Wärmepumpe

Die Wärmepumpe ist eine Maschine, die Wärme von einem niedrigen Temperaturniveau unter Aufwand von Arbeit auf ein höheres Temperaturniveau transportiert. Es gibt verschiedene physikalische Effekte, die in einer Wärmepumpe Verwendung finden können. Die wichtigsten sind:

Die Verdampfungswärme bei Wechsel des Aggregatzustandes (flüssig/gasförmig);
die Reaktionswärme bei Mischung zweier verschiedener Stoffe;
die Temperaturabsenkung bei der Expansion eines (nicht idealen) Gases (Joule-Thomson-Effekt);
der thermoelektrische Effekt;
das Thermotunneling-Verfahren;
sowie der magnetokalorische Effekt.

Schaubild einer Kompressionswärmepumpe: 1) Kondensator, 2) Drossel, 3) Verdampfer, 4) Kompressor.

Die Umkehrung dieses Prozesses findet in Wärmekraftmaschinen statt. Hierbei wird die Wärme hoher Temperatur unter Gewinnung von Arbeit zu einem Wärmereservoir niedrigerer Temperatur transportiert. (siehe auch: Carnot-Prozess)

Weiteste Verbreitung findet die Wärmepumpe innerhalb von Kühl- und Gefriergeräten. Sie wird jedoch auch zur Gebäudeheizung, Warmwasserbereitung und bei den verschiedensten industriellen Verfahren eingesetzt. Innerhalb eines Kühlschrankes wird dem Inneren (Kühlgut) Wärme unter Energieaufwand entzogen und nach Außen (Rückseite) abgegeben. Bei der Wärmepumpenheizung wird die Wärme von einem äußeren Medium unter Energieaufwand ins Innere des Gebäudes gepumpt.

Bauformen der Wärmepumpe

Die Kompressions-Wärmepumpe nutzt den physikalischen Effekt der Verdampfungswärme. In ihr zirkuliert ein Kältemittel in einem Kreislauf, das, angetrieben durch einen Kompressor, die Aggregatzustände flüssig und gasförmig abwechselnd annimmt.
Die Absorptions-Wärmepumpe nutzt den physikalischen Effekt der Reaktionswärme bei Mischung zweier Flüssigkeiten bzw. Gase. Sie verfügt über einen Lösungsmittelkreis und einen Kältemittelkreis. Das Lösungsmittel wird im Kältemittel wiederholt gelöst bzw. ausgetrieben.
Die Adsorptions-Wärmepumpe arbeitet mit einem festen Lösungsmittel, dem "Adsorbens", an dem das Kältemittel ad- bzw. desorbiert wird. Dem Prozess wird Wärme bei der Desorption zugeführt und bei der Adsorption entnommen. Da das Adsorbens nicht in einem Kreislauf umgewälzt werden kann, kann der Prozess nur diskontinuierlich ablaufen, indem zwischen Ad- und Desorption zyklisch gewechselt wird.

Wirkungsgrade bei Wärmepumpen

Elektrisch betriebene Wärmepumpen

Leistungszahl ε

Die Leistungszahl beschreibt das Verhältnis von abgegebener Wärmeleistung zur elektrischen Antriebsleistung in einem genau festgelegten Arbeitspunkt (Temperaturen).

Jahresarbeitszahl a(b)

Die Jahresarbeitszahl findet vor allem bei Gebäudeheizungsanlagen Anwendung. Sie beschreibt das Verhältnis der innerhalb eines Jahres gelieferten Wärme zu der benötigten elektrischen Antriebsenergie. Die Arbeitstemperaturen der Wärmepumpe schwanken hierbei im Verlaufe des Jahres aufgrund der unterschiedlichen erforderlichen Heizleistung bei der Raumheizung und damit schwankt die Leistungszahl. Die Jahresarbeitszahl ist vom Heizungsbedarf (Raumtemperatur, Wärmequelle und der Effektivität des Heizungsystems/Heizkörperkreislaufes) abhängig.

Primärenergetisch betriebene Wärmepumpen

Wärmepumpen, die z.B. über einen Gas- oder Dieselmotor angetrieben werden, können die Abwärme zusätzlich nutzen.

Heizzahl z

Das momentane Verhältnis von abgegebener Wärmeleistung zur Brennstoffleistung, an einem genau festgelegten Arbeitspunkt (Temperaturen).

Jahresheizzahl za

Das Verhältnis der innerhalb eines Jahres gelieferten Wärme zu der benötigten Brennstoffenergie. Die Arbeitstemperaturen der Wärmepumpe schwanken hierbei im Verlaufe des Jahres.

Theoretische Grenzen des Wirkungsgrades

Die Leistungszahl ε einer Wärmepumpe, die zu Heizzwecken eingesetzt wird, gibt die abgegebene Heizleistung im Vergleich zur aufgewendeten elektrischen Antriebsleistung an. (Hierin wird noch nicht berücksichtigt, dass die elektrische Leistung unter Verlusten aus Primärenergie in Kraftwerken erzeugt werden muss, wenn man die ja auch vorhandenen regenerativen Energiequellen nicht gelten lässt.)

Eine Leistungszahl ε von 4 bedeutet, dass das Vierfache der eingesetzten elektrischen Leistung in nutzbare Wärmeleistung umgewandelt wird.

Die Leistungszahl ε aller Arten von Wärmepumpen ist begrenzt durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik:

\epsilon _{\rm {heizen}}={\frac {\rm {Nutzen}}{\rm {Aufwand}}}={\frac {\Delta Q_{\rm {warm}}}{\Delta A}}\leq {\frac {T_{\rm {warm}}}{T_{\rm {warm}}-T_{\rm {kalt}}}}={\frac {1}{\eta _{\rm {Carnot-Prozess}}}}

Wegen der unterschiedlichen Definitionen der Leistungszahl ε gilt im Falle einer Kältemaschine (Kühlschrank):

\epsilon _{\rm {k{\ddot {u}}hlen}}={\frac {\Delta Q_{\rm {kalt}}}{\Delta A}}\leq {\frac {T_{\rm {kalt}}}{T_{\rm {warm}}-T_{\rm {kalt}}}}={\frac {1}{\eta _{\rm {Carnot-Prozess}}}}-1

Da es sich bei allen Temperaturen T um die absolute Temperatur handelt, ist deren Einheit Kelvin (42°C entspricht ca. (273+42) K).

Physikalisch betrachtet, muss die kostenlose Umweltwärme als Aufwand mit in die Kalkulation einbezogen werden. Andernfalls fehlt ein Teil des Aufwandes in der Rechnung und es entstehen Wirkungsgrade größer 100%. (Energieerhaltungssatz)

Wärmepumpe zur Gebäudeheizung

Es gibt viele unterschiedliche Standpunkte und Sichtweisen zum Heizen von Gebäuden mittels Wärmepumpe. Umweltfreundlichkeit und Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpe hängen im Falle der Elektro-Kompressionswärmepumpe von der Umweltfreundlichkeit und wirtschaftlichen Bereitstellung des Stromes ab. Im Artikel Wärmepumpenheizung werden die Standpunkte gegenübergestellt.

Grundsätzlich lässt sich aber anhand einer Beispielrechnung zeigen, wie eine Wärmepumpe beurteilt werden kann:

Eine Wärmepumpe soll aus 10°C (Grad Celsius) kaltem Grundwasser 40°C warmes Heizwasser für eine Niedertemperaturheizung herstellen. Um den Widerstand des Wärmeübertragers überwinden zu können, muss die Wärmepumpe 7°C, was (273+7) K (Kelvin) entspricht, kaltes Kältemittel erzeugen und dieses auf 42°C (entspricht (273+42) K) erwärmen. Die Leistungszahl beträgt

$\epsilon \leq {\frac {T_{\rm {warm}}}{T_{\rm {warm}}-T_{\rm {kalt}}}}={\frac {273+42}{(273+42)-(273+7)}}={\frac {315}{42-7}}=9$

Wenn also 1 kWh an Strom aufgewendet wird, erhält man maximal 9 kWh an Wärme auf einem Temperaturniveau von 42°C. Eine Wärmepumpe wird meist mit einem Elektromotor zum Antrieb des Kompressors betrieben. Dabei ist zu bedenken, dass diese elektrische Energie (1 kWh) in der Kette

Brennstoff (100%) Primärenergie Kohle, Öl, Gas etc.
Kalorisches Kraftwerk (~45% bis max. ~80% bei Fernwärmeauskopplung) und
Stromnetzübertragung (~97%)
Elektromotor am Kompressor (~85%..15% verwertbare Wärme)
die Reibung und Wirkarbeit im Kompressor (100%)

in der Regel nur mit einem Wirkungsgrad von ~35% der Primärenergie eingesetzt wird. Das heißt, dass 1/0,35 = 2,75 kWh Kohle etc. verstromt werden müssen, um aus einer 1 kWh-Wärmepumpe 4 kWh Wärme zu enthalten. Leistungszahlen von 3,5 (Luft) bis 4,5 (Erdwärme/Wasser) sind Stand der Technik. Die Auslegung der Bauelemente wie Wärmesammler und interne Wärmeübertrager sowie die Größe der Wärmeverteilungseinrichtung (Niedertemperaturheizkörper, Niedertemperaturfußbodenheizung) bis hin zur Isolierung/Dämmung des Mauerwerks, beeinflussen die Leistungszahl $\epsilon$ von hier <4 kWh/kWh gerechnet werden kann. Da real ein $\epsilon =9$ schwer zu erreichen ist, hängt es stark von der guten Konstruktion der Wärmepumpe auch im Hinblick auf die Langlebigkeit ab, ob diese wirtschaftlich betrieben werden kann. Gute Wärmekraftmaschinen erreichen etwa 90% des Carnotwirkungsgrades, in diesem Fall also ~8. Selbst unter Berücksichtigung des Stromerzeugungswirkungsgrades von 35% aus der Primärenergie 4,5/2,75 = 1,63 fache Heizenergie gewonnen wird, ein 80% Ölheizungs-Wirkungsgrad einkalkuliert wird, lässt sich also im Gesamtsystem eine Leistungszahl von 1,63/0,8 = 2,03 realisieren. Die fossilen Brennstoffe, wenn zur Stromerzeugung herangezogen, werden damit energetisch mehr als verdoppelt. Bei Energie aus regenerativen Quellen ist damit mehr als eine Vervierfachung (bis $\eta$ ≈ 5) möglich.

Manche EVUs gewähren für die Nachtstunden von 22:00 bis 6:00 den billigeren Nachtstromtarif.

Einteilung der Wärmepumpe nach den verwendeten Kältemitteln

Bei der Auswahl einer Wärmepumpe ist auf die Umweltverträglichkeit des Wärmeträgermediums zu achten. In der Anfangszeit der Wärmepumpenproduktion war dies mit dem Kältemittel R22 (Chlordifluormethan, CHClF2) nicht der Fall. Analog, wie dies bei der PKW-Klimaanlage der Fall war, kamen verschiedene Fluorchlorkohlenwasserstoffe zum Einsatz. In den heutigen Wärmepumpen werden weniger schädliche Kältemittel wie z. B. R504a eingesetzt. Heute werden teilweise sogar einfachste chemische Verbindungen wie CO₂, oder auch Butan als Medien mit Erfolg verwendet. Sollte ein solches Kältemittel ungewollt austreten, so entsteht nach heutigem Wissen ein wesentlich geringerer Schaden für die Ozonschicht der Erde.

Einteilung der Wärmepumpe nach verschiedenen Kriterien

Einteilung nach Art des Verfahrens:

Kompression elektrisch / Verbrennungsmotor
Absorption (z.B. Ammoniakabsorptionskältemaschine, Absorption von Wasser in konzentrierter Säure wie Schwefelsäure)
Adsorption (z.B. Adsorption und Desoprtion eines Stoffes an einer Oberfläche wie Aktivkohle oder einem Zeolith, dabei wird die Adsorptionswärme frei bzw. die Desorptionswärme aufgenommen)
Peltier-Effekt
Magnetokalorischer Effekt

Einteilung nach Art der Wärme bzw. Kälte-Quelle:

Außenluft
Innenluft
Grundwasser (mit Schluckbrunnen)
Oberflächenwasser
Erdwärme
- Erdwärmesonde
- flächig verlegter Wärmeübertrager mit Soleflüssigkeit befüllt
- flächig verlegter Wärmeübertrager mit Kältemittel befüllt
- thermisch aktivierte Fundamente
Abwärme von industriellen Anlagen

Einteilung nach Art der Wärme bzw. Kälte-Nutzung:

Kühlen
Gefrieren
Warmwasser
Heizung
- mit Fußbodenheizung
- mit Heizkörpern / Radiatoren
- mit Klima-Konvektoren

Historisches

1834 baute der Amerikaner Jacob Perkins die erste Kompressionskältemaschine mit dem Arbeitsmittel Diethylether
1852 konnte Lord Kelvin nachweisen, dass Kältemaschinen auch zum Heizen verwendet werden können. Außerdem konnte er zeigen, dass zum Heizen mittels Wärmepumpe weniger Primärenergie benötigt wird als zum direkten Heizen, weil die von der Wärmepumpe aufgenommene Wärmeenergie aus der Umgebung (Luft, Wasser oder Erde) stammte und daher einen Energiegewinn brachte.
1855 errichtete und betrieb die Saline Ebensee, Oberösterreich, eine wirtschaftliche Soleverdampfung, nach dem Funktionsprinzip eines Kühlschranks.
1860-1870 wurden Kompressionskältemaschinen und Absorptionskältemaschinen intensiv erforscht. Zunächst dienten die gebauten Kältemaschinen der Eisherstellung. Erst später wurde mit den Kältemaschinen auch direkt gekühlt. Verwendung fanden die Kältemaschinen vor allem in Bier-Brauereien und anderen Lebensmittel-Industrien.
Nach dem Ersten Weltkrieg begann der Siegeszug des Kühlschrankes in Privathaushalten vorwiegend in den vom Krieg verschonten USA.
1938 Weltwirtschaftskrise. Es wurde versucht wirtschaftlich sehr rentable Anlagen zu errichten. Es gingen größere Wärmepumpenanlagen zur Beheizung von Gebäuden der Stadt Zürich in Betrieb.
1945 Die erste erdgekoppelte Wärmepumpe ging in den USA in Betrieb.

Hersteller von Wärmepumpen

Siehe auch

Literatur

Recknagel-Sprenger-Schramek: Taschenbuch für Heizung Klimatechnik. ISBN 3-486-26214-9
Maake-Eckert: Pohlmann Taschenbuch der Kältetechnik. ISBN 3-7880-7310-1
Klaus Daniels: Gebäudetechnik, Ein Leitfaden für Architekten und Ingenieure. ISBN 3-7281-2727-2
Karl Ochsner: Wärmepumpen in der Heizungstechnik - Praxishandbuch für Installateure und Planer. ISBN 3-7880-7774-3

Weblinks