Wie man eine Wärmepumpe zum Heizen eines Hauses selbst baut: Funktionsprinzip und Montageschaltpläne

Die ersten Versionen von Wärmepumpen konnten den Wärmebedarf nur teilweise decken. Moderne Varianten sind effizienter und können für Heizsysteme eingesetzt werden. Aus diesem Grund versuchen viele Hausbesitzer, eine Wärmepumpe selbst zu installieren.

Wir erklären, wie Sie die optimale Wärmepumpe unter Berücksichtigung der Geodaten des Standortes auswählen, an dem sie installiert werden soll. In dem zur Betrachtung vorgelegten Artikel wird das Funktionsprinzip von Systemen zur Nutzung “grüner Energie” detailliert beschrieben, und die Unterschiede werden aufgeführt. Mit unseren Ratschlägen werden Sie sich zweifellos für einen effizienten Typ entscheiden.

Für Heimwerker geben wir die Bautechnologie der Wärmepumpe an. Die zur Betrachtung vorgelegten Informationen werden durch anschauliche Schaltpläne, Fotosammlungen und eine ausführliche Videoanleitung in zwei Teilen ergänzt.

Was ist eine Wärmepumpe und wie funktioniert sie?

Unter dem Begriff Wärmepumpe versteht man eine bestimmte Gerätegruppe. Die Hauptfunktion dieser Geräte besteht darin, Wärmeenergie zu sammeln und zum Verbraucher zu transportieren. Als Wärmequelle kann jeder Körper oder jedes Medium mit einer Temperatur von +1 Grad oder mehr dienen.

In unserer Umgebung gibt es mehr als genug Quellen für Niedertemperaturwärme. Dazu gehören Industrieabfälle von Unternehmen, Wärme- und Kernkraftwerken, Abwässer usw. Für den Betrieb von Wärmepumpen im Bereich der Hausheizung werden drei natürliche, sich selbst regenerierende Quellen benötigt – Luft, Wasser und Erde.

Wärmepumpen schöpfen Energie aus Prozessen, die in der Umwelt regelmäßig ablaufen. Diese Prozesse hören nie auf, daher gelten die Quellen nach menschlichen Maßstäben als unerschöpflich.

Die drei genannten potenziellen Energielieferanten sind direkt mit der Sonnenenergie verbunden, die durch Erwärmung die Luft und den Wind in Bewegung setzt und der Erde Wärmeenergie zuführt. Die Wahl der Quelle ist das Hauptkriterium, nach dem Wärmepumpensysteme klassifiziert werden.

Das Funktionsprinzip von Wärmepumpen beruht auf der Fähigkeit von Körpern oder Medien, Wärmeenergie an andere Körper oder Medien zu übertragen. Empfänger und Lieferanten der Energie in Wärmepumpensystemen arbeiten in der Regel paarweise.

So unterscheidet man folgende Arten von Wärmepumpen:

• Luft – Wasser.
• Erde – Wasser.
• Wasser – Luft.
• Wasser – Wasser.
• Erde – Luft.
• Wasser – Wasser
• Luft – Luft.

Dabei gibt das erste Wort an, welcher Art von Medium die Wärmepumpe die Niedertemperaturwärme entzieht. Das zweite Wort bezeichnet die Art des Trägermediums, an das die Wärmeenergie übertragen wird. So entnimmt die Wärmepumpe vom Typ Wasser – Wasser ihre Wärme dem Wasser und verwendet als Wärmeträger ebenfalls eine Flüssigkeit.

Wärmepumpen sind konstruktiv als Dampfkompressionsanlagen ausgeführt. Sie entziehen natürlichen Quellen Wärme, verarbeiten sie und transportieren sie zu den Verbrauchern (+)

Moderne Wärmepumpen nutzen drei Hauptquellen der Wärmeenergie. Dies sind – Erdreich, Wasser und Luft. Die einfachste dieser Optionen ist – die Luftwärmepumpe. Die Beliebtheit solcher Systeme hängt mit ihrer recht einfachen Konstruktion und der einfachen Montage zusammen.

Trotz dieser Beliebtheit haben diese Varianten jedoch eine recht geringe Leistung. Zudem ist der Wirkungsgrad instabil und von saisonalen Temperaturschwankungen abhängig.

Mit sinkender Temperatur nimmt ihre Leistung erheblich ab. Solche Varianten von Wärmepumpen können als Ergänzung zur bestehenden Hauptwärmequelle betrachtet werden.

Gerätevarianten, die Erdwärme nutzen, gelten als effizienter. Das Erdreich nimmt Wärmeenergie nicht nur von der Sonne auf und speichert sie, es wird ständig durch die Energie des Erdkerns erwärmt.

Das heißt, der Boden ist ein besonderer Wärmespeicher, dessen Leistung praktisch unbegrenzt ist. Zudem ist die Bodentemperatur, insbesondere in einer bestimmten Tiefe, konstant und schwankt nur in geringem Maße.

Anwendungsbereiche der von Wärmepumpen erzeugten Energie:

Die Konstanz der Quelltemperatur ist ein wichtiger Faktor für den stabilen und effizienten Betrieb dieser Art von Energieanlagen. Systeme, in denen Wasser die Hauptquelle für Wärmeenergie ist, weisen ähnliche Eigenschaften auf. Der Kollektor solcher Pumpen wird entweder in einem Bohrloch, wo er sich in der wasserführenden Schicht befindet, oder in einem Gewässer platziert.

Die durchschnittliche Jahrestemperatur solcher Quellen wie Boden und Wasser variiert zwischen +7 °C und +12 °C. Diese Temperatur ist völlig ausreichend, um einen effizienten Betrieb des Systems zu gewährleisten.

Als am effizientesten gelten Wärmepumpen, die Wärmeenergie aus Quellen mit stabilen Temperaturwerten gewinnen, also aus Wasser und Boden.

Hauptbestandteile einer Wärmepumpe

Damit eine Energiegewinnungsanlage nach den Arbeitsprinzipien einer Wärmepumpe funktioniert, müssen in ihrer Konstruktion vier Hauptaggregate vorhanden sein, und zwar:

• Kompressor.
• Verdampfer.
• Kondensator.
• Drosselventil.

Ein wichtiges Konstruktionselement der Wärmepumpe ist der Kompressor. Seine Hauptfunktion ist die Erhöhung des Drucks und der Temperatur der Dämpfe, die durch das Sieden des Kältemittels entstehen. In der Klimatechnik und insbesondere bei Wärmepumpen werden moderne Spiralverdichter eingesetzt.

Als Arbeitsmedium, das den direkten Transport von Wärmeenergie übernimmt, werden Flüssigkeiten mit niedrigem Siedepunkt verwendet. In der Regel werden Ammoniak und Frigene (+) eingesetzt.

Solche Kompressoren sind für den Betrieb bei Minustemperaturen ausgelegt. Im Gegensatz zu anderen Bauarten erzeugen Spiralverdichter wenig Lärm und arbeiten sowohl bei niedrigen Verdampfungstemperaturen als auch bei hohen Kondensationstemperaturen. Als unbestrittener Vorteil gelten ihre kompakten Abmessungen und ihr geringes spezifisches Gewicht.

Nahezu die gesamte Energie der Wärmepumpe wird für den Transport der Wärmeenergie von außen ins Innere des Gebäudes aufgewendet. So werden für den Betrieb der Systeme etwa 1 Energieeinheit verbraucht, während 4 – 6 Einheiten produziert werden (+)

Der Verdampfer als konstruktives Element ist ein Behälter, in dem die Umwandlung des flüssigen Kältemittels in Dampf erfolgt. Das Kältemittel zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf und durchströmt den Verdampfer. Dort wird das Kältemittel erhitzt und verwandelt sich in Dampf. Der entstehende Dampf wird unter niedrigem Druck zum Kompressor geleitet.

Im Kompressor werden die Kältemitteldämpfe dem Druck ausgesetzt, und ihre Temperatur steigt. Der Kompressor pumpt den erhitzten Dampf unter hohem Druck in Richtung Kondensator.

Der Kompressor komprimiert das im Kreislauf zirkulierende Medium, wodurch dessen Temperatur und Druck steigen. Anschließend gelangt das komprimierte Medium in den Wärmetauscher (Kondensator), wo es abkühlt und Wärme an Wasser oder Luft abgibt.

Das nächste konstruktive Element des Systems – der Kondensator. Seine Funktion besteht darin, Wärmeenergie an den internen Kreislauf des Heizsystems abzugeben.

Serienexemplare, die von Industrieunternehmen hergestellt werden, sind mit Plattenwärmetauschern ausgestattet. Das Hauptmaterial für solche Kondensatoren ist legierter Stahl oder Kupfer.

Für die Eigenfertigung eines Wärmetauschers eignet sich ein Kupferrohr mit einem halben Zoll Durchmesser. Die Wandstärke der für den Wärmetauscher verwendeten Rohre sollte mindestens 1 mm betragen.

Das thermostatische Expansionsventil, auch Drosselventil genannt, wird am Anfang des Teils des Hydraulikkreislaufs installiert, in dem das zirkulierende Medium mit hohem Druck in ein Medium mit niedrigem Druck umgewandelt wird. Genauer gesagt teilen die Drossel und der Kompressor den Kreislauf der Wärmepumpe in zwei Teile: einen mit hohen Druckparametern und den anderen – mit niedrigen.

Beim Durchströmen des Expansionsdrosselventils verdampft die im geschlossenen Kreislauf zirkulierende Flüssigkeit teilweise, wodurch Druck und Temperatur sinken. Anschließend gelangt sie in den mit der Umgebung verbundenen Wärmetauscher. Dort nimmt sie die Energie der Umgebung auf und führt sie zurück in das System.

Mithilfe des Drosselventils wird der Kältemittelfluss zum Verdampfer reguliert. Bei der Auswahl des Ventils müssen Sie die Systemparameter berücksichtigen. Das Ventil muss diesen Parametern entsprechen.

Beim Durchströmen des thermostatischen Expansionsventils verdampft das flüssige Wärmeträgermedium teilweise, und die Temperatur des Stroms sinkt (+).

Auswahl des Wärmepumpentyps

Der Hauptparameter dieses Heizsystems ist die Leistung. Von der Leistung hängen in erster Linie die finanziellen Kosten für den Kauf der Ausrüstung und die Wahl der jeweiligen Niedertemperaturwärmequelle ab. Je höher die Leistung des Wärmepumpensystems ist, desto höher sind die Kosten der Komponenten.

In erster Linie ist die Leistung des Kompressors, die Tiefe der Bohrungen für geothermische Sonden oder die Fläche für die horizontale Kollektoranordnung gemeint. Korrekte thermodynamische Berechnungen sind eine Art Garantie dafür, dass das System effizient arbeitet.

Wenn sich in der Nähe Ihres Grundstücks ein Gewässer befindet, ist die Wärmepumpe Wasser-Wasser die rentabelste und effizienteste Wahl.

Zunächst sollten Sie das Grundstück untersuchen, das für die Montage der Pumpe vorgesehen ist. Ein idealer Zustand ist das Vorhandensein eines Gewässers auf diesem Grundstück. Die Verwendung der Variante Wasser-Wasser reduziert den Umfang der Erdarbeiten erheblich.

Die Nutzung der Erdwärme hingegen erfordert umfangreiche Erdarbeiten. Systeme, die Wasser als Niedertemperaturwärmequelle nutzen, gelten als am effizientesten.

Der Aufbau einer Wärmepumpe, die dem Erdreich Wärme entzieht, erfordert umfangreiche Erdarbeiten. Der Kollektor wird unterhalb der saisonalen Frostgrenze verlegt.

Die Nutzung der Erdwärme ist auf zwei Arten möglich. Die erste erfordert das Bohren von Löchern mit einem Durchmesser von 100–168 mm. Die Tiefe dieser Bohrungen kann je nach Systemparametern 100 m und mehr erreichen.

In diese Bohrungen werden spezielle Sonden eingesetzt. Bei der zweiten Methode kommt ein Rohrkollektor zum Einsatz, der horizontal im Erdreich verlegt wird. Für diese Variante ist eine ausreichend große Fläche erforderlich.

Für die Verlegung des Kollektors gelten Grundstücke mit feuchtem Boden als ideal. Bohrungen sind natürlich teurer als eine horizontale Kollektoranordnung. Allerdings hat nicht jedes Grundstück freie Flächen. Pro kW Leistung der Wärmepumpe werden 30 bis 50 m² Fläche benötigt.

Eine tiefe Bohrung zur Wärmegewinnung kann etwas billiger sein als das Ausheben einer Baugrube. Ein großer Vorteil ist jedoch die erhebliche Platzersparnis, was für Besitzer kleiner Grundstücke wichtig ist.

Bei hohem Grundwasserspiegel können die Wärmetauscher in zwei etwa 15 m voneinander entfernten Bohrungen installiert werden.

Die Wärmeenergie wird in solchen Systemen durch Umwälzen von Grundwasser in einem geschlossenen Kreislauf entnommen, dessen Teile in den Bohrungen angeordnet sind. Ein solches System benötigt einen Filter und eine regelmäßige Reinigung des Wärmetauschers.

Die einfachste und günstigste Bauweise einer Wärmepumpe basiert auf der Gewinnung von Wärmeenergie aus der Luft. Sie war einst die Grundlage für Kühlschränke, später wurden nach ihren Prinzipien Klimaanlagen entwickelt.

Die einfachste Wärmepumpenanlage bezieht ihre Energie aus der Luftmasse. Im Sommer dient sie der Heizung, im Winter der Klimatisierung. Ein Nachteil des Systems ist, dass das Gerät bei eigenständiger Ausführung eine unzureichende Leistung hat.

Die Effizienz der verschiedenen Typen dieser Ausrüstung ist nicht gleich. Die geringsten Werte weisen Pumpen auf, die die Luft als Medium nutzen. Zudem hängen diese Werte direkt von den Wetterbedingungen ab.

Erdreicharten von Wärmepumpen haben stabile Werte. Der Effizienzkoeffizient dieser Systeme variiert zwischen 2,8 und 3,3. Die höchste Effizienz weisen Wasser-Wasser-Systeme auf. Dies ist vor allem auf die Stabilität der Quelltemperatur zurückzuführen.

Es ist zu beachten, dass die Temperatur umso stabiler ist, je tiefer der Kollektor der Pumpe im Gewässer liegt. Um eine Systemleistung von 10 kW zu erreichen, sind etwa 300 Meter Rohrleitung erforderlich.

Der Hauptparameter, der die Effizienz einer Wärmepumpe kennzeichnet, ist ihr Umwandlungskoeffizient. Je höher der Umwandlungskoeffizient, desto effizienter gilt die Wärmepumpe.

Der Umwandlungskoeffizient einer Wärmepumpe wird durch das Verhältnis von Wärmestrom zu elektrischer Leistung, die für den Betrieb des Kompressors aufgewendet wird, ausgedrückt.

Eigenbau einer Wärmepumpe

Wenn Sie die Funktionsweise und den Aufbau einer Wärmepumpe kennen, ist es durchaus möglich, ein alternatives Heizsystem selbst zu montieren und zu installieren. Vor Arbeitsbeginn müssen alle wesentlichen Parameter des zukünftigen Systems berechnet werden. Für die Berechnung der Parameter der zukünftigen Pumpe können Sie eine Software verwenden, die für die Optimierung von Kühlsystemen vorgesehen ist.

Die am einfachsten zu errichtende Variante ist das System Luft-Wasser. Es erfordert keine aufwändigen Arbeiten am Außenkreislauf, der bei Wasser- und Erdwärmepumpen üblich ist. Für die Montage sind nur zwei Kanäle erforderlich: einer für die Luftzufuhr, der andere für die Abführung der Abluft.

Am einfachsten ist es, selbst eine Wärmepumpe mit Wärmeentnahme aus der Luft zu bauen. Ein auf der Außenseite installierter Ventilator bläst die Luft zum Verdampfer.

Neben dem Ventilator benötigen Sie einen Kompressor mit der erforderlichen Leistung. Für eine solche Einheit ist ein Kompressor, mit dem übliche Split-Systeme ausgestattet sind, durchaus geeignet. Es ist nicht notwendig, eine neue Einheit zu kaufen.

Sie können ihn von einer alten Anlage abnehmen oder Komponenten eines alten Kühlschranks verwenden. Es ist empfehlenswert, die Spiralvariante einzusetzen. Diese Kompressoroptionen erzeugen neben einer ausreichenden Effizienz einen hohen Druck, der eine Temperaturerhöhung bewirkt.

Für den Bau des Kondensators benötigen Sie einen Behälter und ein Kupferrohr. Aus dem Rohr wird eine Spirale hergestellt. Für dessen Herstellung kann jeder zylindrische Körper mit dem erforderlichen Durchmesser verwendet werden. Indem Sie das Kupferrohr darauf wickeln, können Sie dieses Konstruktionselement leicht und schnell herstellen.

Die fertige Spirale wird in einen zuvor halbierten Behälter montiert. Für die Herstellung des Behälters sollten Sie korrosionsbeständige Materialien verwenden. Nachdem die Spirale eingelegt ist, werden die beiden Hälften des Behälters zusammengeschweißt.

Die Fläche der Spirale wird nach folgender Formel berechnet:

MT/0,8 RT,

wobei:

• MT – die thermische Leistung, die das System abgibt.
• 0,8 – der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient bei der Wechselwirkung von Wasser mit dem Material der Spirale.
• RT – die Temperaturdifferenz des Wassers zwischen Einlass und Auslass.

Wenn Sie ein Kupferrohr für die Eigenherstellung der Spirale auswählen, müssen Sie auf die Wandstärke achten. Sie sollte mindestens 1 mm betragen. Andernfalls verformt sich das Rohr beim Wickeln. Das Rohr, durch das das Kältemittel eintritt, wird im oberen Teil des Behälters angeordnet.

Der Wärmetauscher aus einem Kupferrohr wird hergestellt, indem das Kupferrohr um einen zylindrischen Gegenstand gewickelt wird. Je größer die Oberfläche der Spirale ist, desto höher ist die Leistung der Pumpe.

Der Verdampfer der Wärmepumpe kann in zwei Varianten ausgeführt werden – als Behälter mit darin befindlicher Spirale und als Rohr-im-Rohr-Ausführung. Da die Flüssigkeitstemperatur im Verdampfer niedrig ist, kann der Behälter aus einer Kunststofftonne hergestellt werden. In diesen Behälter wird der Kreislauf eingelegt, der aus einem Kupferrohr besteht.

Im Gegensatz zum Kondensator muss die Spirale des Verdampfers dem Durchmesser und der Höhe des gewählten Behälters entsprechen. Die zweite Variante des Verdampfers: Rohr im Rohr. Bei dieser Variante wird das Kältemittelrohr in einem Kunststoffrohr mit größerem Durchmesser platziert, in dem Wasser zirkuliert.

Die Länge eines solchen Rohres hängt von der geplanten Leistung der Pumpe ab. Sie kann zwischen 25 und 40 Metern betragen. Ein solches Rohr wird zu einer Spirale gewickelt.

Das thermostatische Expansionsventil gehört zu den Absperr- und Regelarmaturen für Rohrleitungen. Als Absperrelement wird im thermostatischen Expansionsventil eine Nadel verwendet. Die Position des Absperrelements wird durch die Temperatur im Verdampfer bestimmt.

Dieses wichtige Element des Systems hat einen recht komplexen Aufbau. Zu seinen Bestandteilen gehören:

• Thermoelement.
• Membran.
• Kapillarrohr.
• Fühlerbalg.

Diese Teile können bei hohen Temperaturen beschädigt werden. Daher sollte das Ventil während der Lötarbeiten am System mit Asbestgewebe isoliert werden. Das Regelventil muss der Leistung des Verdampfers entsprechen.

Nach der Herstellung der wichtigsten Konstruktionsteile kommt der entscheidende Moment der Montage der gesamten Konstruktion zu einer Einheit. Der kritischste Schritt ist der Prozess des Einfüllens des Kältemittels oder des Wärmeträgers in das System.

Eine eigenständige Durchführung einer solchen Operation ist für einen Laien kaum machbar. Hierfür muss man sich an Fachleute wenden, die sich mit der Reparatur und Wartung von Klimageräten befassen.

Mitarbeiter dieses Bereichs verfügen in der Regel über die notwendige Ausrüstung. Neben dem Befüllen mit Kältemittel können sie auch die Funktion des Systems testen. Das selbstständige Einfüllen von Kältemittel kann nicht nur zu einer Beschädigung der Konstruktion, sondern auch zu schweren Verletzungen führen. Darüber hinaus ist für die Inbetriebnahme des Systems ebenfalls spezielle Ausrüstung erforderlich.

Beim Start des Systems tritt eine Spitzenstartlast auf, die in der Regel etwa 40 A beträgt. Daher ist ein Start des Systems ohne Startrelais nicht möglich. Nach dem ersten Start ist eine Einstellung des Ventils und des Kältemitteldrucks erforderlich.

Die Wahl des Kältemittels sollte mit allem Ernst getroffen werden. Denn dieser Stoff gilt im Grunde als der wichtigste “Träger” der nutzbaren Wärmeenergie. Unter den derzeit modernen Kältemitteln erfreuen sich Freone der größten Beliebtheit. Es handelt sich um Derivate von Kohlenwasserstoffverbindungen, bei denen ein Teil der Kohlenstoffatome durch andere Elemente ersetzt ist.

Durch die Montage der einzelnen Elemente der Wärmepumpe sollte ein geschlossener Kreislauf entstehen, in dem das Arbeitsmedium zirkuliert

Als Ergebnis dieser Arbeiten entstand ein System mit geschlossenem Kreislauf. Darin zirkuliert das Kältemittel, das die Wärmeenergie vom Verdampfer zum Kondensator aufnimmt und überträgt. Beim Anschluss von Wärmepumpen an das Heizsystem des Hauses ist zu berücksichtigen, dass die Wassertemperatur am Ausgang des Kondensators 50 – 60 Grad nicht übersteigt.

Aufgrund der geringen Temperatur der von der Wärmepumpe erzeugten Wärmeenergie sollten spezielle Heizgeräte als Wärmeverbraucher gewählt werden. Dies kann eine Fußbodenheizung oder großvolumige, trägheitsarme Radiatoren aus Aluminium oder Stahl mit großer Abstrahlfläche sein.

Selbstgebaute Varianten von Wärmepumpen sind am ehesten als Zusatzgeräte zu betrachten, die die Arbeit der Hauptwärmequelle unterstützen und ergänzen.

Von Jahr zu Jahr werden die Konstruktionen von Wärmepumpen verbessert. Bei industriellen Modellen für den Hausgebrauch werden effizientere Wärmeübertragungsflächen verwendet. Dadurch steigt die Leistung der Systeme stetig.

Ein nicht unwichtiger Faktor, der die Entwicklung einer solchen Technologie zur Wärmeerzeugung fördert, ist die ökologische Komponente. Solche Systeme sind nicht nur recht effizient, sondern auch umweltfreundlich. Das Fehlen einer offenen Flamme macht den Betrieb absolut sicher.

Fazit und nützliche Videos zum Thema

Video #1. Wie baut man eine einfache selbstgebaute Wärmepumpe mit Wärmetauscher aus PE-X-Rohr:

Video #2. Fortsetzung der Anleitung:

Als alternative Heizsysteme werden Wärmepumpen schon seit längerem eingesetzt. Diese Systeme zeichnen sich durch Zuverlässigkeit, lange Lebensdauer und, was wichtig ist, Umweltfreundlichkeit aus. Sie werden ernsthaft als ein weiterer Schritt auf dem Weg zur Entwicklung effizienter und sicherer Heizsysteme betrachtet.

Möchten Sie eine Frage stellen oder über eine interessante Methode zum Bau einer Wärmepumpe berichten, die im Artikel nicht erwähnt wurde? Bitte schreiben Sie einen Kommentar in den unten stehenden Block.