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)

Kreisprozeß der Wärmepumpe

(Folie FB2)

p 0 niedriger Druck auf der Verdampferseite (Auslaß Expansionsventil - Eingang Verdichter) p hoher Druck auf der Verflüssigerseite (Ausgang Verdichter - Eingang Expansionsventil) T 0 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

T 0 * Siedetemperatur des Arbeitsmittels im Verdampfer beim Druck p0 T ü Temperatur des überhitzten Arbeitsmitteldampfes nach dem Verdichten T* Siedetemperatur des Arbeitsmittels im Verflüssiger beim Druck p Q zu dem Verdampfer zugeführte Wärme Q ab 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 p 0 . Siedetemperatur T 0 * ist niedriger als die Umgebungstemperatur T 0 , Umgebung wird Verdampfungswärme entzogen, Arbeitsmittel verdampft, Umgebung wird abgekühlt

Verdichten: Arbeitsmitteldampf wird angesaugt und verdichtet, Druck steigt von p 0 auf p, Siedetemperatur steigt dadurch an auf T*. Durch die verrichtete Verdichtungsarbeit wird das Arbeitsmittel auf T Ü >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 T Ü . Temperatur sinkt von T Ü auf T*, Überhitzungswärme wird abgegeben, Dampf kondensiert, Verdampfungswärme wird wieder abgegeben, Temperatur bleibt konstant,

Entspannen: Durch das Expansionsventil wird der Druckunterschied zum Verdampfer ausgeglichen, Arbeitsmittel mit Temperatur T* wird vom Druck p auf den Druck p ⁰ entspannt. Durch Drucksenkung sinkt Siedetemperatur auf T 0 *, 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

T u ...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 T 0 Wärme und gibt sie an ein Energiereservoir mit der Temperatur T>T 0 ab

- Durch Aufwendung der Energie wird die 2-3fache Energiemenge nutzbar gemacht

- Antriebsenergie wird auch in Wärme umgesetzt · 3-4fache Nutzenergie

Q ab = Q zu + W Q ab ...abgegebene Heizwärme

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 (p 0 =konst., T 0 *=konst.) ist übertragene Verdampfungswärme Q zu

- Fläche unter 2-3 ist abgegebene Wärme Q ab

- 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)

- Vergleich von Schadstoffemissionen zeigt, daß die WP gute Leistung im Verhältnis zur Schadstofferzeugung bringt