Kompressionswärmepumpen mit mechanischem Antrieb (Motor)
Luftwärmepumpen mit Elektromotor u.a. wurden bereits unter Funktionsprinzip und auf der Seite Komponenten beschrieben. Im Wohnhausbereich und insbesondere bei Ein- und Zweifamilienhäusern sind elektrische Kompressions-Wärmepumpen die zur Zeit geeignetsten und am häufigsten anzutreffenden Wärmepumpenarten. Dazu gehören die beiden Systeme Luft/Wasser- und Luft/Luft-Wärmepumpen. Luft/Wasser-Systeme werden entweder als Außengeräte, Innengeräte oder Splitgeräte mit Außen- und Inneneinheit angeboten.
Bei einigen aus der japanischen Klimatechnik kommenden Gerätefabrikaten besteht das kompakte Innenteil platzsparend nur aus der Kondensoreinheit und wird als Hydraulikmodul, Hydrobox oder Hydro-Kit bezeichnet.Luft/Luft-Wärmepumpen sind Splitgeräte. Es gibt spezielle Kompaktgeräte für die Beheizung, Lüftung und ggf. Warmwasserbereitung im Niedrigenergiehaus. Luft-Wärmepumpen sind in vielen Varianten für alle Einsatzbereiche bei Wohnhäusern verfügbar und bestens geeignet, Heizenergie umweltfreundlich und vor allem kostensenkend einzusparen. Das Gesamtsystem aus Wärmepumpe und Heizung wird Wärmepumpenanlage genannt, definiert im unteren Bereich der SeiteSysteme+Systematik.
Absorptionswärmepumpen mit thermischem Antrieb (Heizquelle)
Gas-Absorptionswärmepumpen werden zunehmend auch für den Einsatz im Wohngebäudebereich serienreif und interessant. Erdgas wird benötigt, um mit seiner Verbrennungswärme den Verdichter der Wärmepumpe zu betreiben.
Absorptionswärmepumpen funktionieren prinzipiell genauso wie Kompressionswärmepumpen. In einem Verdampfer wird vom Kältemittel die Umgebungswärme, z.B. der Außenluft, auf niedrigem Temperaturniveau aufgenommen, im Verdichter auf ein höheres Temperaturniveau gepumpt, im Kondensor abgegeben und über ein Expansionsventil zum Verdampfer zurückgeführt. Die Art des Verdichters ist allerdings völlig verschieden.
In der Kompressionswärmepumpe wird ein motorangetriebener mechanischer Verdichter eingesetzt, der den Kältemitteldampf auf Kondensationsdruck verdichtet.
In der Absorptionswärmepumpe wird ein wärmebetriebener thermischer Verdichterverwendet, der quasi von externer Wärme angetrieben die gleiche Verdichtungsarbeit leistet. Dieser Verdichter hat einen inneren Lösungsmittelkreislauf.
Der thermische Verdichter besteht aus den verschiedenen Komponenten Absorber, Lösungspumpe, Austreiber, Drosselventil und einem Arbeitsmedium im inneren Kreislauf des Verdichters. Dieses Arbeitsmedium, das Lösungsmittel, bildet mit dem Kältemittel der Wärmepumpe ein Stoffpaar, z.B. Lösungsmittel Wasser und Kältemittel Ammoniak. Das Kältemittel wird im Lösungsmittel vollständig gelöst und durchläuft sodie Verdichter-Bauteile Absorber, Lösungspumpe und Austreiber, ansonsten ist der Kältemittelkreislauf in der Wärmepumpe analog dem bei den bereits vorgestellten Kompressionswärmepumpen. Nachstehend folgt die Beschreibung der Verdichterkomponenten.
Verdichterkomponenten-Beschreibung
Absorber
Im Absorber wird der einströmende, aus dem Verdampfer kommende Kältemitteldampf durch ein Lösungsmittel absorbiert, das Lösungsmittel ist dann mit Kältemittel angereichert. Die bei diesem Vorgang bereits freigesetzte Wärme wird für Heizzwecke genutzt.
Lösungsmittelpumpe (Lösungspumpe)
Mit der Lösungsmittelpumpe wird das im Absorber mit Kältemittel konzentriert angereicherte Lösungsmittel auf den höheren Verflüssigungsdruck im Austreiber gepumpt. Die mechanische Antriebsleistung zum Pumpen der Flüssigkeit benötigt relativ wenig Energie. Daher ist die Stromaufnahme der Lösungsmittelpumpe sehr klein im Vergleich mit der eines Verdichters in einer Kompressionswärmepumpe von gleicher Heizleistung.
Austreiber (Kocher, Generator)
Im Austreiber werden Lösungsmittel und Kältemittel wieder getrennt. Dazu ist die Zufuhr von Wärme auf einem höheren Temperaturniveau erforderlich. Die im Austreiber notwendige Wärmeenergie ist somit die eigentliche Antriebsenergie der Absorptionswärmepumpe. Diese Energie muß durch Verbrennung, hier z.B. von Erdgas, oder in Form von hochtemperierter Abwärme z.B. aus industriellen Prozessen zugeführt werden. Das ausgetriebene Kältemittel strömt dadurch mit hohem Druck und hoher Temperatur vom Austreiber in den Kondensor.
Drosselventil (Druckreduzierventil)
Das Lösungsmittel fließt aus dem Austreiber wieder zurück in den Absorber, wobei der Druck im Drosselventil auf den Absorberdruck reduziert wird. Der Kreislauf des Lösungsmittels im Verdichter ist geschlossen und beginnt erneut mit der Absorption des Kältemitteldampfes.
Die Diffusions-Absorptionswärmepumpe ist eine besondere gasbeheizte Bauart der Absorptionswärmepumpe. Sie arbeitet ebenfalls mit dem Stoffpaar Ammoniak und Wasser. Zusätzlich dient Helium als Hilfsgas, und durch Nutzung der freien Konvektion hat sie keine bewegten Teile, ist nahezu geräuschlos und wartungsfrei. Die DAWP wird gemeinsam mit einem herkömmlichen Gas-Wärmeerzeuger eingesetzt und spart jährlich bis zur Hälfte des Gasverbrauchs ein. Sie ist noch nicht im Markt etabliert.
Adsorptionswärmepumpe
Die Adsorptionswärmepumpe nutzt im Gegensatz zur Absorption kein Lösungsmittel, sondern einen Feststoff, z.B. Zeolith, um das Kältemittel kurze Zeit anzulagern und bei Wärmezufuhr durch einen Erdgasbrenner wieder abzugeben. Zum kontinuierlichen Betrieb hat sie zwei Adsorptions-Zeolith-Module, die in drei Kreisläufen arbeiten. Der Grad ihrer Primärenergie- Nutzung liegt bei 135 %, aber zur Wohnhausbeheizung ist sie noch nicht serienreif.
Vuilleumier-Wärmepumpe
Die Vuilleumier-Wärmepumpe arbeitet im thermodynamischen Kreisprozeß benannt nach R.Vuilleumier (1918) in einem linksdrehenden Gas-Kreisprozeß ähnlich dem Stirling-Prozeß. Sie benutzt das Arbeitsgas Helium als Kältemittel und hat zwei thermische Verdichter. Auch sie wird mit Wärme durch einen Erdgasbrenner angetrieben. Die Vuilleumier-Wärmepumpe erzielt Primärenergie-Nutzungsgrade bis zu 165 %, wird aber wegen hoher technischer Ansprüche und wegen der entsprechendhohen Kosten bisher kaum im Heizungsbereich verwendet.
Eignung der Wärmepumpen-Bauarten zur Wohnhausbeheizung
Die Gas-Absorptionswärmepumpe ist sehr leise und praktisch fast wartungsfrei. Sie kommt aber in den kleinen Leistungsgrößen für Ein- und Zweifamilienhäuser noch nicht ganz an die Leistungszahlen der Gasmotor-Kompressionswärmepumpe heran und ist als Luftwärmepumpe nicht unbedingt ideal (weil Luftwärmepumpen wegen der im Winter niedrigeren Temperaturen der Außenluft gegenüber anderen Wärmequellen sowieso schon nicht die Leistungszahlen von Erd- oder Wasser-Wärmepumpen erreichen).
Die Gasmotor-Kompressionswärmepumpe verlangt wesentlich mehr Wartung durch ihren Verbrennungsmotor und hat hier im Wohnhausbereich einige Nachteile, die auf der Seite Komponenten unter 2.2 Der Kompressormotor bereits beschrieben wurden.
Die elektrische Kompressionswärmepumpe dürfte zur Zeit bei den Wärmepumpen für Ein- und Zweifamilienhäuser in den meisten Fällen und häufig auch für größere Wohnhäuser die richtige Entscheidung sein. Die Auswahl an Luft/Wasser- und Luft/Luft-Wärmepumpen ist ähnlich groß wie bei Erd-Wärmepumpen und bei Wasser-Wärmepumpen. Zahlreiche gute Fabrikate und sehr viele Modelle mit unterschiedlichsten Bauweisen, Einsatzmöglichkeiten, Vertriebswegen und Montage- und Serviceangeboten sind in jeder Leistungsgröße und in mehreren Preisklassen auf dem Markt