Kategorie '07. Anlagentechnik':

Funktionsweise von Wärmepumpen

Datum: 22.01.2009 - Autor: Hans-Jörg Peter

Eine Wärmepumpe ist immer ein Teil einer vollständigen Heizanlage. Sie arbeitet nach dem Prinzip, Wärme für Heizzwecke zu erzeugen, indem sie das Temperaturniveau einer Wärmequelle anhebt. Die nutzbare Wärmeenergie ist dabei höher als die eingesetzte Antriebsenergie (Strom, Diesel oder Gas). Für die Wärmepumpen werden verschiedene Wärmequellen verwendet, wie: Luft, Wasser (Grundwasser, Oberflächenwasser sowie kommunale Abwässer) oder Erdwärme. Die Lebensdauer und die Investitionskosten für die Wärmepumpe sind von der Wärmequelle abhängig. Eingesetzt werden Wärmepumpen vor allem im Neubau. Ein effizienter Betrieb im Gebäudebestand ist prinzipiell genauso möglich, allerdings nur bei Gebäuden mit hohem Dämmstandard.

Die Funktionsweise der Wärmepumpe ist wie folgt: ein Kältemittel (Arbeitsmittel) wird in einem geschlossenen thermodynamischen Arbeitsprozess (Kreisprozess) über vier Funktionseinheiten (Verdampfer, Verdichter, Verflüssiger und Expansionsventil) geleitet und zwar unter permanenter Veränderung seines Aggregatzustandes. Im Verdampfer nimmt das flüssige Arbeitsmittel Wärme von der Umgebungswärme auf (da seine Verdampfungstemperatur unter dieser der Wärmequelle liegt), geht daher in gasförmigen Aggregatzustand über. Darauf erreicht das gasförmige Arbeitsmittel den Verdichter, in dem es (vom Anlagentyp abhängig) bis auf 12 bis 22 bar komprimiert wird und sich infolge dessen erwärmt. Durch den erhöhten Druck wird gleichzeitig der Kondensationspunkt auf eine sehr hohe Temperatur angehoben, wie diese für die Wärmeübertragung auf das jeweilige Heizmedium erforderlich ist (wie der Vorlauf einer Warmwasserheizung). Der erhitzte Arbeitsmitteldampf gelangt daraufhin in den Verflüssiger, in dem die Wärme nun als Nutzwärme an das jeweilige Heizmedium abgegeben wird, wobei das Arbeitsmittel kondensiert. Nun fließt das abgekühlte Arbeitsmittel zum Expansionsventil, wo es sich dank der Druckminderung weiter abkühlt, worauf es erneut in den Verdampfer gelangt.

Sind Wärmepumpen eine rentable Alternative?

Datum: 20.01.2009 - Autor: Hans-Jörg Peter

Heute stellt sich oft die Frage, ob Gebäude mit Wärmepumpen effektiv und günstig beheizt werden können. Im Gegensatz zu Gas-, Öl- oder Holzpelletheizungen benötigen Wärmepumpenanlagen weder Heizkessel noch fossile Brennstoffe. Lediglich elektrische Energie zum Betrieb der Verdichterpumpe und der Pumpen für den Heizkreislauf ist noch erforderlich. Um vorab eine Aussage über die Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpen zu bekommen, muss man verschiedene Werte betrachten.

Eine nicht unerhebliche Rolle spielt dabei die Temperaturdifferenz zwischen dem Medium, dem durch die Anlage Energie entzogen wird, und der gewünschten Vorlauftemperatur der Heizung. Mögliche Energiequellen sind die Umgebungsluft, das Grundwasser oder die Erdwärme. Erdwärme und Grundwasser sind dabei etwas ergiebiger als die Luft, erfordern jedoch auch einen wesentlich höheren Anlagenaufwand.

Einen ersten Eckwert über den Wirkungsgrad einer Wärmepumpe erfährt man mit ihrer Leistungszahl. Eine Leistungszahl von 4 sagt aus, dass die Pumpe viermal soviel Wärmeleistung liefert, wie sie an elektrischer Antriebsleistung verbraucht. Moderne Wärmepumpen erzielen Leistungszahlen von 2 bis 6.
Entscheidend für die Beurteilung der Effizienz ist allerdings ein anderer Wert, die Jahresarbeitszahl. Sie gibt das tatsächliche Verhältnis des Jahresertrages an Heizleistung zum Stromverbrauch der Anlage wieder. Heute lassen sich Jahresarbeitszahlen von etwa 2 bis 4,3 erzielen. Den Höchstwert von 4,3 erreicht man bisher nur mit Wasser als Energiequelle. Kommt die Wärme aus dem Erdreich, sind nur 3,8 zu erzielen und die Wärmequelle Umluft bringt eine höchste Jahresarbeitszahl von nur 3,3. Berücksichtigt man zudem noch den hohen Energieeinsatz bei der Stromerzeugung, rentiert sich eine Wärmepumpe erst ab einer Jahresarbeitszahl von 3,5.
Um solche Werte zu erreichen, sind allerdings optimale Voraussetzungen Grundbedingung.