Die Wärmepumpe


Hausarbeit, 2003

14 Seiten, Note: 1,0


Leseprobe


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

6. Literaturverzeichnis

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.Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die besonders günstigen Primärenergie- und CO2-Vermeidungskosten von Wärme-pumpen 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 Raum-wärme. 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. Die exergetische Bilanzierung ist deswegen so bedeutungsvoll, da nicht Energie sondern nur deren arbeitsfähiger Anteil, die Exergie, das eigentlich knappe Gut auf der Erde ist. Energie ist (siehe Energieerhaltungssatz) unbegrenzt vorhanden, nur eben größtenteils nicht nutzbar, da sie in Form von Wärme bei Umgebungstemperatur vorliegt und deshalb keine Exergie besitzt. Sie ist also nicht arbeitsfähig. In geringen Exergieverlusten liegt deshalb der Schlüssel zur Schonung der Primärenergieressourcen.

Im Gegensatz zur Verbrennung zu Heizzwecken besitzt die Umwandlungskette vom Brennstoff über den elektrischen Strom und das thermodynamische Heizen mit einer Wärmepumpe ein enormes Entwicklungspotential.

Die Bundesregierung hat sich zum Ziel gesetzt, eine Vorreiterrolle zu übernehmen und den CO2- Ausstoß bis zum Jahre 2005 um mindestens 25 bis 40 % zu senken. Das bedeutet, dass der Raumwärmesektor, in dem verglichen mit anderen Bereichen wie z. B. Verkehr, Industrie und Stromerzeugung, relativ einfache Möglichkeiten zur Energieeinsparung bestehen, mit noch höheren Anforderungen konfrontiert werden wird.

Eine der effektivsten technischen Lösungen zur Energieeinsparung ist wegen der Nutzung der in der Umgebung zwischengespeicherten Sonnenenergie die Elektrowärmepumpe, die unabhängig von der Wärmequelle (Luft, Wasser oder Erdreich) die erzeugte Wärme an ein Wasserheizsystem abgibt. Nicht nur der Bedarf an primärer Energie sondern auch der an importierter Energie und Endenergie wird gegenüber einer konventionellen Brennstoffheizung entscheidend verringert. Die Erfahrungen aus fast 20 Jahren beweisen, dass die Technik weit ausgereift ist.

Die wirtschaftlichen Einsatzchancen von Wärmepumpen sind bei den gegenwärtigen Energiepreisen gering. Wirtschaftlich kann der Einsatz in speziellen Anwendungen sein. Ein idealer Einsatzfall ergibt sich bei gleichzeitigem Wärme- und Kältebedarf, wie z. B. Schwimmbad kombiniert mit Eislaufbahn. Hierbei entzieht die Wärmepumpe der Eislaufbahn Wärme, die sie dem Schwimmbad zur Beheizung zuführt. In sogenannten Tandemanlagen treibt ein Verbrennungsmotor Wärmepumpe und Blockheizkraftwerk an, was eine flexible Anpassung an den jeweiligen Strom- und Wärmebedarf ermöglicht.

Wenn man einmal die Umweltaspekte der Elektrowärmepumpe betrachtet, so bietet sie gegenüber moderner Heizungstechnik (Brennwertkessel) keine signifikanten Vorteile bezüglich Emission von Schadstoffen. Durch den verstärkten Einsatz von Elektrowärmepumpen würden eher neue Stromkapazitäten erforderlich. Der Einsatz von Diesel- und insbesondere von Gaswärmepumpen bewirkt eine Reduzierung von Energieverbrauch und Schadstoffemissionen, wobei auch hier wieder Kosten durch eine Reduzierung der dort anfallenden Stickoxidemissionen durch Katalysatoren anfallen. Einen aktiven Beitrag zum Umweltschutz leisten Wärmepumpen, wenn sie, wie oben geschrieben, die Abwärme anderer Anlagen nutzen. Wärmepumpen können z.B. auch Flüssen, die durch Kraftwerke aufgeheizt sind, Wärme entziehen und diese dadurch entlasten. Sinnvoller ist hier jedoch eine direkte Nutzung der Abwärme vor Ort. Niedertemperaturwärme, die bei vielen Prozessen anfällt (warmes Abwasser), kann dagegen erst mit Hilfe von Wärmepumpen nutzbar gemacht werden.

2. Funktionsprinzip einer Wärmepumpe

Das Prinzip der Wärmepumpe entspricht dem Prinzip eines Kühlschrankes, an dessen Rückseite ebenfalls Wärme produziert wird. Der Kühlschrank kühlt einen kleinen, begrenzten Luftraum und erwärmt gleichzeitig einen aus Sicht des Kühlschrankes unendlichen Luftraum. Die Wärmepumpe kühlt umgekehrt nicht gezielt einen kleinen Luftraum, sondern eine aus Sicht einer Wärmepumpe unerschöpfliche Wärmequelle, die von der Kühlung durch die Wärmepumpe nicht beeinflusst wird (entsprechende Auslegung bei Erdsonden erforderlich), während sie gleichzeitig einen kleinen, begrenzten Luftraum erwärmt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Funktionsschema einer Wärmepumpe (Quelle: RWE-Handbuch)

Der Kreislauf einer typischen Wärmepumpe (Kompressionswärmepumpe mit Elektro-, Gas- oder Dieselantrieb) besteht aus Verdampfung, Verdichtung, Kondensation und Expansion eines Kältemittels (siehe Abb. 1). Dieses befindet sich im Verdampfer zunächst im flüssigen Zustand, wobei die Temperatur der umgebenden Wärmequelle höher ist als der Siedepunkt des Kältemittels bei niedrigem Druck. Dadurch bedingt findet eine Wärmeübertragung von der Wärmequelle auf das Kältemittel statt, wodurch dieses genügend Energie erhält, um zu verdampfen. Der Verdichter saugt den Kältemitteldampf kontinuierlich an, welcher beim Verdichten auf ein Mehrfaches verdichtet und dabei erhitzt wird. Er gibt die Wärme im Kondensator an den Wärmenutzer ab (z. B. Rücklauf der Heizung), wobei die Temperatur des Wärmenutzers unter der Verflüssigungstemperatur des Kältemitteldampfes bei hohem Druck liegt. Das nunmehr wieder flüssige Kältemittel verliert durch ein Expansionsventil soviel Druck und Temperatur, dass das Niveau wieder unter die Temperatur der Wärmequelle sinkt, so dass im Verdampfer wiederum Wärme aus der Wärmequelle aufgenommen werden kann.

Mit einer Wärmepumpe kann die Wärme der sonst nicht nutzbaren Wärmequellen Umgebungsluft, Grundwasser und Erdreich durch Zufuhr mechanischer Energie aufgewertet und auf eine höhere, nutzbare Temperatur gebracht werden. Die sinnvoll erreichbaren Warmwasservorlauftemperaturen betragen 55 bis 60 °C. Die zum Antrieb des Verdichters erforderliche Energie kann durch einen Elektro- oder einen Verbrennungsmotor geliefert werden.

Bei der Absorptionswärmepumpe macht man sich in Abweichung vom oben erläuterten Wärmepumpenprinzip den Effekt zunutze, dass bei der Absorption eines Kältemittels in einem Lösungsmittel Absorptionswärme frei wird, so dass auf die Erwärmung durch Verdichtung verzichtet werden kann. Eine Absorptionswärmepumpe kann durch verschiedene eingesetzte Kältemittel als ein- oder zweistufiges Verfahren ausgelegt werden mit der Option, Wärme auf verschiedenen Temperaturniveaus zur Verfügung zu stellen. Absorptionswärmepumpen sind für den privaten Gebrauch noch nicht geeignet.

[...]

Ende der Leseprobe aus 14 Seiten

Details

Titel
Die Wärmepumpe
Hochschule
Fachhochschule Trier - Hochschule für Wirtschaft, Technik und Gestaltung
Veranstaltung
Einführung in ingenieurmäßiges Arbeiten
Note
1,0
Autor
Jahr
2003
Seiten
14
Katalognummer
V23020
ISBN (eBook)
9783638262279
Dateigröße
673 KB
Sprache
Deutsch
Anmerkungen
Funktionsprinzip, Betriebsweisen, Wärmequellen
Schlagworte
Wärmepumpe, Einführung, Arbeiten
Arbeit zitieren
Kai Eiden (Autor:in), 2003, Die Wärmepumpe, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/23020

Kommentare

  • Noch keine Kommentare.
Blick ins Buch
Titel: Die Wärmepumpe



Ihre Arbeit hochladen

Ihre Hausarbeit / Abschlussarbeit:

- Publikation als eBook und Buch
- Hohes Honorar auf die Verkäufe
- Für Sie komplett kostenlos – mit ISBN
- Es dauert nur 5 Minuten
- Jede Arbeit findet Leser

Kostenlos Autor werden