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. (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 Heizungs-Wärmepumpe wird die Wärme von einem äußeren Medium ins Innere des Gebäudes gepumpt.
Innerhalb so genannter Kompressions-Wärmepumpen übernimmt die Wärmeaufnahme und deren Transport ein Arbeitsmittel, das sich in einem geschlossenen Kreislauf bewegt und nacheinander verschiedene Aggregatszustandsänderungen 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) unter Zufuhr von Arbeit um.
Der Wirkungsgrad η einer Heizungs-Wärmepumpe gibt die abgegebene Heizleistung im Vergleich zur aufgewendeten Antriebsleistung an.
Ein Wirkungsgrad von 4 (bzw. 400%) bedeutet, 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:
Durch die unterschiedliche Definition des Wirkungsgrades gilt im Falle einer Kältemaschine (Kühlschrank):
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. Für eine Heizungs-Wärmepumpe (Sole 0°C/Fußbodenheizung 35°C) liegt die typische JAZ dennoch bei rund 400%.
Der Marktanteil von Heizungswärmepumpen im Neubau ist landesspezifisch. Im Jahr 2000 betrug er in Deutschland 2-3%, in Schweden 95%, und in der Schweiz 36%.
Die Umweltverträglichkeit einer Heizungswärmepumpe hängt im Falle der Elektro-Kompressions-Wärmepumpe von der umweltverträglichen Bereitstellung des Stromes ab. Sie ist in Deutschland umstritten, da vielfach davon ausgegangen wird, daß zusätzlicher Strom, durch zusätzliche Kohlekraftwerke erzeugt werden müßte. In den skandinavischen Ländern steht hingegen schon heute regenerativ erzeugter Strom kostengünstig zur Verfügung.
Wärmepumpen können nach unterschiedlichen Kriterien eingeteilt werden:
Einteilung nach Art des Verfahrens:
- Kompression elektrisch / gasmotorisch
- Absorption
- Adsorption
- thermoelektrisch
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
- 1852 kannte der Engländer Lord Kelvin bereits das Prinzip einer Wärmepumpe
- 1932 wird die Wärmepumpe in Japan erstmals eingesetzt
- 1972 erster Einsatz in Deutschland