Auslegung und Funktionsweise von Wärmepumpen

1. Funktionsweise einer Pool Wärmepumpe
Pool-Wärmepumpen entziehen der Umgebungsluft Wärmeenergie und übertragen diese über Wärmetauscher an das Poolwasser. Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe wird als COP (Coefficient Of Performance) angegeben. Ein COP von 6.25 bedeutet z.B. das eine Wärmepumpe für jede kWh elektrische Energie 6.25kWh Wärmeenergie erzeugt.

Der COP (Leistungszahl) einer Wärmepumpe gilt immer nur für einen bestimmten Betriebspunkt und wird in der Regel für eine Umgebungstemperatur von  25° oder 26°C angegeben. Liegt die Umgebungstemperatur niedriger, sinkt der COP. Liegt die Umgebungstemperatur höher, steigt der COP etwas. Beim Vergleich von Wärmepumpen unterschiedlicher Hersteller muss also auch immer verglichen werden, für welchen Betriebspunkt die angegebene Leistungszahl gilt. Eine Wärmepumpe mit hohem COP ist  nicht automatisch "besser" als eine mit niedrigerer Angabe, wenn sich die Werte auf unterschiedliche Betriebspunkte beziehen.

Je höher die Umgebungstemperatur also ist, desto effizienter arbeitet die Pool-Wärmepumpe. Die Betriebszeiten der Heizung sollten sinnvollerweise so gelegt werden können, dass die Wärmepumpe zu den wärmsten Tageszeiten betrieben werden kann und dass diese Zeiten auch ausreichend sind um das Becken auf der gewünschten Temperatur zu halten.


2. Auslegung der Heizleistung
Um 1m³ Wasser um 1°C zu erwärmen, benötigt man 1,16kWh Wärmeenergie. Für ein Schwimmbecken mit 50m³ Wasserinhalt also 58kWh pro °C. Outdoorbecken mit Halle oder Rollabdeckung kühlen bei einer Wassertemperatur von 26°C über Nacht durchschnittlich um 1.5° - 2.0°C ab. Liegt die Aussentemperatur niedrig und sind die Witterungsverhältnisse eher schlecht, kühlt das Becken auch tagsüber weiter aus (etwa 0.5° - 1.5°C). Eine Poolheizung muss also mindestens 2°C Wärmeverlust in akzeptabler Zeit (halbe Filterlaufzeit), während der üblichen Filterlaufzeiten nachheizen können. Die Laufzeiten einer Wärmepumpe würden sich bei einem Schwimmbad mit 50m³ Wasserinhalt in etwa wie folgt ergeben:

5 kW Heizleistung - 23h 10m Laufzeit
9 kW Heizleistung - 12h 50m Laufzeit
12kW Heizleistung - 09h 40m Laufzeit
15kW Heizleistung - 07h 40m Laufzeit
18kW Heizleistung - 06h 20m Laufzeit
21kW Heizleistung - 05h 30m Laufzeit
24kW Heizleistung - 04h 50m Laufzeit
28kW Heizleistung - 04h 10m Laufzeit

Zu berücksichtigen bleibt, dass Schwimmbad-Heizungen bei Aussenbecken vorwiegend der Saisonverlängerung dienen sollen und entsprechend in den Monaten April und September ein erhöhter Heizbedarf vorliegt. Nachdem zu diesen Jahreszeiten die Aussentemperatur größtenteils deutlich unter 26°C liegt, verlängern sich die notwendigen Laufzeiten der Wärmepumpen entsprechend. Eine Wärmepumpe mit 24 - 28kW wäre für diesen Anwendungsfall also die passendste Wahl für einen Pool mit 50m³ Wasserinhalt (Aussenbecken, Standort Deutschland, Österreich, Schweiz). 
Liegt die Wunsch-Wassertemperatur für die angenommene Betriebszeit (Anfang April bis Ende Septempber) eher im Bereich um 30°C, ist die notwendige Heizleistung um dem Faktor 1.3 bis 1.5 zu erhöhen.


3. Inverter Wärmepumpen - wirklich so effizient?
Im Gegensatz zu herkömmlichen Wärmepumpen werden bei Inverter Wärmepumpen - ähnlich wie bei regelbaren Schwimmbadpumpen - die Drehzahl von Kompressor und Lüfter entweder stufenlos oder in verschiedenen, festen Abstufungen geregelt. Reduziert man die Leistung des Kompressors auf etwa 1/4 der Nennleistung, reduziert sich die effektive Stromaufnahme der Wärmepumpe auf 1/6 der Nenn-Stromaufnahme. Allerdings reduziert sich natürlich auch die abgegebene Wärmeleistung auf 1/4 der Nennleistung. Effizienzsteigernd wirkt sich ausserdem aus, dass bei reduzierter Leistung die Temperaturgradienten im Verdampfer und Kondensator geringer sind, so dass die Wärmepumpe gegen einen geringeren Temperaturunterschied arbeiten muss.

Vergleicht man die technischen Angaben einer gängigen Inverter Wärmepumpe mit z.B. 17.5kW Heizleistung, kann diese Wärmepumpe in der niedrigsten Leistungsstufe bei 15° Umgebungstemperatur noch 2.8kWh Wärme liefern und bei 26° Umgebungstemperatur noch 4.4kWh. Die Leistungsaufnahme liegt dabei bei etwa 340 Wh (15°C) bzw. 280 Wh (26°C). Die Werte ergeben rechnerisch und in der Praxis tatsächlich einen COP von 8 bzw. 16, die obige Tabelle zeigt aber, dass mit dieser reduzierten Leistungsstufe (25%) das halten der Beckentemperatur in der Praxis kaum möglich sein wird. Die Pumpe muss überwiegend in einer höheren Leistungsstufe betrieben werden. Auch hier arbeiten diese Pumpen noch effizienter, aber man sollte bei einem angegebenen COP von 16 nicht davon ausgehen, eine 2,5-Fache Energieeinsparung gegenüber einer ON/OFF Wärmepumpe mit COP 6.25 erzielen zu können. In den wärmeren Sommermonaten oder in Ländern mit entsprechend höheren Lufttemperaturen ist der Einsatz im Teilastbetrieb zw. 25% und 50% oft ausreichend da die Heizlast geringer ist. In Summe ist (für Deutschland) eine saisonale Stromeinsparung von etwa 10..15% gegenüber einer herkömmlichen Wärmepumpe realisierbar *.

Effizient nutzbar wird der hohe COP einer Inverter Wärmepumpe also wenn man die Heizleistung überdimensioniert, damit man den größtmöglichen Zeitraum im Teil- und Niedriglastbetrieb auskommt. Die wesentlich höheren Anschaffungskosten müssen dann der erzielbaren Energieeinsparung gegenüber gestellt werden.


* Für ein 50m³ Outdoor-Becken (mit Schiebehalle oder Abdeckung), Standort Deutschland, mit einer herkömmlichen Wärmepumpe und einer Becken-Betriebszeit von Anfang April bis Ende Septemper kann, abhängig der Becken-Wunschtemperatur, ein Saisonverbrauch von etwa 2000-2500kWh elektrischer Energie angesetzt werden. 

4. Laufzeitenübersicht
Die folgenden Tabellen dienen als Anhaltspunkt für die notwendigen Laufzeiten einer Wärmepumpe, um den entsprechenden Beckeninhalt um 1°C zu erwärmen. Tabelle1 bezieht sich dabei auf eine Umgebungstemperatur von 25°C, Tabelle2 auf 15°C


Tabelle1


Tabelle2