Wärmepumpe

11.05.23 | Wort der Woche

Quelle: Bundesverband Wärmepumpe

Eine Wärmepumpe ist eine Maschine, die unter Aufwendung von technischer Arbeit thermische Energie aus einem Reservoir mit niedrigerer Temperatur (z.B. der oberflächennahe Untergrund) aufnimmt und – zusammen mit der Antriebsenergie – als Nutzwärme auf ein zu beheizendes System mit höherer Temperatur (Raumheizung) überträgt.

Der verwendete Prozess ist im Prinzip die Umkehrung eines Wärme-Kraft-Prozesses, bei dem Wärmeenergie mit hoher Temperatur aufgenommen und teilweise in mechanische Nutzarbeit umgewandelt und die Restenergie bei niedrigerer Temperatur als Abwärme abgeführt wird, meist an die Umgebung.

Das Prinzip der Wärmepumpe verwendet man auch zum Kühlen (so beim Kühlschrank), während der Begriff „Wärmepumpe“ nur für das Heizaggregat verwendet wird. Beim Kühlprozess ist die Nutzenergie die aus dem zu kühlenden Raum aufgenommene Wärme, die zusammen mit der Antriebsenergie als Abwärme an die Umgebung (Im Falle des Kühlschranks die Raumluft) abgeführt wird. 

Wärmepumpen werden in der Regel mit Fluiden betrieben, die bei niedrigem Druck unter Wärmezufuhr verdampfen und nach der Verdichtung auf einen höheren Druck unter Wärmeabgabe wieder kondensieren. Der Druck wird so gewählt, dass die Temperaturen des Phasenübergangs einen für die Wärmeübertragung ausreichenden Abstand zu den Temperaturen von Wärmequelle und Wärmesenke haben. Je nach verwendetem Fluid liegt dieser Druck in unterschiedlichen Bereichen. Das Bild zeigt das Schaltbild mit den vier für den Prozess erforderlichen Komponenten: Verdampfer, Verdichter (Kompressor), Kondensator und Drossel.

Erdwärmepumpen (früher ergekoppelte Wärmepumpe) nutzen die Erdwärme, also die unterhab der Oberfläche der Festen Erde gespeicherte Energie.

Wärmetransformatoren werden gelegentlich Wärmepumpen 2ter Art genannt.

Einteilung

nach dem Verfahren

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

nach der Wärmequelle

• Außenluft
• Abluft
• Grundwasser (mit Schluckbrunnen)
• Oberflächenwasser
• Erdwärme
  • Erdwärmesonde
  • CO2-Sonde
  • Direktverdampfer-Sonde mit Kältemittel gefüllt
  • Spiralkollektor
  • Erdwärmekörbe
  • flächig verlegter Wärmeübertrager mit Soleflüssigkeit befüllt
  • flächig verlegter Wärmeübertrager mit Kältemittel befüllt
  • thermisch aktivierte Fundamente, Pfahlgründungen, Spundwände
  • Tunnelauskleidungen (Tübinge), Unterdückerungen
• Abwärme von industriellen Anlagen
• Abwasserwärmerückgewinnung (AWRG)

nach der Wärmenutzung

• Kühlen
• Gefrieren
• Warmwasser
• Heizung
  • mit Fußbodenheizung, Wand- oder Deckenheizungen
  • mit Heizkörpern/Radiatoren (auch zwangbelüftet, coil tubes)
  • mit Klima-Konvektoren

nach der Arbeitsweise

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

• 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 oder Gase. Sie verfügt über einen Lösungsmittelkreis und einen Kältemittelkreis. Das Lösungsmittel wird im Kältemittel wiederholt gelöst oder ausgetrieben.
• Die Adsorptions-Wärmepumpe arbeitet mit einem festen Lösungsmittel, dem „Adsorbens“, an dem das Kältemittel ad- oder 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.

Effizienz

Die Effizienz einer Wärmepumpe hängt nicht nur von Details der Bauform ab, sondern vorrangig auch von der Temperaturspreizung. Je kleiner die Spreizung um so effektiver. Bei größeren Anlagen, kann man dies durch eine Reihenschaltung mehrere Wärmepumpen mit jeweils kleinerer Speizung nutzen, um so dennoch die gewünschte Gesamtspreizung erreichen.

Die Stadtwerke Schwerin schreiben hierzu (2022): „Die vier Wärmepumpen werden in Reihe geschaltet arbeiten. Dabei wird eine kleinere Komponente vor drei baugleichen, leistungsstärkeren Modellen installiert. Die Gesamtleistung aller vier Wärmepumpen beträgt 7,35 Megawatt. Das Warmwasser durchfließt alle Wärmepumpen der Reihe nach und wird dabei jeweils um ein kleines Stück erhitzt, bis es nach der letzten Wärmepumpe die Vorlauftemperatur erreicht hat. Diese Schaltung dient der Verbesserung der Effizienz der Gesamtanlage. So können wir bedarfsgerecht und umweltschonend grüne Fernwärme für die Schweriner Haushalte produzieren.“