Wärmemaschine

Schaubild einer Kompressionswärmepumpe: 1) Kondensator, 2) Drossel, 3) Verdampfer, 4) Kompressor

T_U=Umgebungstemperatur,
T_V= Verdampfertemperatur,
T_K=Kondensatortemperatur,
T_N/H=Nutz-/Heiztemperatur

Die Wärmepumpe ist eine Maschine, die unter Zufuhr von technischer Arbeit Wärme von einem niedrigeren zu einem höheren Temperaturniveau pumpt. Bei der Wärmepumpe wird die auf dem hohen Temperaturniveau anfallende Verflüssigungswärme zum Beispiel zum Heizen genutzt (Wärmepumpenheizung). Dagegen wird bei der Kältemaschine die Abkühlung eines Kältemittels beim Entspannen und Verdampfen genutzt, um ein Fluid abzukühlen.

Kurzbeschreibung

Die Wärmepumpe und die Kältemaschine stellen die technische Anwendung desselben thermodynamischen Kreisprozesses, der Umkehrung der Wärmekraftmaschine, dar.

Bei der direkten elektrischen Beheizung, z. B. mit Heizstäben, entspricht die erzeugte Wärmeenergie genau der eingesetzten elektrischen Energie. Die elektrische Energie ist aber wesentlich hochwertiger als Wärmeenergie bei niedriger Temperatur, denn durch Einsatz einer Wärmekraftmaschine kann immer nur ein Teil der Wärmeleistung wieder in elektrische Leistung umgeformt werden.

Leistungsbilanz der Wärmepumpe: Der COP beschreibt den Quotienten aus eingesetzter elektrischer Leistung (gelb) zur nutzbaren Wärme (rot)

Der Abluft, dem Erdboden, dem Abwasser oder dem Grundwasser kann Wärme durch Einsatz einer Wärmepumpe entzogen werden. Ein Vielfaches der für die Wärmepumpe eingesetzten elektrischen Leistung kann der Wärmesenke (Luft, Erdboden) entzogen werden und auf ein höheres Temperaturniveau gepumpt werden. In der Leistungsbilanz wird der Wärmepumpe elektrische Leistung für den Verdichterantrieb und die der Umwelt entzogene Wärme zugeführt. Am Austritt der Wärmepumpe steht ein Teil der zugeführten Leistung als Wärme auf höherem Niveau zur Verfügung. In der Gesamtleistungsbilanz sind noch die Verluste des Prozesses zu berücksichtigen.

Das Verhältnis von nutzbarer Wärmeleistung zu zugeführter elektrischer Leistung wird als Leistungszahl bzw. in der Fachliteratur als COP ("Coefficient Of Performance") bezeichnet. Die Leistungszahl hat einen oberen Wert, der nicht überschritten werden kann und aus dem Carnotprozess (benannt nach Nicolas Léonard Sadi Carnot) abgeleitet werden kann.

Um eine möglichst hohe Leistungszahl und so eine hohe Energieeffizienz zu erlangen, sollte die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur der Wärmesenke und der Nutztemperatur möglichst gering sein. Die Wärmeübertrager sollten für möglichst geringe Temperaturdifferenzen zwischen der Primär- und Sekundärseite ausgelegt sein.

Die Bezeichnung Wärmepumpe beruht darauf, dass Wärme aus der Umgebung auf ein höheres nutzbares Temperaturniveau angehoben (gepumpt) wird. Die Wärmepumpe hat einen Verdichter, der elektrisch oder durch einen Verbrennungsmotor angetrieben wird. Der Verdichter komprimiert ein Kältemittel auf einen höheren Druck wobei es sich erwärmt. Die beim nachfolgenden Abkühlen und Verflüssigen des Kältemittels freigesetzte Energie wird in einem Wärmeübertrager auf das Wärmeträgermedium des Heizkreises, meistens Wasser oder Sole, übertragen. Das Kältemittel wird anschließend an einem Expansionsventil entspannt und es kühlt sich ab. Das kalte Kältemittel wird dem Verdampfer (Erdwärmesonden, Luftverdampfer) zugeführt und es geht durch Aufnahme von Umgebungswärme (Anergie)in den gasförmigen Zustand über.

Ein Nachteil der Wärmepumpe ist der deutlich höhere apparative Aufwand. Besonders kostenintensiv sind wirkungsvolle Verdampfer (Erdwärmesonden, erdverlegte Flächenverdampfer). Die Investitionen gegenüber einem konventionellen Gas- oder Heizölbrenner sind deutlich höher. Dafür ist der regelmäßige Aufwand für Wartung und Instandhaltung deutlich geringer (Keine Reinigungs- bzw. Schornsteinfegerkosten)

Der Wärmepumpenprozess, nach Rudolf Plank Plank-Prozess genannt, wird auch als Kraftwärmemaschine bezeichnet. Der Grenzfall einer reversibel arbeitenden Kraftwärmemaschine ist der linksläufige Carnotprozess.

Geschichte

• 1824 veröffentlichte der Franzose Carnot Grundsätze zur Wärmepumpe.
• 1834 baute der Amerikaner Jacob Perkins die erste Kompressionskältemaschine mit dem Arbeitsmittel Diethylether
• 1852 konnte Lord Kelvin nachweisen, dass Kältemaschinen auch zum Heizen verwendet werden können. Außerdem konnte er zeigen, dass zum Heizen mittels Wärmepumpe weniger Primärenergie benötigt wird als zum direkten Heizen, weil die von der Wärmepumpe aufgenommene Wärmeenergie aus der Umgebung (Luft, Wasser oder Erde) stammte und daher einen Energiegewinn brachte.
• 1855 errichtete und betrieb er nach einem Entwurf von Peter Ritter von Rittinger die Saline Ebensee, Oberösterreich, eine wirtschaftliche Soleverdampfung nach dem Funktionsprinzip eines Kühlschranks.
• 1860–1870 wurden Kompressionskältemaschinen und Absorptionskältemaschinen intensiv erforscht. Zunächst dienten die gebauten Kältemaschinen der Eisherstellung. Erst später wurde mit den Kältemaschinen auch direkt gekühlt. Verwendung fanden die Kältemaschinen vor allem in Bier-Brauereien und anderen Lebensmittel-Industrien.
• Nach dem Ersten Weltkrieg begann der Siegeszug des Kühlschrankes in Privathaushalten vorwiegend in den vom Krieg verschonten USA.
• 1929 Weltwirtschaftskrise. Es wurde versucht, wirtschaftlich sehr rentable Anlagen zu errichten. Es gingen größere Wärmepumpenanlagen zur Beheizung von Gebäuden der Stadt Zürich in Betrieb.
• 1945 Die erste erdgekoppelte Wärmepumpe ging in den USA in Betrieb.

Leistungszahl

Die Leistungszahl von Wärmepumpen wird in der aktuellen Literatur als Coefficient Of Performance COP bezeichnet; in der älteren Literatur wird das griechische Zeichen ε verwendet. Der COP ist der Quotient aus der Wärme, die in den Heizkreis abgegeben wird, zur Arbeit, die aufgewendet werden muss um die Temperatur anzuheben:

${\rm COP}=\frac{\ Q_0}{W}$

Die Leistungszahl ist immer auf ein bestimmtes unteres und oberes Temperaturniveau bezogen. Daher müssen bei dem Vergleich des COPs verschiedener Anlagen auch die gleichen Temperaturniveaus vorausgesetzt werden.

Eine Leistungszahl COP von 4 bedeutet, dass das Vierfache der eingesetzten Leistung als nutzbare Wärmeleistung zur Verfügung steht.

Der theoretisch maximal erreichbare COP_max einer Wärmepumpe ist bedingt durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik begrenzt durch den Kehrwert des Carnot-Wirkungsgrads η_C

${\rm COP_{max}} = \frac1{\eta_C}= \frac{T_{\rm warm}}{T_{\rm warm}-T_{\rm kalt}}$

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

Damit berechnet sich der Wirkungsgrad (besser gesagt die Effizienz) einer Wärmepumpe η_WP zu:

${\eta_{\rm WP}} = \frac{\rm COP}{\rm COP_{max}}$   oder anders geschrieben     $\!\,{\rm COP} = {\rm COP_{max}}*{\eta_{\rm WP}}$

Praktisch werden Wärmepumpenwirkungsgrade η_WP im Bereich 0,45 bis 0,55 erreicht.

Beispiel für eine Grundwasserwärmepumpe

Das untere Temperaturniveau einer Wärmepumpe liegt bei 10 °C (= 283,15 K), und die Nutzwärme wird bei 50 °C (= 323,15 K) übertragen. Bei einem theoretischen reversiblen Wärmepumpenprozess, der Umkehrung des Carnotprozesses, würde der COP bei ideal 8,1 liegen. Technisch real erreichbar ist bei diesem Temperaturniveau ein COP von bis 4,5. Mit einer Energieeinheit Exergie, die als technische Arbeit bzw. elektrische Leistung eingebracht wird, können 3,5 Einheiten Anergie aus der Umgebung auf das hohe Temperaturniveau gepumpt werden, so dass 4,5 Energieeinheiten als Wärme bei 50 °C Heizungs-Vorlauftemperatur genutzt werden können. (1 Einheit Exergie + 3,5 Einheiten Anergie = 4,5 Einheiten Wärmeenergie).

In der Gesamtbetrachtung müssen aber der exergetische Kraftwerkwirkungsgrad und die Netzübertragungsverluste berücksichtigt werden, welche einen Gesamtwirkungsgrad von ca. 35 % erreichen. Die benötigte 1 kWh Exergie erfordert einen Primärenergieeinsatz von 100 / 35 x 1 kWh = 2,86 kWh. Wenn die Primärenergie nicht im Kraftwerk eingesetzt sondern direkt vor Ort zur Beheizung genutzt wird, erhält man bei einem Feuerungswirkungsgrad von 95% 2,86 kWh x 95% = 2,71 kWh thermische Energie.

Mit Bezug auf das oben aufgeführte Beispiel kann im Idealfall (COP = 4,5) mit einer Heizungswärmepumpe das 1,6-fache und bei einer konventionellen Heizung das 0,95-fache der eingesetzten Brennstoffenthalpie als Wärmeenergie umgesetzt werden. Allerdings liegt der tatsächlich über das Jahr erreichbare COP-Wert, die Jahresarbeitszahl, je nach Bauart der Wärmepumpe zwischen 2,5 und 3,5, so dass die tatsächliche Reduzierung des Primärenergiebedarfs gering ist und unter ungünstigen Bedingungen sogar höher ausfallen kann. Finanziell gesehen sind die Investitionen für den Einbau einer Wärmepumpe höher als bei einer konventionellen Heizungsanlage, jedoch die Energiekosten geringer.

Datenblätter

In den Datenblättern zu den diversen Wärmepumpenerzeugnissen sind die Leistungsparameter jeweils auf Medium und Quell- und Zieltemperatur bezogen; z.B.:

• W10/W50 COP 4,5 (Wasser 10 °C zu Wasser 50 °C; Wasser/Wasser-Wärmepumpe), η_WP = 0,56
• A10/W35 Heizleistung 8,8 kW; COP 4,3 (A=air=Luft; Luft/Wasser-Wärmepumpe), η_WP = 0,35
• A2/W50 Heizleistung 6,8 kW; COP 2,7, η_WP = 0,40
• B0/W35 Heizleistung 10,35 kW; COP 4,8 (B=brine=Sole; Sole/Wasser-Wärmepumpe), η_WP = 0,55
• B0/W50 Heizleistung 9 kW; COP 3,6, η_WP = 0,56
• B10/W35 Heizleistung 13,8 kW; COP 6,1

Einteilung der Wärmepumpe nach verschiedenen Kriterien

Einteilung nach Art des Verfahrens:

• Kompression elektrisch / Verbrennungsmotor
• Absorption (z.B. Ammoniakabsorptionskältemaschine, Absorption von Wasser in konzentrierter Säure wie Schwefelsäure)
• Adsorption (z.B. Adsorption und Desorption eines Stoffes an einer Oberfläche wie Aktivkohle oder einem Zeolith, dabei wird die Adsorptionswärme frei bzw. die Desorptionswärme aufgenommen)
• Peltier-Effekt
• Magnetokalorischer Effekt

Einteilung nach Art der Wärme- bzw. Kälte-Quelle:

• Außenluft
• Abluft
• Grundwasser (mit Schluckbrunnen)
• Oberflächenwasser
• Erdwärme
  • Erdwärmesonde
  • flächig verlegter Wärmeübertrager mit Soleflüssigkeit befüllt
  • flächig verlegter Wärmeübertrager mit Kältemittel befüllt
  • thermisch aktivierte Fundamente
• Abwärme von industriellen Anlagen
• Abwasserwärmerückgewinnung (AWRG)

Einteilung nach Art der Wärme- bzw. Kälte-Nutzung:

• Kühlen
• Gefrieren
• Warmwasser
• Heizung
  • mit Fußbodenheizung
  • mit Heizkörpern/Radiatoren
  • mit Klima-Konvektoren

Es gibt verschiedene physikalische Effekte, die in einer Wärmepumpe Verwendung finden können. Die wichtigsten sind:

• Die Verdampfungswärme bei Wechsel des Aggregatzustandes (flüssig/gasförmig);
• die Reaktionswärme bei Mischung zweier verschiedener Stoffe;
• die Temperaturabsenkung bei der Expansion eines (nicht idealen) Gases (Joule-Thomson-Effekt);
• der thermoelektrische Effekt;
• das Thermotunneling-Verfahren;
• sowie der magnetokalorische Effekt.

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. an einen Warmwasserkreis oder an die Raumluft – abgegeben wird. Das verflüssigte Kältemittel wird dann zu einer Entspannungseinrichtung geführt (Kapillarrohr oder thermisches Expansionsventil). 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 Wärmequelle 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.

Detaillierte Beschreibung von Wärmepumpen zur Gebäudebeheizung

siehe Hauptartikel Wärmepumpenheizung

Literatur

• Recknagel-Sprenger-Schramek: Taschenbuch für Heizung Klimatechnik, ISBN 3-486-26214-9
• Maake-Eckert: Pohlmann Taschenbuch der Kältetechnik, ISBN 3-7880-7310-1
• Klaus Daniels: Gebäudetechnik, Ein Leitfaden für Architekten und Ingenieure, ISBN 3-7281-2727-2
• Stiftung Warentest: test Nr. 6 vom 6. Juni 2007, ISSN 0040-3946

Weblinks

• European Heat Pump Association (EHPA)
• Bundesverband WärmePumpe (BWP) e.V.
• Leicht verständliche Erklärung des Funktionsprinzips
• Wärmepumpen-Informationen des Fraunhofer ISE
• Stiftung Warentest: Test von Wärmepumpenheizungen
• Feldtest zur Effektivität von Wärmepumpen von Lokale Agenda-Gruppe 21 Umwelt/ Energie in Lahr
• Wärmepumpen als Heizungsalternative, Teil 1: Grundlagen der Wärmepumpe (PDF; 4,41 MB)
• Wärmepumpen als Heizungsalternative, Teil 2: Planung und Installation von Erdwärmepumpen (PDF; 268 KB)