waermepumpe

Die Wärmepumpe

 

Die Wärmepumpe ist eine Maschine, die unter Zufuhr von technischer Arbeit Wärme von einem niedrigerem 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 wird, um ein Fluid abzukühlen.

Die Wärmepumpe und die Kältemaschine stellen die technische Anwendung des selben thermodynamischen Kreisprozesses , der Umkehrung der Wärmekraftmaschine , dar, der auch als Kraftwärmemaschine bezeichnet wird. Den reversibelen Grenzfall der Kraftwärmemaschine ist der linksläufige Carnotprozess

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 e 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

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 :

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

Der technisch realisierte Carnotwirkungsgrad ? cWP einer Wärmepumpge gibt den Exergieanteil des Wärmestroms zwischen den Temperaturen T warm und T kalt bezogen auf die eingesetzte elektrische Antriebsernergie an:

Es werden praktische Carnotwirkungsgrade ? 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 reversiblen Prozess, der Umkehrung des Carnotprozesses, würde der COP bei 8,1 liegen. Technisch erreichbar ist bei den Temperaturniveaus 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. 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.

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.

 

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