Wärmepumpen

Wärmepumpen in Kühl- und Gefriergeräten sind in jedem Haushalt zu finden. Wärmetechniker verwenden die Wärmepumpen aber zunehmend zur Gebäudeheizung und für Energieeinsparung bei verschiedenen industriellen Verfahren. Untenstehende Abbildungen demonstrieren die beiden Anwendungsgebiete. Links wird gezeigt, wie innerhalb eines Kühlschranks dem Inneren Wärme entzogen und nach Außen abgegeben wird. Bei der Heizungs-Wärmepumpe rechts wird die Wärme von einem äußeren Medium ins Innere des Gebäudes gepumpt.


Die Energieeinsparung bei Heizung mit Wärmepumpen lässt sich mit Hilfe des Carnot-Prozesses erklären. Auf der Seite Wärmeenergie sind bei Betrachtung einer Wärmepumpe die Wärmepfeile in der Carnot-Prozess-Abbildung umzudrehen. Th − Tc ist wiederum proportional zur mechanischen Energie, die nun allerdings die durch die Pumpe aufgewendete Energie darstellt. Tc bezeichnet die Temperatur des Kühlungsreservoirs und Th die Temperatur des heißen Reservoirs. Der Wirkungsgrad ergibt sich deshalb theoretisch als Kehrwert des Wirkungsgrads des Carnot-Prozesses η = Th / (Th Tc). Dementsprechend ist für die Wärmepumpe η wesentlich größer als eins.

Zum Beispiel ist Tc die Temperatur des Erdbodens in einigen Metern Tiefe, die in Deutschland der Jahresmitteltemperatur von 8,5 °C entspricht. Als Th verwenden wir die Vorlauftemperatur einer Fußbodenheizung von 40 °C. Dann erhalten wir aus den Kelvin-Temperaturen einen theoretischen Wirkungsgrad von η = 313,15 / 31,5 ≈ 10. Praktisch wird für die gegebenen Temperaturen nur ein Wirkungsgrad zwischen 3 und 5 erreicht, da alle Reibungsverluste außerhalb des Wohnraums Wärmeverluste darstellen.

In Kühlaggregaten zirkuliert im Kreislauf nur das Kältemittel, auch Arbeitsmittel genannt. Chlorfluor-Kohlenwasserstoffe sind Ozonkiller und werden deshalb kaum noch verwendet. Propan, Freon und Ammoniak sind weitere geeignete Kältemittel.

In Wärmepumpenheizungen können über Wärmeaustauscher Luft- und Wasserkreisläufe zusätzlich angeschlossen sein.

Sowohl bei Kühl- als auch bei Heizaggregaten gibt es Kompressions- und Sorptionswärmepumpen. Letztere sind leiser und werden bei kleinen Kühlaggregaten elektrisch, bei Wärmeaggregaten vorwiegend mit Erdgas geheizt. Überwiegend werden jedoch Kompressionswärmepumpen verwendet. Das Kühlmittel wird unter Druck und Wärmeabgabe bei hoher Temperatur (1) verflüssigt, siehe obige Abbildungen. Anschließend wird es an einer Düse entspannt (2). Dadurch wird das Kühlmittel gasförmig und nimmt bei niedriger Temperatur (3) Wärme auf. Der Kreis beginnt und endet am Kompressor (4).

Die Kompressoren der Wärmepumpen werden elektrisch betrieben. Für Warmwasserheizungen werden traditionell meist fossile Brennstoffe eingesetzt, weil die Heizung mit Erdgas oder Öl billiger als ist als eine Heizung mit Strom. Der erhöhte Wirkungsgrad der Wärmepumpen macht sie jedoch trotz der Stromkosten im Betrieb billiger als eine traditionelle Warmwasserheizung.

Leider sind die Anschaffungskosten der Wärmepumpenheizung wesentlich höher als bei einer gewöhnlichen Heizung.

Viele Details findet man auf den Internetseiten des Bundesverbands Wärmepumpe.

 


Letzte Änderung: 01.07.2017