innengerät wird so installiert, dass der warme Luftstrom gleichmäßig im gesamten Raum verteilt wird.

Wenn Sie ein Haus mit mehreren Räumen auf verschiedenen Etagen mit einer Luft-Luft-Wärmepumpe beheizen möchten, müssen Sie ein System von Lüftungskanälen mit Zwangsbelüftung einrichten.

In diesem Fall sollten Sie besser ein Projekt von einem kompetenten Ingenieur erstellen lassen, da sonst die Leistung der Wärmepumpe möglicherweise nicht für alle Räume ausreicht.

Der Stromzähler und die Schutzeinrichtung müssen den Spitzenlasten standhalten, die von der Wärmepumpe erzeugt werden. Bei einem plötzlichen Kälteeinbruch verbraucht der Kompressor ein Vielfaches an Strom als normal.

Am besten verlegen Sie für eine solche Luftheizung eine separate Versorgungsleitung vom Verteilerkasten.

Besondere Aufmerksamkeit ist der Montage der Kältemittelleitungen zu widmen. Selbst kleinste Späne im Inneren können die Kompressoranlage beschädigen.

Hier kommen Sie ohne Lötkenntnisse für Kupfer nicht aus. Das Befüllen mit Kältemittel sollten Sie besser einem Profi überlassen, um später Probleme mit Undichtigkeiten zu vermeiden.

Eine Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Herstellung einer Wärmepumpe aus einem Kühlschrank wird in diesem Artikel beschrieben.

Fazit und nützliche Videos zum Thema

Funktionsprinzip der „Luft-Luft“-Wärmepumpen-Split-Anlage:

Luftwärmepumpe im Heizsystem eines zweistöckigen Hauses:

Inverter-Klimaanlage oder Luftwärmepumpe – was ist besser?

Wärmepumpen, die nach dem „Luft-Luft“-Prinzip arbeiten, sind hocheffiziente Geräte. Sie sind wartungsfreundlich, bequem in der Bedienung und wirtschaftlich.

Derzeit gibt es eine große Auswahl solcher Systeme im Handel; für jedes Haus kann eine Heizanlage ausgewählt werden. Man muss nur ihre Leistung richtig berechnen, dann wird sie über viele Jahre effizient funktionieren.

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