Der Wärmeinhalt der Außenluft, des Erdreichs und des Grundwassers ist auch im Winter
noch hoch. Diese Umweltwärme lässt sich aber wegen der niedrigen Temperatur für die
Gebäudeheizung oder Trinkwassererwärmung nicht ohne weiteres nutzen. Deshalb muss
die Temperatur dieser Umweltenergie mit einer Wärmepumpe angehoben werden.
Eine Wärmepumpe transformiert bereits vorhandene Wärme in einem
thermodynamischen Kreislauf auf ein höheres Wärmeniveau. Die vorhandene Wärme kann
aus unterschiedlichen Quellen genutzt werden. Die Atmosphäre, Massiv-Absorber und auch
die nahe an der Oberfläche liegenden Bodenschichten werden durch eingestrahlte
Sonnenenergie erwärmt und können als Wärmequelle zur Verfügung stehen. Die Nutzung
der Wärme tieferer Schichten beruht auf dem Zerfall radioaktiver Elemente im Erdinneren
und ist dem Bereich der Geothermie zuzuordnen. Die genutzte Wärme aus dem
Grundwasser beruht sowohl auf der Sonnenenergie als auch auf der Erdwärme. Weiterhin ist
die Nutzung von Abwärme aus gewerblichen/industriellen Produktionsprozessen möglich.
Für die Transformation auf ein höheres Wärmeniveau ist Fremdenergie erforderlich,
jedoch ist der Wirkungsgrad der eingesetzten Fremdenergie dadurch besonders hoch, dass
die vorhandene Wärme aus der genutzten Wärmequelle kostenlos zur Verfügung steht.
Die besonders günstigen Primärenergie- und CO2-Vermeidungskosten von Wärmepumpen
werden leider heute noch viel zu wenig beachtet. Sie geben an, mit welchem
zusätzlichen Kostenaufwand welche Menge an Primärenergie oder CO2 eingespart werden
kann. Im Fall der Elektrowärmepumpe liegen diese Vermeidungskosten vergleichsweise
niedrig, in vielen Fällen ergeben sich sogar Kosteneinsparungen. Die Wärmepumpe zählt
daher zu den wenigen Energiesparmaßnahmen, die sich nach heutigen Investitionen und
Tarifen überhaupt rechnen und die den größten Umweltnutzen aufweisen.
In Deutschland entfallen etwa 75 % der benötigten Primärenergie auf den Bereich Raumwärme.
Ca. 36,1 % des Endenergieverbrauchs wird für die Raumheizung aufgewendet
(einschließlich der Warmwasserbereitung in Haushalten). Die Wärmeversorgung basiert
überwiegend auf der Verbrennung fossiler Rohstoffe, wie z. B. Erdgas und Erdöl, in
Heizkesseln. Mit Wärmepumpen lassen sich in Verbindung mit Niedertemperaturheizungen
bereits heute höhere exergetische Wirkungsgrade erzielen. [...]
Inhaltsverzeichnis
1. Allgemeines
2. Funktionsprinzip einer Wärmepumpe
2.1 Kennwerte
2.2 Einflüsse durch das Kältemittel
3. Betriebsweisen
3.1 Bivalente Betriebsweisen
3.2 Monovalente Betriebsweise
4. Wärmequellen
4.1 Erdreich
4.2 Grundwasser
4.3 Umgebungsluft
5. Fazit
Zielsetzung und Themen der Arbeit
Diese Arbeit befasst sich mit den technischen Grundlagen, Einsatzmöglichkeiten und ökologischen Aspekten von Wärmepumpen als effiziente Lösung zur Gebäudeheizung und Warmwasserbereitung. Das primäre Ziel ist es, das thermodynamische Funktionsprinzip zu erläutern und die Eignung verschiedener Wärmequellen sowie Betriebsweisen im Kontext der Primärenergieeinsparung und CO2-Reduzierung zu bewerten.
- Thermodynamische Grundlagen und Funktionsweise von Wärmepumpen
- Leistungskennzahlen und jahreszeitliche Arbeitszahlen
- Klimarelevante Einflüsse durch verschiedene Kältemittel
- Unterscheidung zwischen bivalenten und monovalenten Betriebsweisen
- Eignung und Erschließung der Wärmequellen Erdreich, Grundwasser und Umgebungsluft
Auszug aus dem Buch
1. Allgemeines
Der Wärmeinhalt der Außenluft, des Erdreichs und des Grundwassers ist auch im Winter noch hoch. Diese Umweltwärme lässt sich aber wegen der niedrigen Temperatur für die Gebäudeheizung oder Trinkwassererwärmung nicht ohne weiteres nutzen. Deshalb muss die Temperatur dieser Umweltenergie mit einer Wärmepumpe angehoben werden.
Eine Wärmepumpe transformiert bereits vorhandene Wärme in einem thermodynamischen Kreislauf auf ein höheres Wärmeniveau. Die vorhandene Wärme kann aus unterschiedlichen Quellen genutzt werden. Die Atmosphäre, Massiv-Absorber und auch die nahe an der Oberfläche liegenden Bodenschichten werden durch eingestrahlte Sonnenenergie erwärmt und können als Wärmequelle zur Verfügung stehen. Die Nutzung der Wärme tieferer Schichten beruht auf dem Zerfall radioaktiver Elemente im Erdinneren und ist dem Bereich der Geothermie zuzuordnen. Die genutzte Wärme aus dem Grundwasser beruht sowohl auf der Sonnenenergie als auch auf der Erdwärme. Weiterhin ist die Nutzung von Abwärme aus gewerblichen/industriellen Produktionsprozessen möglich.
Für die Transformation auf ein höheres Wärmeniveau ist Fremdenergie erforderlich, jedoch ist der Wirkungsgrad der eingesetzten Fremdenergie dadurch besonders hoch, dass die vorhandene Wärme aus der genutzten Wärmequelle kostenlos zur Verfügung steht.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Allgemeines: Einführung in die Nutzung von Umweltwärme und die grundlegende Bedeutung von Wärmepumpen für die Einsparung von Primärenergie und Schadstoffemissionen.
2. Funktionsprinzip einer Wärmepumpe: Erläuterung des thermodynamischen Kreislaufs, der technischen Komponenten sowie der Leistungszahl und der ökologischen Auswirkungen der verwendeten Kältemittel.
3. Betriebsweisen: Beschreibung der anlagentechnischen Konzepte, wobei zwischen monovalenten und verschiedenen bivalenten Betriebsarten unterschieden wird.
4. Wärmequellen: Detaillierte Betrachtung der Potenziale und spezifischen Voraussetzungen für die Nutzung von Erdreich, Grundwasser und Umgebungsluft.
5. Fazit: Zusammenfassende Bewertung der Systemgestaltung, der Notwendigkeit einer präzisen Auslegung für verschiedene Anwendungsbereiche und des Optimierungspotenzials.
Schlüsselwörter
Wärmepumpe, Umweltwärme, thermodynamischer Kreislauf, Primärenergie, Leistungszahl, CO2-Reduzierung, Bivalente Betriebsweise, Monovalente Betriebsweise, Erdreich, Grundwasser, Umgebungsluft, Kältemittel, Gebäudeheizung, Exergie, Nachhaltigkeit.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit bietet eine Einführung in das ingenieurmäßige Arbeiten am Beispiel der Wärmepumpentechnik, beleuchtet deren Effizienz im Vergleich zu konventionellen Heizsystemen und analysiert die notwendigen technischen Randbedingungen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Im Fokus stehen das physikalische Funktionsprinzip, die verschiedenen anlagentechnischen Betriebsweisen sowie die Analyse der verfügbaren Wärmequellen und deren Umweltaspekte.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist es, aufzuzeigen, wie Wärmepumpen durch das Anheben von Umweltwärme auf ein nutzbares Niveau einen Beitrag zur Schonung fossiler Energieressourcen leisten können.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es handelt sich um eine grundlagenorientierte Facharbeit, die auf Basis von thermodynamischen Prinzipien und technischer Literatur die Einsatzmöglichkeiten von Wärmepumpensystemen analysiert.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in das Funktionsprinzip (inklusive Kältemittel-Klimabilanz), die Einteilung in monovalente und bivalente Betriebsmodi sowie eine spezifische Betrachtung der Nutzung von Erdreich, Grundwasser und Luft.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Begriffe sind Wärmepumpe, Umweltwärme, Leistungszahl, Energieeffizienz, bivalente/monovalente Betriebsweise und CO2-Minderung.
Warum spielt die Unterscheidung der Betriebsweisen eine so wichtige Rolle für den Betreiber?
Die Wahl zwischen monovalenten und bivalenten Systemen entscheidet über die Investitionskosten, die Versorgungssicherheit und die Möglichkeit, von speziellen Stromtarifen der Energieversorger zu profitieren.
Welchen Einfluss hat die Wahl des Kältemittels auf die ökologische Bilanz einer Wärmepumpe?
Das Kältemittel beeinflusst durch den direkten Treibhauseffekt bei Leckagen die CO2-Bilanz; der Ausstieg aus FCKW-haltigen Mitteln zugunsten umweltfreundlicherer Alternativen ist daher ein wesentlicher Schritt für den Umweltschutz.
Warum ist das Erdreich oft eine besonders vorteilhafte Wärmequelle?
Erdreich bietet aufgrund seiner Speicherfähigkeit eine über das Jahr hinweg relativ konstante Temperatur der Wärmequelle, was zu stabilen und hohen Arbeitszahlen führt.
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- Kai Eiden (Author), 2003, Die Wärmepumpe, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/23020
