Wärmepumpen - Arbeitsweise
posted am: 3 August 2018
Die Wärmepumpe, wie sie beispielsweise bei der Jordan Penkoff angeboten wird, ist eine maschinelle Einrichtung, die es ermöglicht unter Aufwendung von Arbeit, das heißt der Übertragung von Energie von einem Körper auf einen anderen, Wärme von einer niederen Temperatur auf eine höhere Temperatur zu bringen. Die so erhaltene Wärmemenge ist ein Vielfaches des Wärmeäquivalents der aufgewendeten Arbeit. Im Fall einer Raumheizung heißt dies, dass die Umgebungsenergie zusammen mit der Antriebsenergie als Nutzwärme genutzt wird. Zur Wärmegewinnung kommen hauptsächlich Kompressionsanlagen zur Anwendung.
Die Arbeitsweise einer Wärmepumpe
Die technische Arbeitsweise einer Wärmepumpe nutzt das natürliche Verhalten von Flüssigkeiten und Gasen unter verschiedenen Temperatur- sowie Druckeinflüssen, entweder zu kondensieren oder zu verdampfen. Diese physikalisch chemischen Eigenschaften von Gasen und Flüssigkeiten werden in einem Phasendiagramm anschaulich dargestellt und durch sogenannte Phasenübergänge, den Schnittmengen der Druck und Temperaturkurve, bestimmt. Wird eine flüssige Substanz erhitzt, verdampft diese ab einer bestimmten Temperatur. Unter Zugabe von Druck ändert sich der Grad, bei dem dieser Prozess beginnt. Umgekehrt verhält es sich genauso bei der Kondensation.
In einem Verdampfer wird ein Kältemittel, wie Ammoniak, in Abhängigkeit von der Temperatur der Wärmequelle bei entsprechendem Druck verdampft. Als Wärmequelle dient dabei zumeist die Umgebung in Form von Luft oder Erdreich. Der so gewonnene Dampf wird in einem Kompressor verdichtet und die Temperatur durch die zugeführte mechanische Energie erhöht. Die Wärme wird somit von einem niedrigen Temperaturlevel auf ein höheres Temperaturniveau gehoben. In einem Kondensator wird der Dampf durch die Wärmeabgabe an ein Heizmittel, dem Heizwasser, wieder kondensiert und rückgeführt. Dazu wird das Kältemittel an einem Druckreduktionsventil zunächst entspannt und dann dem Verdampfer wieder zur Verfügung gestellt. Es handelt sich demnach um einen thermodynamischen Kreisprozess.
Im Gegensatz zu der Kompressionsanlage verwenden Absorptionsanlagen eine Wärmequelle als Ersatz für den Kompressor. Bei der Wärmequelle kann es sich um Elektrowärme oder Gaswärme handeln. Diese Anlagen nutzen, die in einem chemischen Prozess anfallende Reaktionswärme aus, welche bei der Vermischung zweier chemischer Substanzen entsteht. Eine Adsorbtionsanlage hingegen nutzt die physikalische Eigenschaft der Adsorption des Kältemittels an einem Lösungsmittel.
Die Jahresarbeitszahl und der Wirkungsgrad sind die Maße, die für die Effizienz einer Wärmepumpe entscheidend sind. Sie beschreiben die Rentabilität einer Wärmepumpe, indem das Verhältnis von Kosten, in Form von Strom für die Verdichtung, zum Nutzen, der Gewinnung von Wärmeenergie, ermittelt wird.
Anwendungsgebiete von Wärmepumpen
Da die Anlage- und Betriebskosten einer Wärmepumpe eher hoch ausfallen, ist sie als Raumheizung nur dort rentabel, wo die anfallenden Betriebskosten dementsprechend niedrig sind. So ist die Kopplung einer Wärmepumpe an eine Solaranlage ein profanes Mittel um Betriebskosten stark zu senken und zeitgleich auch die Kohlendioxidemission. Im Wohnraum wird die Anlage häufig als Fußbodenheizung betrieben, da die Temperaturdifferenz zwischen Vorlauftemperatur der Heizungsanlage und der Umgebungstemperatur geringer sind und somit weniger Energie der Anlage zugeführt werden muss. In Umkehrung dazu werden für Kühlschränke und Gefriertruhen ebenfalls Wärmepumpen verwendet und dienen dort der Kühlung. Industriell wird die Wärmepumpe oft als Verdampferanlage verwendet.
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