Funktion einer Wärmepumpe
Eine Wärmepumpe ist eine Kraftwärmemaschine[1], die unter Aufwendung technischer Arbeit thermische Energie aus einem Reservoir mit niedrigerer Temperatur (in der Regel ist das die Umgebung) aufnimmt und – zusammen mit der Antriebsenergie – als Nutzwärme auf ein zu beheizendes System mit höherer Temperatur überträgt.
Der verwendete Prozess ist die Umkehrung des Wärme-Kraft-Prozesses, bei dem Wärmeenergie mit hoher Temperatur aufgenommen, teilweise in mechanische Nutzarbeit umgewandelt und die Restenergie bei niedrigerer Temperatur als Abwärme abgeführt wird.
Wärmepumpen werden für Heizzwecke eingesetzt; die primäre Anwendung ist die Wärmepumpenheizung zur Erwärmung von Gebäuden, die Trinkwassererwärmung, die Erzeugung von Prozesswärme und der Einsatz in Wäschetrocknern. Den Kreisprozess der Wärmepumpe verwendet man auch zum Kühlen (so beim Kühlschrank). Im Gegensatz zur Wärmepumpe ist beim Kälteprozess die aus dem zu kühlenden Raum abgeführte Wärme die Nutzenergie, die zusammen mit der Antriebsenergie als Abwärme an die Umgebung abgeführt wird.
Funktionsprinzipien
Abbildung 3: geöffnetes Maschinengehäuse einer Luft-Wasser-Wärmepumpe
nutzt den physikalischen Effekt der Verdampfungsenthalpie. In ihr zirkuliert ein Kältemittel in einem Kreislauf, das, angetrieben durch einen Kompressor, die Aggregatzustände flüssig und gasförmig abwechselnd annimmt.
nutzt den physikalischen Effekt der Reaktionswärme bei Mischung zweier Flüssigkeiten oder Gase. Sie verfügt über einen Lösungsmittelkreis und einen Kältemittelkreis. Das Lösungsmittel wird im Kältemittel wiederholt gelöst oder ausgetrieben.
arbeitet mit einem festen Lösungsmittel, dem „Adsorbens“, an dem das Kältemittel ad- oder 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.
Die elektrisch angetriebene Kompressions-Wärmepumpe stellt den Hauptanwendungsfall von Wärmepumpen dar. Mit der Wärmepumpe kann ein Vielfaches der eingesetzten elektrischen Leistung als Wärmeenergie erzeugt werden. Der Wärmepumpenprozess, nach Rudolf Plank Plank-Prozess genannt, wird auch als Kraftwärmemaschine bezeichnet. Der Grenzfall einer reversibel arbeitenden Kraftwärmemaschine ist der linksläufige Carnotprozess.
Elektrisch angetriebene Wärmepumpen werden mit einem geschlossenen Kältemittelkreislauf betrieben. Das Kältemittel verdampft bei niedrigem Druck unter Wärmezufuhr und nach der Verdichtung kondensiert das Kältemittel unter Abgabe der Nutzwärme. In der Drossel wird das flüssige Kältemittel von dem Hochdruck auf den Niederdruck entspannt. Dabei verdampft der größte Anteil des Kältemittels und die Temperatur sinkt. Die Drossel besteht bei kleinen Anlagen aus einer Kapillaren, bei größeren Anlagen werden thermostatisch geregelte Ventile eingesetzt, die den Druck im Verdampfer so einstellen, dass die entsprechende Sattdampftemperatur etwas tiefer als die Temperatur der Wärmequelle liegt, so dass das Kältemittel durch die Wärmeaufnahmen verdampft. Der Abluft, der Außenluft, dem Erdboden, dem Abwasser oder dem Grundwasser kann Wärme durch Einsatz einer Wärmepumpe entzogen werden.
Der Verdichter wird so geregelt, dass die zum Verdichtungsenddruck zugehörige Sattdampftemperatur geringfügig über der Temperatur der Wärmesenke liegt. Die Wärmequelle für Wärmepumpen ist die Umgebungsluft, die Erdwärme oder ein Wasserfluss. Die Wärmesenke ist der Warmwasser- oder Brauchwasserkreislauf, die eine Seite des Verflüssiger-Wärmetauscher bildet.
Das Verhältnis von der in den Heizkreis abgegebenen Wärmeleistung zur zugeführten elektrischen Verdichterleistung wird als Leistungszahl bezeichnet. Die Leistungszahl (COP= coefficient of performance) hat einen oberen Wert, der nicht überschritten und aus dem Carnot-Kreisprozess abgeleitet werden kann. Die Leistungszahl wird auf einem Prüfstand gemäß der Norm EN 14511 (früher EN 255) ermittelt und gilt nur unter den jeweiligen Prüfbedingungen. Der COP ist Gütekriterium für Wärmepumpen, erlaubt jedoch keine energetische Bewertung der Gesamtanlage.
Das Kältemittel wird in Bezug auf den Prozess so gewählt, dass die Temperaturen des Phasenübergangs einen für die Wärmeübertragung ausreichenden Abstand zu den Temperaturen von Wärmequelle und Wärmesenke haben. Soweit möglich wird ein Kältemittel verwendet, dessen Verdampfungsdruck bei der niedrigsten Arbeitstemperatur über dem Umgebungsdruck liegt, um das Eindringen von Luft in den Kältemittelkreislauf zu verhindern. Weitere Aspekte zur Auswahl des Kältemittels siehe Abschnitt Kältemittel (Arbeitsgase).
Im Gegensatz zur Kältemaschine wird bei der Wärmepumpe die Energie auf der warmen Seite genutzt. Der Wärmepumpenkreislauf ist in der Abbildung 1 dargestellt. Eine Wärmepumpe besteht mindestens aus den vier dargestellten Komponenten: Verdampfer, Verdichter (Kompressor), Verflüssiger und Drossel.
Quelle: Wikipedia
