1 Grundlagen Wärmepumpe

1.1 Definition

Was der direkten Sonnenenergienutzung durch Solarthermie oder Photovoltaik versagt bleibt, ist mit der Wärmepumpe problemlos möglich: die Nutzung von Sonnenenergie ganzjährig rund um die Uhr. Die Wärmepumpe nutzt die in Luft, Wasser und Erdreich zu jeder Jahreszeit unbegrenzt und kostenlos zur Verfügung stehende, gespeicherte Sonnenenergie zum Heizen und zur Warmwasserversorgung.

Wärmepumpen sind technische Einrichtungen, die ein Mehrfaches der für den Betrieb aufgewendeten Endenergie als Nutzwärme abgeben. Erschlossen werden dabei Wärmequellen deren Energieinhalt normalerweise nicht genutzt werden kann. Quellen sind dabei das Grundwasser, das Erdreich und die Außenluft sowie Prozesswärme (Abluft, Abwasser, Kühlung). Die Nutzwärme setzt sich zusammen aus der Wärmemenge, die der Wärmequelle durch Abkühlung entzogen wird, und der Menge, die der aufgewendeten Antriebsenergie entspricht. Das Verhältnis von Nutzen zu Aufwand, also von Heizarbeit zu Antriebsarbeit, wird Arbeitszahl genannt. Sie wird mit ß (Beta) bezeichnet. Da die Heizarbeit (Nutzwärme) stets größer ist als die Antriebsarbeit, liegt die Arbeitszahl immer über 1.

Wärmepumpen arbeiten nach dem Kühlschrankprinzip, wobei nicht die erzeugte Kälte, sondern die abgegebene Wärme genutzt wird. Je nach Wärmequelle und je nach Wärmeträger im Heizsystem wird von Luft/Luft, Luft/Wasser-, Wasser/Wasser-, Erdreich (Sole)/Wasser-Wärmepumpenanlagen gesprochen. Hierbei stehen jeweils zuerst die Wärmequelle und dann der Wärmeträger im Heizsystem, an den die Wärme abgegeben wird. (Tabelle 1)

Medium der Wärmequelle Medium der Heizungsanlage Bezeichnung der Elektro-Wärmepumpe
Luft Wasser Luft/Wasser-Wärmepumpe
Erdreich (Kollektor/Sonde) Wasser Sole/Wasser-Wärmepumpe
Wasser Wasser Wasser/Wasser-Wärmepumpe

Tabelle 1: Bezeichnung der Elektro-Wärmepumpen

1.2 Der Wärmepumpen-Kreisprozess

Die Wärmepumpe arbeitet in einem geschlossenen Kreislauf mit Verdichter, Expansionsventil sowie einem Wärmeübertrager auf der Wärmequellenseite (Verdampfer) und einem auf der Heizungsseite (Verflüssiger). Den Transport der Wärme übernimmt ein Kältemittel, das im geschlossenen Kreislauf der Wärmepumpe zirkuliert. Es verdampft bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck und entzieht dabei der Wärmequelle Energie.

Um diese Energie nutzbar zu machen, wird der Kältemitteldampf aus dem Verdampfer abgesaugt und im Verdichter auf einen hohen Druck gebracht. Dabei steigt die Temperatur stark an. Die dafür notwendige Energie wird dem Verdichter als Antriebsenergie über einen Motor zugeführt.

Bei dem jetzt nutzbaren Temperaturniveau wird das Kältemittel durch Wärmeabgabe an das Heizsystem im Verflüssiger kondensiert. Anschließend wird das flüssige Kältemittel im Expansionsventil oder Drosselorgan auf den niedrigen Verdampfungsdruck entspannt. Durch die Entspannung sinkt die Temperatur des Kältemittels auf die Verdampfungstemperatur ab. Der Kreislauf beginnt von neuem.

1.3 Der Wärmepumpen-Kreisprozess im h, log p-Diagramm

Bild 1 zeigt ein Diagramm, mit dem das theoretische Verhalten eines Kältemittels im Wärmepumpen-Kreisprozess dargestellt wird. Wärme und Reibungsverlust sind hier nicht berücksichtigt. Das Kältemittel verdampft bei konstanter Temperatur und konstantem Druck (41). Bei der Verdichtung (12) steigen Druck und Temperatur stark an. Dabei verläuft die Verdichtung theoretisch entlang einer Linie konstanter Entropie. (Die Entropie s in kJ/(kg K) ist in der Thermodynamik ein Maß für die Umwandlungsverluste, s = konstant gilt für ideale Prozesse). Das Kältemittel verflüssigt sich wieder bei konstantem Druck und konstanter Temperatur (23). Durch die Expansion sinken Temperatur und Druck stark ab (34), allerdings bei konstanter Enthalpie, da weder Energie zu noch abgeführt wird.

Diagramm

Bild 1: Theoretischer Kreisprozess

Gegenüber diesem theoretischen Kreisprozess treten beim realen Kreisprozess Abweichungen auf. Durch Reibungs-, Druck- und Wärmeverluste wird die notwendige Verdichterarbeit größer (22'). Außerdem muss im praktischen Betrieb aus Gründen der Betriebssicherheit eine leichte Überhitzung des verdampften Kältemittels (11') und eine leichte Unterkühlung des verflüssigten Kältemittels (33') erfolgen (keine flüssigen Kältemittel im Kompressor).

Diagramm

Bild 2: Realer Kreisprozess

1.4 Energiebilanz

Die Menge der Energie, die momentan in einem Kältemittel vorhanden ist, wird Enthalpie H (in kJ) genannt. Die spezifische Enthalpie h hat die Einheit kJ/kg. Bei den Berechnungen kommt es dabei grundsätzlich nur auf Enthalpiedifferenzen an.

Die am Verdampfer aufgenommene Wärmeleistung Q̇0 ist das Produkt aus der Masse des durchströmenden Kältemittels ṁ und der Enthalpiedifferenz zwischen den Punkten 1 und 4 in Bild 1.

Formel

Eine entsprechende Abhängigkeit besteht bei der abgegebenen Leistung Q̇C.

Formel

Die dabei vom Verdichter zu erbringende Leistung ist das Produkt von Massenstrom m und der Enthalpiedifferenz h2 - h1.

Formel

Die theoretische Leistungszahl ergibt sich aus dem Verhältnis der Heizleistung zur Verdichterleistung.

FormelFormel

Wegen der schon angesprochenen Verluste ergibt sich die praktische Leistungszahl

Formel

1.5 Einsatzgrenzen

Diese werden grundsätzlich durch das gewählte Kältemittel bestimmt. Mit den bisher verwendeten Kältemitteln wurde maximal 55 °C Heizungsvorlauftemperatur erreicht. Diese Grenze kann bei Verwendung von R 290 (Propan) als Kältemittel auf 65 °C angehoben werden. Die untere Grenze für die nutzbare Wärmequellentemperatur liegt bei 15 °C bis 20 °C. Die untere Einsatzgrenze hängt dabei ab von der genutzten Wärmequelle:

  • für Wasser = +7 °C
  • für Sole = ~ 10 °C
  • für Außenluft = - 20 °C