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. 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 wird auch als Kraftwärmemaschine bezeichnet. Der Grenzfall einer reversibel arbeitenden Kraftwärmemaschine ist der linksläufige Carnotprozess.

Kurzbeschreibung

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, und so kann einer Wärmesenke wie der Luft, dem Boden, einem Gewässer oder dem Grundwasser Wärme durch Einsatz einer Wärmepumpe entzogen werden. Mit einem Watt elektrischer Energie können so etwa 3 bis 5 Watt Wärme bei Temperaturen um 60 °C erzeugt werden. Dieses Verhältnis wird als Leistungszahl (COP "Coeffizient of Performance") bezeichnet. Die Leistungszahl hat aber einen oberen Wert, der nicht überschritten werden kann (Carnotfaktor).

Die Bezeichnung Wärmepumpe beruht darauf, dass Wärme aus der Umgebung auf ein höheres nutzbares Temperaturniveau angehoben wird. Die Wärmepumpe hat einen elektrisch angetriebenen Verdichter, der ein Kältemittel verdichtet. Das Kältemittel entzieht beim Verdampfen der Umgebung Wärme, sogenannte Anergie. Die elektrisch eingesetzte Energie und die Anergie bilden die nutzbare Wärmeenergie.

Geschichte

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 nach einem Entwurf von Peter Ritter von Rittinger 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.

Leistungszahl

Die Leistungszahl von Wärmepumpen wird in der aktuellen Literatur als Coefficient Of Performance COP bezeichnet; in der älteren Literatur wird die das griechische Zeichen ε verwendet. Für Kompressions-Wärmepumpen ist der COP der Quotient aus der Wärme, die in den Heizkreis abgegeben wird, zur elektrischen Arbeit die für den Verdichter aufgewendet wird:

{\rm {COP}}_{\rm {Kompr.}}={\frac {{\dot {Q}}_{0}}{W_{\rm {elektrisch}}}}

Die Leistungszahl ist immer auf ein bestimmtes unteres und oberes Temperaturniveau bezogen. Daher müssen bei dem Vergleich des COPs verschiedener Anlagen auch die gleichen Temperaturniveaus vorausgesetzt werden. Da der Wirkungsgrad und Liefergrad von Verdichtern auch lastabhängig ist, muss diese Größe auch bei der Auslegung berücksichtigt werden.

Eine Leistungszahl COP 4 bedeutet, dass das Vierfache der eingesetzten elektrischen Leistung als nutzbare Wärmeleistung zur Verfügung steht.

Der COP einer Wärmepumpe ist bedingt durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik begrenzt durch den Kehrwert des Carnotwirkungsgrads:

{\rm {COP}}<{\frac {1}{\eta _{C}}}={\frac {T_{\rm {warm}}}{T_{\rm {warm}}-T_{\rm {kalt}}}}

Für die Temperaturen sind die absoluten Werte in der Einheit „Kelvin“ einzusetzen.

Der technisch realisierte Carnotwirkungsgrad $\eta _{\rm {cWP}}$ einer Wärmepumpe gibt den Exergieanteil des Wärmestroms zwischen den Temperaturen $T_{\rm {warm}}$ und $T_{\rm {kalt}}$ bezogen auf die eingesetzte elektrische Antriebsernergie an:

{\eta _{\rm {cWP}}}={\frac {T_{\rm {warm}}}{T_{\rm {warm}}-T_{\rm {kalt}}}}{\frac {{\dot {Q}}_{0}}{W_{\rm {elektrisch}}}}

Es werden praktische Carnotwirkungsgrade ${\eta _{\rm {cWP}}}$ um 0,45 technisch erreicht.

Beispiel: Das untere Temperaturniveau einer Wärmepumpe, die Temperatursenke liegt bei 10 °C (= 283,15 K) und die Nutzwärme wird bei 50 °C (= 323,15 K) übertragen. Bei einem theoretischen reversibelen Wärmepumpemprozess, der Umkehrung des Carnotprozesses, würde der COP bei 8,1 liegen. Technisch erreichbar ist bei dem Temperaturniveau ein COP von 3,5. Mit einer Energieeinheit Exergie, die als technische Arbeit bzw. elektrische Leistung eingebracht wird, können 2,5 Einheiten Anergie aus der Umgebung auf das hohe Temperarturniveau gepumpt werden, so dass 3,5 Energieeinheiten als Wärme bei 50 °C genutzt werden können. (1 Einheit Exergie + 2,5 Einheiten Anergie = 3,5 Einheiten Wärmeenergie). In der Gesamtbetrachtung muss aber der exergetische Kraftwerkswirkungsgrad berücksichtigt werden, der bei ca. 33 % liegt. Der thermische Gesamtwirkungsgrad bezogen auf den Primärenergieaufwand zur Nutzwärme beträgt dann 1,15; somit erhält man praktisch nur einen geringfügig höheren Wirkungsgrad wie für den Fall der direkten Wärmenutzung.

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 Desorption 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
Abwasserwärmerückgewinnung (AWRG)

Einteilung nach Art der Wärme bzw. Kälte-Nutzung:

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

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.

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.

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) geleitet. 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 Wärmesenke 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.

Detaillierte Beschreibung von Wärmepumpen zur Gebäudebeheizung

Wärmepumpenheizung

Hersteller von Wärmepumpen (unvollständiger Auszug)

Alpha-Innotec, Kasendorf
Danfoss
Dimplex, Kulmbach
IDM ENERGIESYSTEME, A-Matrei i.O.
Junkers (Gasgeräte) bzw. BBT Thermotechnik, Wetzlar. Auch Produktion im Namen für Buderus
Nibe, Celle
Stiebel Eltron mit Tochtergesellschaft Tecalor, Holzminden
Vaillant, Remscheid
Viessmann, Allendorf
Waterkotte, Herne
Weishaupt
geo.solar, Frankenburg

Jährlich neu installierte Wärmepumpenheizungen in Deutschland
Jahr	Installierte Wärmepumpen
2007	55.000*
2006	44.000
2005	18.900
2004	12.900
2003	9.890
2002	8.300
2001	8.200
2000	5.700
1999	4.800
1998	4.400
1997	3.600
1996	2.300
1995	1.200

* = Prognose

Quelle: Stiebel-Eltron

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
Stiftung Warentest: test Nr. 6 vom 6. Juni 2007, ISSN 0040-3946

Weblinks