Wärmepumpe
Die Wärmepumpe ist eine Maschine, die Wärme von einem niedrigen Temperaturniveau durch Aufwand von Arbeit auf ein höheres Temperaturniveau transportiert. Es gibt verschiedene physikalische Effekte, die in einer Wärmepumpe Verwendung finden können: Temperaturerhöhung bei Kompression eines Gases, die Verdampfungswärme bei Wechsel des Aggregatzustandes (flüssig/gasförmig) und der Peltier-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.
Weiteste Verbreitung findet die Wärmepumpe innerhalb von Kühl.- und Gefriergeräten. Wärmepumpen werden jedoch auch zur Gebäudeheizung und bei den verschiedendsten industriellen Verfahren eingesetzt.
Innerhalb eines Kühlschrankes wird dem Inneren Wärme entzogen und nach Außen abgegeben. Bei der Heizungs-Wärmepumpe wird die Wärme von einem äußeren Medium ins Innere des Gebäudes gepumpt.
Innerhalb sogenannter Kompressions-Wärmepumpen übernimmt die Wärmeaufnahme und deren Transport ein Arbeitsmittel, das sich in einem geschlossenen Kreislauf bewegt und nacheinander verschiedene Zustandsänderungen erfährt. Das Arbeitsmittel wird zunächst unter Druck und Wärmeabgabe bei hoher Temperatur verflüssigt. Anschließend wird das Arbeitsmittel an einer Düse entspannt. Dadurch wird das Arbeitsmittel gasfömig unter Wärmeaufnahme bei niedriger Temperatur. Der Kreislauf kann nun von vorne beginnen. Der Prozeß muß von Außen durch Zufuhr von mechanischer Arbeit über einen Kompressor in Gang gehalten werden.
Die Wärmepumpe wandelt so Wärme niedriger Temperatur (z.B. 5 °C) in Wärme hoher Temperatur (z.B. 30°C) um.
Der Wirkungsgrad η einer Heizungs-Wärmepumpe gibt die abgegebene Heizleistung im Vergleich zur aufgewendeten Antriebsleistung an.
Ein Wikungsgrad von 4 (bzw. 400%) bedeutet also, dass das Vierfache der eingesetzten elektrischen Leistung in nutzbare Wärmeleistung umgewandelt wird.
Der Wirkungsgrad η einer Heizungs-Wärmepumpe ist begrenzt durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik:
η_heizen = ΔQ_warm / ΔA ≤ T_warm / (T_warm - T_kalt) = 1 / η_carnotprozess
Durch die unterschiedliche Definition der Leistungszahl gilt im Falle einer Kältemaschine (Kühlschrank):
η_kühlen = ΔQ_kalt / ΔA ≤ T_kalt / (T_warm - T_kalt)
Da Heizungs-Wärmepumpen unter wechselnden Lasten und Temperaturen arbeiten müssen, gibt man den Jahresdurchschnitts-Wirkungsgrad an. Dieser wird Jahresarbeitszahl JAZ genannt. Heizungs-Wärmepumpen erreichen durch Verluste in sehr grober Näherung eine JAZ von ca. 50% der theoretischen Wirkungsgradgrenze.
In der Praxis zu erwartende Wirkungsgrade kann man beim Wärmepumpen-Testzentrum Töss einsehen. http://www.wpz.ch/wpz/deutsch/verz3/Verg-COP-d3.htm
Folgende Betriebsweisen einer Heizungs-Wärmepumpe sind möglich:
- monovalent = Die Wärmepumpe ist der alleinige Wärmeerzeuger.
- bivalent und monoenergetisch. Eine Heizungs-Wärmepumpe deckt ca. 90% der Jahresheizarbeit ab. Ein Elektroheizstab wird nur bei schnellem Spitzenbedarf parallel zugeschaltet.
- bivalent: Die Heizungs-Wärmepumpe und eine konventioneller Heizkessel arbeiten zusammen.
Arbeitsmittel in Wärmepumpen
- R 134 a,
- R 407 C
- Propan
- Freon
- Ammoniak
- Kohlendioxid
Verschiedene Arten von Wärmepumpen
- Kompression
- Wärmepumpe mit Elektromotor
- Wärmepumpe mit Verbrennungsmotor
- Absorptionswärmepumpe
- Adsorptionswärmepumpe
Einteilung nach Art der Wärmequelle
- Außenluft
- Grundwasser
- Sole
- Erdwärmesonde
- Fundamente
- Flächig verlegter Rohrwärmetauscher
Hersteller
- OCHSNER Wärmepumpen
- WATERKOTTE
- Stiebel-Eltron
- Alpha-Innotec