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Wärmepumpe


Die Wärmepumpe ist eine Maschine, die unter Zufuhr von technischer Arbeit Wärme von einem niedrigeren zu einem höheren Temperaturniveau pumpt. Bei der Wärmepumpe wird die auf dem hohen Temperaturniveau anfallende Verflüssigungswärme z. B. zum Heizen genutzt (Wärmepumpenheizung). Dagegen wird bei der Kältemaschine die Abkühlung eines Kältemittels beim Entspannen und Verdampfen genutzt, um ein Fluid abzukühlen.

Die Wärmepumpe und die Kältemaschine stellen die technische Anwendung des selben thermodynamischen Kreisprozesses, der Umkehrung der Wärmekraftmaschine, dar. Der Wärmepumpenprozess, nach Rudolf Plank Plank-Prozess genannt, wird auch als Kraftwärmemaschine bezeichnet. Der Grenzfall einer reversibel arbeitenden Kraftwärmemaschine ist der linksläufige Carnotprozess.

Bei der direkten elektrischen Beheizung, z. B. mit Heizstäben, entspricht die erzeugte Wärmeenergie genau der eingesetzten elektrischen Energie. Die elektrische Energie ist aber wesentlich hochwertiger als Wärmeenergie bei niedriger Temperatur, und so kann einer Wärmequelle wie der Luft, dem Boden, einem Gewässer oder dem Grundwasser Wärme durch Einsatz einer Wärmepumpe entzogen werden. Mit der für die Wärmepumpe eingebrachten elektrischen Leistung kann ein vielfaches der Leistung einer anderen Wärmesenke (Luft, Erdboden) zusätzlich entzogen werden.

Mit einem Watt elektrischer Energie können so etwa 3 bis 5 Watt Wärme bei Temperaturen bis 65 °C erzeugt werden. Dieses Verhältnis wird als Leistungszahl (COP "Coeffizient of Performance") bezeichnet. Die Leistungszahl hat einen oberen Wert, der nicht überschritten werden kann (Carnotprozess benannt nach Nicolas Leonard Sadi Carnot). Um eine möglichst hohe Leistungszahl und eine hohe Energieeffizienz zu erlangen, werden Heiz- und Kühlsysteme mit möglichst kleinen Temperaturdifferenzen zwischen der Primär- und Sekundärtemperaturen betrieben. Das bedeutet, dass Heizungen und Warmwasserboiler mit möglichst tiefen Temperaturen (Heizung unter 40 °C Warmwasser unter 50 °C) betrieben werden sollten.

Die Bezeichnung Wärmepumpe beruht darauf, dass Wärme aus der Umgebung auf ein höheres nutzbares Temperaturniveau angehoben wird. Die Wärmepumpe hat einen Verdichter, der elektrisch oder durch einen Verbrennungsmotor angetrieben werden kann. ((Elektrisch, durch einen Motor)) usw. Der Verdichter komprimiert ein Kältemittel. Das Kältemittel entzieht beim Verdampfen der Umgebung Wärme, sogenannte Anergie. Die eingesetzte Antriebsenergie des Verdichters ((elektrische Energie, Motorenenergie)) und die Anergie bilden die nutzbare Wärmeenergie.

Der Nachteil der Wärmepumpe ist ein deutlich höherer apparativer Aufwand. Die Investitionen gegenüber einem konventionellen Gas- oder Heizölbrenner sind deutlich höher. Neben dem Wärmepumpenkreislauf ist die Ausführung des Verflüssigers aufwändig, insbesondere wenn die Anlage effektiv (hoher COP-Wert) betrieben werden soll. Hinzu kommt der regelmäßige Aufwand für Wartung und Instandhaltung.

Das untere Temperaturniveau einer Wärmepumpe liegt bei 10 °C (= 283,15K) und die Nutzwärme wird bei 50 °C (= 323,15K) übertragen. Bei einem theoretischen reversiblen Wärmepumpenprozess, der Umkehrung des Carnotprozesses, würde der COP bei ideal 8,1 liegen. Technisch real erreichbar ist bei diesem Temperaturniveau ein COP von bis 4,5. Mit einer Energieeinheit Exergie, die als technische Arbeit bzw. elektrische Leistung eingebracht wird, können 3,5 Einheiten Anergie aus der Umgebung auf das hohe Temperaturniveau gepumpt werden, so dass 4,5 Energieeinheiten als Wärme bei 50 °C Heizungs-Vorlauftemperatur genutzt werden können. (1 Einheit Exergie + 3,5 Einheiten Anergie = 4,5 Einheiten Wärmeenergie).

In der Gesamtbetrachtung müssen aber der exergetische Kraftwerkwirkungsgrad und die Netzübertragungsverluste berücksichtigt werden, welche bei ca. 35 % liegen. Die benötigte 1 kWh Exergie erfordert 1/35% = 2,86 kWh Primärenergieeinsatz. Wird mit diesen 2,86 kWh Primärenergie (z.B. Öl oder Gas) zu Hause mit 95% Wirkungsgrad Heizwärme erzeugt, werden 2,86 x 95% = 2,71 kWh-therm. erhalten.

Im Vergleich elektrische Heizungswärmepumpe mit 4,5 kWh zu einer konventionelle Heizung mit 2,71 kWh kann hier im Idealfall (Grundwasser-WP) um einen Faktor 1,66 mehr thermische Energie gewonnen werden. Dagegen stehen allerdings Mehrinvestitionen im privaten Bereich, dem Netzausbau und im Kraftwerksbereich.

Elektrisch angetriebene Kompressions-Wärmepumpe:

Die elektrisch angetriebene Kompressions-Wärmepumpe stellt den Hauptanwendungsfall von Wärmepumpen dar. Das Kältemittel wird in einem geschlossenen Kreislauf geführt. Es wird von einem Verdichter angesaugt, verdichtet und dem Verflüssiger zugeführt. Der Verflüssiger ist ein Wärmeübertrager in dem die Verflüssigungswärme an ein Fluid - z. B. ein Warmwasserkreis oder die Raumluft - abgegeben wird. Das verflüssigte Kältemittel wird dann zu einer Entspannungseinrichtung geführt (Kapillarrohr oder thermisches Expansionsventil). Durch die adiabate Entspannung wird das Kältemittel abgekühlt. Der Saugdruck wird durch die Regelung des Verdichters in der Wärmepumpe so eingestellt, dass die Sattdampftemperatur des Kältemittels unterhalb der Umgebungstemperatur liegt. In dem Verdampfer wird somit Wärme von der Umgebung an das Kältemittel übertragen und führt zum Verdampfen des Kältemittels. Als Wärmequelle kann die Umgebungsluft oder ein Solekreis genutzt werden, der die Wärme aus dem Erdreich aufnimmt. Das verdampfte Kältemittel wird dann von dem Verdichter angesaugt. Aus dem oben beschriebenen Beispiel ist ersichtlich, dass durch Einsatz der elektrisch betriebenen Wärmepumpe bei dem vorausgesetzten Temperaturniveau kein wesentlich höherer thermischer Wirkungsgrad gegenüber der konventionellen Direktbeheizung möglich ist. Das Verhältnis verbessert sich zugunsten der elektrisch angetriebenen Wärmepumpe, wenn Abwärme auf hohem Temperaturniveau als untere Wärmequelle genutzt werden kann oder die Geothermie auf hohem Temperaturniveau unter Verwendung geeigneter Erdwärmeübertrager genutzt werden kann.

Wärmepumpe mit Öl- oder Gasmotorantrieb:

Ein deutlich höherer thermischer Wirkungsgrad kann erreicht werden, wenn die Primärenergie als Gas oder Öl in einem Motor zur Erzeugung technischer Arbeit zum direkten Antrieb des Wärmepumpenverdichters genutzt werden kann. Bei einem exergetischen Wirkungsgrad des Motors von 35 % und einer Nutzung der Motorabwärme zu 90 % kann ein gesamtthermischer Wirkungsgrad von 1,8 erzielt werden. Allerdings muss der erhebliche Mehraufwand gegenüber der direkten Beheizung berücksichtigt werden, der durch wesentlich höhere Investitionen und Wartungsaufwand begründet ist.

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