Gliederung:
1. Ansatz
2. Geschichte
3. Prinzip
4. Wärmetransport von kalt nach warm
5. Funktionsweise am Beispiel Kompressionswärmepumpe
6. Energiebilanz
7. Formen der Kompressionswärmepumpe
8. Andere Wärmepumpenarten
9. Betriebsweisen
10. Umweltverträglichkeit
1. Ansatz
Der Umgebung eines Objektes wird Wärme entzogen und zur Erwärmung des Objektes verwendet (Anwendungsbeispiel: Umgebungswärme wird für Heizung von Häusern genutzt)
2. Geschichte
1852: englischer Physiker William Thomson, beschreibt mechanisches System zur Heizung oder Kühlung von Gebäuden
1920-iger Jahre: Begriff Wärmepumpe wird geprägt, erste Wärmepumpenheizungen in GB und USA
1938: In Zürich (Schweiz, arm an fossilen Brennstoffen, reich an Wasserkraft · Elektrizität) werden öffentliche Einrichtungen mit Wärmepumpen ausgestattet Ende 1950-iger Jahre: Boom in den USA, umschaltbar zwischen Heizung und Kühlung 1960-iger Jahre in Dtl: Landwirtschaft: Wassererwärmung / Milchkühlung
3. Prinzip
- Temperaturniveau der Umgebung wird von täglicher Sonneneinstrahlung und nächtlicher Wärmeabstrahlung sowie durch die von natürlichen und technischen Prozessen freigesetzte Wärme bestimmt
- Umweltwärme ist im allgemeinen nicht nutzbar, da sie nicht in z.B. mechanische Energie umgewandelt werden kann
- Durch Abkühlung der Umgebung mit Hilfe einer Wärmemaschine läßt sich der Umgebung jedoch Wärme entziehen, um sie für Heizzwecke zu nutzen (also Umkehrung des Kühlschrankes, wird Wärmepumpe genannt)
- Daraus ergibt sich die Definition der Wärmepumpe im wirtschaftlichen Sinn: Die Wärmepumpe bietet die Möglichkeit, den sich ständig erneuernden Vorrat an innerer Energie der Umgebung und die bei vielen technischen Prozessen entstehende Abwärme niedriger Temperatur für Heizzwecke nutzbar zu machen.
- Vorrat ist sich ständig erneuernd durch Sonneneinstrahlung in so großem Maße, daß Entnahme der relativ geringen Mengen keine Bedeutung hat
4. Wärmetransport von kalt nach warm
- physikalisches Gesetz: Wärmeübergang erfolgt freiwillig nur von einem Körper höherer Temperatur auf einen niedrigerer Temperatur
- jedoch bei der Wärmepumpe wird ,,kalter" Umgebung Wärme entzogen und auf ein wärmeres Medium (z.B. Wasser) übertragen durch Zufuhr von Arbeit
- Widerspruch wird gelöst durch nicht selbst ablaufende Übertragung sondern nur unter Zuführung höherwertiger Energie (z.B. mechanische Arbeit, bei Kompressionswärmepumpe durch Verdichter)
5. Physikalische Funktion
Beispiel: Kompressionswärmepumpe
- Häufigste Form der Wärmepumpe
- Funktionsprinzip gleich dem des Kühlschrankes
- Aufbau/Funktion Kühlschrank: (Folie FB1) Kompressionskältemaschine
- Unterschied: andere Anordnung und Dimensionierung der Bauteile
Beim Kühlaggregat liegt der Nutzen auf der kalten Seite (Verdampferseite), bei der Wärmepumpe liegt der Nutzen auf der warmen Seite (Verflüssigerseite)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Kreisprozeß der Wärmepumpe (Folie FB2)
p0 niedriger Druck auf der Verdampferseite (Auslaß Expansionsventil - Eingang Verdichter) p hoher Druck auf der Verflüssigerseite (Ausgang Verdichter - Eingang Expansionsventil) T0 Temperatur des Mediums (Erde, Wasser, Luft), das den Verdampfer umgibt und aus dem die Wärme entnommen wird
T Temperatur des Mediums (Wasser), das den Verflüssiger umgibt und an das Wärme abgegeben wird
T0* Siedetemperatur des Arbeitsmittels im Verdampfer beim Druck p0
Tü Temperatur des überhitzten Arbeitsmitteldampfes nach dem Verdichten T* Siedetemperatur des Arbeitsmittels im Verflüssiger beim Druck p Qzu dem Verdampfer zugeführte Wärme
Qab vom Verflüssiger abgegebene Wärme W vom Verdichter aufgenommene Arbeit
Arbeitsmittel: Stoff mit Siedetemperatur unter 0°C, häufig Sicherheitskältemittel (fluorierter Kohlenwasserstoff)
Verdampfen: Im Verdampfer ist Arbeitsmittel bei niedrigem Druck p0. Siedetemperatur T0* ist niedriger als die Umgebungstemperatur T0, Umgebung wird Verdampfungswärme entzogen, Arbeitsmittel verdampft, Umgebung wird abgekühlt
Verdichten: Arbeitsmitteldampf wird angesaugt und verdichtet, Druck steigt von p0 auf p,
Siedetemperatur steigt dadurch an auf T*. Durch die verrichtete Verdichtungsarbeit wird das Arbeitsmittel auf TÜ>T* erwärmt. (d.h. Temperatur ist noch höher als die erhöhte Siedetemperatur, der Dampf ist überhitzt)
Verflüssigen: Überhitzter Dampf wird in Verflüssiger gedrückt, Umgebungstemperatur T am Verflüssiger ist niedriger als T* und TÜ. Temperatur sinkt von TÜ auf T*, Überhitzungswärme wird abgegeben, Dampf kondensiert, Verdampfungswärme wird wieder abgegeben, Temperatur bleibt konstant, Aggregatzustand gasförmig flüssig. Umgebung erwärmt sich durch abgegebene Wärme Qab
Entspannen: Durch das Expansionsventil wird der Druckunterschied zum Verdampfer ausgeglichen, Arbeitsmittel mit Temperatur T* wird vom Druck p auf den Druck p0 entspannt. Durch Drucksenkung sinkt Siedetemperatur auf T0*, Temperatur sinkt durch Entspannung
6. Energiebilanz
- Grundlegende Unterscheidung
- Exergie und Anergie sind Energiearten
- Exergie kann Arbeit verrichten (mechanische, elektrische Energie), Anergie kann keine Arbeit verrichten (innere Energie der Umgebung)
- Bei Heizen wird dem Körper ein Exergie-/Anergiegemisch Q = E + B zugeführt
Exergieanteil e
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tu...Umgebungstemperatur
T ...absolute Temperatur / Temperaturniveau der Wärmemenge
- Bereitstellung von Heizwärme durch Entnahme von Anergie aus der Umgebung und Zuführung der notwendigen Exergie als mechanische oder elektrische Energie
- Wärmepumpe kann beide Anteile mischen, arbeitet besonders günstig, wenn Heizwärme mit hohem Anergieanteil benötigt wird (Niedertemperaturwärme)
- Wenig geeignet für hohe Prozeßtemperaturen, da der Anergieanteil an Bedeutung verliert
- Kompressionswärmepumpe ist Kraft-Wärme-Maschine
- Ständige Zuführung mechanischer Energie
- Entzieht Energiereservoir mit Temperatur T0 Wärme und gibt sie an ein Energiereservoir mit der Temperatur T>T0 ab
- Durch Aufwendung der Energie wird die 2-3fache Energiemenge nutzbar gemacht
- Antriebsenergie wird auch in Wärme umgesetzt · 3-4fache Nutzenergie
Qab = Qzu + W Qab...abgegebene Heizwärme
Qzu...zugeführte Umgebungswärme
W ...mechanische/elektrische Antriebsarbeit
Kreisprozeß der WP im T - Q/T- Diagramm dargestellt (Folie FB3)
Q/T = Entropie
x = Anteil von Arbeitsmitteldampf
4-1
Verdampfung bei konstanter Temperatur T0* und bei konstantem Druck p0 Aufnahme der Verdampfungswärme Qzu, isobare ZA
1-2
Verdichtung ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung, Erhöhung des Druckes auf p Erhöhung der Temperatur auf Tü
Aufnahme der Verdichterarbeit W, adiabatische ZA, Sprung zwischen Isobaren, _U=W
2-2`
Abgabe der Überhitzungswärme bei konstantem Druck p, isobare ZA
2`-3
Abgabe der Verflüssigungswärme bei konstanter Temperatur T* und konstantem Druck p, isobare ZA
3-4
Entspannung ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung, adiabatische ZA
Energiemenge als Fläche erkennbar
- Fläche unter 4-1 (p0=konst., T0*=konst.) ist übertragene Verdampfungswärme Qzu
- Fläche unter 2-3 ist abgegebene Wärme Qab
- Zugeführte Kompressionsarbeit ist Differenz der Flächen
- Nach Erfüllung der Heizaufgabe wird entzogene Wärme zusammen mit aufgewendeter Energie in die Umgebung abgegeben · Erwärmung der Umgebung, aber nur gering im Vergleich zu anderen Heizsystemen
- Arbeitet besonders effektiv wenn Temperaturdifferenz zwischen niedrigem und hohem Niveau besonders Gering ist
- Leistungszahl am größten, wird im Zusammenhang mit längerem Zeitraum angegeben
E = Heizleistung / Antriebsleistung E>1
7. Formen der Kompressionswärmepumpe (Folien)
Energiegewinnung aus dem Erdreich
- Erdreich ist in einer Tiefe von 1.5 - 1.8m ein ideales Speichermedium (4-12°C)
- Ist auch im Winter warm genug, damit die Wärmepumpe wirtschaftlich arbeitet
- Einbringen von Flachkollektoren in den Boden mit Fläche = 1.5-3*Wohnfläche
Energiegewinnung aus dem Grundwasser
- Temperatur: 8-12°C
- Bohrung von 2 Brunnen notwendig
- Förderbrunnen um Wasser zu gewinnen
- Sickerbrunnen für abgekühltes Wasser
Energiegewinnung aus der Luft
- Wärmeentzug überall möglich (Umgebung und im Haus, durch Abwärme z.B. in Ställen)
- Funktionieren noch bei Lufttemperaturen von -18°C
Energiegewinnung aus Bauwerken
- mit speziellen Bauwerken oder Bauteilen die besonders viel Energie absorbieren kann Energie der Umwelt entzogen werden (Energiedach, Energiezaun)
8. Andere Wärmepumpenarten
Absorptionswärmepumpe
- ohne mechanischen Verdichter
- mit Zweistoffgemisch als Arbeitsmittel
- Als Antriebsenergie wird Wärme höherer Temperatur als Umgebungstemperatur zugeführt, aus Verbrennung von Erdgas/Erdöl oder von Prozeßdämpfen
Peltierwärmepumpe
- findet nur in speziellen Fällen Anwendung (z.B. in Labors)
- arbeitet mit dem Peltiereffekt, durch den sich an der Kontaktstelle zweier unterschiedlicher Leitmaterialien in einem Stromkreis eine Temperaturdifferenz ausbildet
- bei Halbleitermaterialien entstehen Temperaturdifferenzen bis 140K
9. Betriebsweisen:
Monovalent: WP ist einzige Energiequelle
Bivalent-alternativ: WP wird bei Umgebungstemperatur < best. Wert durch anderen Wärmeerzeuger ersetzt
Bivalent-parallel: Ab einer bestimmten Umgebungstemperatur wird ein 2. Erzeuger zugeschaltet
Bivalent-teilparallel: Wie Bivalent-parallel, aber mit Laufzeitüberschneidung in best. Temperaturbereich
10. Umweltverträglichkeit
- WP entzieht in ErdreichWP-Variante dem Boden bis zu 70kWh / m²
- Das sind nur 7-8% des Potentials
- Wichtig für die Verträglichkeit mit dem Ökosystem ist, daß die Energieentnahme immer (auch im Winter geringer ist als die eingestrahlte Wärme)
Häufig gestellte Fragen
Was ist der Ansatz einer Wärmepumpe?
Einer Umgebung wird Wärme entzogen und zur Erwärmung eines Objektes verwendet. Beispielsweise wird Umgebungswärme für die Heizung von Häusern genutzt.
Was ist die Geschichte der Wärmepumpe?
1852 beschrieb der englische Physiker William Thomson ein mechanisches System zur Heizung oder Kühlung von Gebäuden. In den 1920er Jahren wurde der Begriff Wärmepumpe geprägt, und erste Wärmepumpenheizungen wurden in Großbritannien und den USA eingesetzt. 1938 wurden in Zürich öffentliche Einrichtungen mit Wärmepumpen ausgestattet. In den 1950er Jahren gab es einen Boom in den USA, mit umschaltbaren Systemen für Heizung und Kühlung. In den 1960er Jahren wurden Wärmepumpen in Deutschland in der Landwirtschaft zur Wassererwärmung und Milchkühlung eingesetzt.
Was ist das Prinzip einer Wärmepumpe?
Das Temperaturniveau der Umgebung wird durch Sonneneinstrahlung, Wärmeabstrahlung und freigesetzte Wärme bestimmt. Umweltwärme ist im Allgemeinen nicht direkt nutzbar. Durch Abkühlung der Umgebung mit einer Wärmemaschine kann jedoch Wärme entzogen und für Heizzwecke genutzt werden (Umkehrung des Kühlschranks). Die Wärmepumpe ermöglicht die Nutzung der inneren Energie der Umgebung und der Abwärme niedriger Temperatur für Heizzwecke. Dieser Vorrat erneuert sich ständig durch Sonneneinstrahlung.
Wie funktioniert der Wärmetransport von kalt nach warm bei einer Wärmepumpe?
Obwohl Wärme normalerweise nur von einem Körper höherer Temperatur zu einem niedrigerer Temperatur fließt, entzieht die Wärmepumpe der "kalten" Umgebung Wärme und überträgt sie auf ein wärmeres Medium (z.B. Wasser). Dies geschieht durch Zufuhr von Arbeit, also nicht selbstständig, sondern unter Zuführung höherwertiger Energie (z.B. mechanische Arbeit beim Kompressor).
Wie funktioniert eine Kompressionswärmepumpe?
Die Kompressionswärmepumpe ist die häufigste Form und funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie ein Kühlschrank, nur dass die Anordnung und Dimensionierung der Bauteile anders ist. Beim Kühlaggregat liegt der Nutzen auf der kalten Seite (Verdampferseite), bei der Wärmepumpe auf der warmen Seite (Verflüssigerseite). Der Kreisprozess beinhaltet Verdampfen, Verdichten, Verflüssigen und Entspannen eines Arbeitsmittels.
Was sind Exergie und Anergie im Zusammenhang mit der Energiebilanz einer Wärmepumpe?
Exergie kann Arbeit verrichten (mechanische, elektrische Energie), während Anergie keine Arbeit verrichten kann (innere Energie der Umgebung). Beim Heizen wird dem Körper ein Exergie-/Anergiegemisch zugeführt. Die Wärmepumpe kann beide Anteile mischen und arbeitet besonders günstig, wenn Heizwärme mit hohem Anergieanteil benötigt wird (Niedertemperaturwärme). Die Formel ist: Qab = Qzu + W, wobei Qab abgegebene Heizwärme, Qzu zugeführte Umgebungswärme und W mechanische/elektrische Antriebsarbeit ist. Die Leistungszahl (E = Heizleistung / Antriebsleistung) ist dabei größer als 1.
Welche Formen der Kompressionswärmepumpe gibt es bezüglich der Energiegewinnung?
Es gibt verschiedene Formen, die Energie aus dem Erdreich (Flachkollektoren), Grundwasser (zwei Brunnen), der Luft (Umgebungsluft, Abwärme) oder speziellen Bauwerken (Energiedach, Energiezaun) gewinnen.
Welche anderen Wärmepumpenarten gibt es?
Neben der Kompressionswärmepumpe gibt es Absorptionswärmepumpen (ohne mechanischen Verdichter, Nutzung von Wärme höherer Temperatur) und Peltierwärmepumpen (spezielle Anwendungen, Nutzung des Peltiereffekts).
Welche Betriebsweisen gibt es bei Wärmepumpen?
Es gibt monovalente (WP als einzige Energiequelle), bivalent-alternative (WP wird bei niedrigen Temperaturen durch anderen Erzeuger ersetzt), bivalent-parallele (zweiter Erzeuger wird zugeschaltet) und bivalent-teilparallele (wie parallel, aber mit Laufzeitüberschneidung) Betriebsweisen.
Wie umweltverträglich sind Wärmepumpen?
Wärmepumpen entziehen dem Boden (bei ErdreichWP) nur einen geringen Teil des Energiepotentials. Wichtig ist, dass die Energieentnahme geringer ist als die eingestrahlte Wärme. Im Vergleich zu anderen Heizsystemen weisen Wärmepumpen eine gute Leistung im Verhältnis zur Schadstofferzeugung auf.
- Arbeit zitieren
- Wenzel Schumann (Autor:in), 2000, Die Wärmepumpe, München, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/99250
