Grundlagen von Wärmepumpen
Grundlagen und Technik der Wärmepumpe
Wärmepumpen: Die Wärmepumpe ermöglicht es, Wärme z.B. aus der Umgebung oder dem Untergrund durch den Einsatz mechanischer oder thermischer Antriebsenergie von einem niedrigen Temperaturniveau auf ein zum Heizen und zur Warmwasserbereitung nutzbares Niveau anzuheben.
Dieser Energieeinsatz ist notwendig, da die Wärme nicht von selbst von einem kälteren auf einen wärmeren Körper übergehen kann, sie fließt immer vom Körper hoher Temperatur zu einem Körper mit niedriger Temperatur ( Zweiter Hauptsatz der Wärmelehre ). Daher muss die Wärmepumpe die aufgenommene Wärmeenergie durch Einsatz hochwertiger Energie ( z.B. Strom ) auf ein zum Heizen notwendiges Temperaturniveau bringen.
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Dem Prinzip nach kann sie auch in umgekehrter Weise als Kältemaschine genutzt werden, wie es vom Kühlschrank her bekannt ist. Das Pumpen von thermischer Energie geschieht in einem geschlossenen Kreisprozess durch ständiges Ändern des Aggregatzustandes eines Arbeitsmittels.
Eine Wärmepumpen- Heizung besteht aus den Komponenten: Wärmequellenanlage (z. B. Erdwärmesonde, Kollektor, Luft), Wärmepumpe und Wärmenutzungsanlage
(z. B. Fußbodenheizung, Wandheizkörper ). Wird die Wärmenutzungsanlage durch die Wärmepumpe allein versorgt, spricht man von monovalenter Betriebsweise. Ist neben der Wärmepumpe noch ein weiterer Wärmeerzeuger in die Anlage eingebunden, spricht man von bivalenter Betriebsweise. Nutzt der weitere Wärmeerzeuger den gleichen Energieträger wie die Wärmepumpe, z. B. Strom oder Gas, dann arbeitet die Anlage monoenergetisch.
Grundsätzlich unterscheidet man Absorptions- und Kompressionswärmepumpen. Die größte Verbreitung in Verbindung mit Erdwärme hat die elektrisch betriebene Kompressionswärmepumpe, auch »Elektrowärmepumpe« genannt.
Gasbetriebene Kompressions- und Absorptionswärmepumpen arbeiten vor allem in Großanlagen wirtschaftlich.
Die Wärmepumpe arbeitet umso effizienter, je geringer die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmeverbraucher ist. Die Erdwärme mit ihrer relativ geringen, aber ganzjährig stabilen Durchschnittstemperatur wird daher am wirtschaftlichsten in Kombination mit einem Niedertemperatur-Heizsystem wie
z. B. der Fußbodenheizung genutzt.
Für die Warmwasserversorgung werden höhere Temperaturen bis ca. 65 °C benötigt. Hierfür kann die Wärmepumpe der Heizung direkt verwendet werden. Alternativ kann man auch eine zweite, kleinere Brauchwasser-Wärmepumpe integrieren.
Das Funktionsprinzip einer Wärmepumpe
Das Funktionsprinzip einer Wärmepumpe
Der Energietransfer in Wärmepumpen erfolgt als thermodynamischer Kreisprozess. Große Bedeutung hat dabei das Arbeitsmittel, das bei niedrigen Temperaturen unter Aufnahme bzw. Abgabe von Wärmeenergie seinen Aggregatzustand (flüssig/gasförmig) ändert. Der geschlossene Kreisprozess in einer Kompressionswärmepumpe ist wie folgt:
1 im Verdampfer nimmt das kalte flüssige Arbeitsmittel Energie aus der Wärmequelle Umwelt auf und verdampft;
2 der Kompressor verdichtet das dampfförmige Arbeitsmittel unter Verbrauch mechanischer bzw. elektrischer Energie und erhitzt es dadurch zu so genanntem Heißgas;
3 das Heißgas gibt im Kondensator seine thermische Energie an das Heizsystem ab und kondensiert zu warmem flüssigem Arbeitsmittel;
4 das warme flüssige Arbeitsmittel wird am Expansionsventil entspannt, wodurch seine Temperatur abrupt abnimmt. Im Verdampfer beginnt der Kreislauf von neuem.
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