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 Temperaturerhöhung bei Kompression eines (nicht idealen) Gases (Joule-Thomson-Effekt),
der thermoelektrische Effekt,
sowie der magnetokalorische Effekt.

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

Weiteste Verbreitung findet die Wärmepumpe innerhalb von Kühl- und Gefriergeräten. Wärmepumpen werden jedoch auch zur Gebäudeheizung, Warmwasserbereitung und bei den verschiedensten industriellen Verfahren eingesetzt. Innerhalb eines Kühlschrankes wird dem Inneren Wärme entzogen und nach Außen abgegeben. Bei der Wärmepumpenheizung wird die Wärme von einem äußeren Medium 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 Reaktionwärme 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.

Theoretische Grenzen des Wirkungsgrades

Der Wirkungsgrad η einer Wärmepumpe, die zu Heiz-Zwecken 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.)

Ein Wirkungsgrad von 400 % bedeutet, dass das Vierfache der eingesetzten elektrischen Leistung in nutzbare Wärmeleistung umgewandelt wird.

Der Wirkungsgrad η aller Arten von Wärmepumpen ist begrenzt durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik:

  $\eta _{heizen}={\frac {\Delta Q_{warm}}{\Delta A}}<={\frac {T_{warm}}{T_{warm}-T_{kalt}}}={\frac {1}{\eta _{carnotprozess}}}$

Wegen der unterschiedlichen Definitionen des Wirkungsgrades gilt im Falle einer Kältemaschine (Kühlschrank):

  $\eta _{kuehlen}={\frac {\Delta Q_{kalt}}{\Delta A}}<={\frac {T_{kalt}}{T_{warm}-T_{kalt}}}$

Alle Temperaturen in Kelvin.

Einteilung der Wärmepumpe nach verschiedenen Kriterien

Einteilung nach Art des Verfahrens:

Kompression elektrisch / gasmotorisch
Absorption
Adsorption
Peltier-Effekt
Magnetokalorischer Effekt

Einteilung nach Art der Wärme bzw. Kälte-Quelle:

Außenluft
Innenluft
Grundwasser
Oberflächenwasser
Erdwärme
- Erdwärmesonde
- flächig verlegter Wärmetauscher
- thermisch aktivierte Fundamente
Abwärme von industriellen Anlagen

Einteilung nach Art der Wärme bzw. Kälte-Nutzung:

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

Historisches

1834 baute der Amerikaner Jacob Perkins die erste Kompressions-Kältemaschine 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.
1860-1870 Kompressions-Kältemaschinen und Absorptionskältemaschinen werden intensiv erforscht. Zunächst dienten die gebauten Kältemaschinen der Eis-Herstellung. 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.
1938 Größere Wärmepumpenanlagen zur Beheizung von Gebäuden der Stadt Zürich.
1945 Die erste erdgekoppelte Wärmepumpe geht in den USA in Betrieb.

Weblinks

Siehe auch: Wärmepumpenheizung, Kältemaschine, Geothermie, Wärmeleitung, Erdwärmeübertrager