Wärmepumpen Funktionsprinzip

von

Kompressions-Wärmepumpe mit Elektroantrieb, z.B. Luftwärmepumpe
Andere Funktionsweisen und Bauarten von Wärmepumpen werden unter Komponenten bzw. unter Bauarten+Eignung beschrieben.

In der Wärmepumpe durchläuft ein Kältemittel im Kreislauf vier Baugruppen:

  • Verdampfer
  • Verdichter
  • Verflüssiger
  • Ausdehnungsventil

Das Kältemittel hat einen extrem niedrigen Siedepunkt und ist das Arbeitsmittel. Es ist Träger der Wärmeenergie, es nimmt sie auf, transportiert sie und gibt sie ab.

Funktionsverlauf und Kältemittel-Kreislauf in der Luft-Wärmepumpe

WärmepumpeDer Verdampfer ist ein Wärme(aus)tauscher. Er wird von Luft umströmt, meistens von der Außenluft, die ein Elektrolüfter zuführt. Das flüssige Kältemittel im Verdampferinneren entzieht der Luft die Wärmeenergie, wird dadurch gasförmig und verdampft in Richtung Verdichter.
Der Verdichter ist ein elektromotorisch angetriebener Kompressor. Durch seine Arbeit der Verdichtung und Beförderung gelangt das gasförmige Kältemittel auf ein wesentlich höheres Temperaturniveau und strömt zum Verflüssiger.
Der Verflüssiger, Kondensor genannt, ist auch ein Wärmetauscher. Dem gasförmigen und heißen Kältemittel in seinem Inneren ermöglicht er, die Wärmeenergie an das vorbeiströmende Medium, je nach System  Heizwasser oder Heizluft, abzugeben. Das Kältemittel kühlt ab und kondensiert, es verflüssigt sich und strömt zum Ausdehnungsventil.
Das Ausdehnungsventil, auch als Entspannungs- oder Expansionsventil bezeichnet, dient dem kontrollierten Entspannen des Kältemittels. Das expandiert und fließt zum Verdampfer. Dort beginnt der Kreislauf des Kältemittels erneut.
Die Antriebsenergie dieser Luftwärmepumpe ist elektrische Energie aus der häuslichen Stromversorgung. Mit 25% elektrischer Energie wird aus der Wärmeenergie der Luft durch den Kreisprozess der Luftwärmepumpe 100% Heizleistung.

Kreisprozeß der Wärmepumpe, Carnot-Kreisprozeß

Der Carnot-Kreisprozeß und seine technische Nutzung wurde bereits auf der StartseiteWärmepumpen-Infos in Entwicklungsgeschichte (1824 Carnot, 1852 Kelvin, u.a.) als das thermodynamische Grundprinzip der Wärmepumpen-Funktion erwähnt.
Der Carnot-Kreisprozeß beschreibt sowohl die Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit (Wärmekraftmaschinen) wie auch die umgekehrte Richtung (Wärmepumpen bzw. Kältemaschinen). In einem periodisch arbeitenden Kreisprozeß erreicht ein Arbeitsmedium (Gas bzw. Kältemittel) nach vier Zustandsänderungen wieder den ursprünglichen Zustand.
Bei der Wärmepumpe (bzw. Kältemaschine) folgen im Kreisprozeß auf zwei Kompressionen zwei Entspannungen. Es wird Energie durch mechanische Arbeit zugeführt (Verdichter) und in Wärme(energie) umgewandelt, gemeinsam mit der größeren Menge an aufgenommener Umgebungs-Wärme(energie) auf auf ein höheres Temperaturniveau gepumpt und abgegeben.
Die Darstellung dieses thermodynamischen Kreisprozesses ergibt im p-V-Diagramm einen geschlossenen Kurvenzug. Wird der Kurvenzug rechtsherum (rechtsdrehend) durchlaufen, entspricht die eingeschlossene Fläche der abgegebenen Arbeit (Wärmekraftmaschine). Bei entgegengesetztem Durchlaufen der Kurve, also linksdrehend, entspricht die Fläche der aufgenommenen Arbeit (Wärmepumpe bzw. Kältemaschine). Dieser Linksprozeß wird als linksdrehender Carnot-Kreisprozeß bezeichnet.
Über folgende Links zu Wikipedia finden Sie weitere Erläuterungen, Grafiken und Diagramme: Carnot-Kreisprozess, Thermodynamischer Kreisprozess.
Die Wärmepumpe als technische Realisierung des linksdrehenden Carnot-Prozesses: In schematischen Darstellungen des technischen Wärmepumpen-Prozesses(z.B. in den obigen Grafik-Links) werden die Anordnung der vier Baugruppen einer Wärmepumpe und damit der Funktionsverlauf und der Kreislauf des Kältemittels leider meist im Uhrzeigersinn angezeigt.

  1. Der Wärmequelle (Luft, Erdreich, Wasser, Abwärme) wird durch das Verdampfen der Kältemittelflüssigkeit (Arbeitsmittel) bei konstanter Temperatur und niedrigem Druck Wärme entzogen. Die Temperatur der Wärmequelle ist höher als die Siedetemperatur des Kältemittels bei diesem niedrigen Druck. Das Temperaturgefälle bewirkt den Wärmeübergang. Es kommt zum Sieden und Verdampfen des Arbeitsmittels Kältemittel. Die nötige Verdampfungswärme wird der Wärmequelle entzogen und dem Verdampfer zugeführt.
  2. Der entstandene Kältemitteldampf wird laufend vom Verdichter, dem Kompressor, aus dem Verdampfer abgesaugt und verdichtet. An dieser Stelle des Kreisprozesses wird dem System von außen hochwertige Energie, Strom zum Antrieb des elektrischen Kompressors, zugeführt. Dadurch steigen Druck und Temperatur des Kältemitteldampfes, er wird auf ein höheres Temperaturniveau „gepumpt“. Dazu wird die der Wärmequelle entzogene Energie um die Energie des Verdichterantriebs erhöht.
  3. Der hochtemperierte Kältemitteldampf gelangt in den Verflüssiger, einen Wärmetauscher, der z.B. von Heizwasser und gleichzeitig von Kältemitteldampf durchströmt wird. Der Dampf kondensiert bei konstanter Temperatur und gibt seine Wärme ans Wasser ab. Die Wärme aufnehmende Seite, hier das Heizwasser, wird als Wärmesenke bezeichnet. Ihre Temperatur ist stets niedriger als die Verflüssigungstemperatur des Kältemittels.
  4. Über ein Drosselorgang, das Expansionsventil, wird das Kältemittelkondensat als wieder verflüssigtes Kältemittel vom hohen Druck des Verflüssigers entspannt. Es fließt mit niedrigem Druck und niedriger Temperatur zurück in den Verdampfer, wodurch der Kreislauf geschlossen wird. Kreislauf und Kreisprozeß beginnen den Zyklus erneut.

Funktionelle Verbindungen der Wärmepumpen Luft Erde Wasser

Der geschlossene Kreislauf benötigt zur Funktion des Kreisprozesses folgende Verbindungen nach außen:
• Wärmequelle wie Außenluft, Abluft, Erdreich, Grund- oder Oberflächenwasser, Abwasser
• Wärmesenke wie Heizwasser, Luftheizung, Warmwasser, Fernwärme, Prozeßwärme
• Antriebsenergie als Strom, Gas oder Diesel zum Antrieb des mechanischen Verdichters (Kompressionswärmepumpe mit Elektromotor oder Verbrennungsmotor) oder als Wärme (Abwärme oder Direktbeheizung mit Öl- oder Gasbrenner) bei Sorptionswärmepumpen.

Funktionsbedingte Vorteile der Wärmepumpe, Bewertungszahlen

Wärmepumpen ermöglichen zur Beheizung die Gewinnung, Verwertung und Verwendung sonst nicht nutzbarer Umgebungswärme, z.B Außen- oder Abluft, durch Temperaturanhebung im Kreisprozeß, also überwiegend die in Erde, Wasser und Luft gespeichterte Sonnenenergie. Die notwendige, dem Kreisprozeß zugeführte Antriebsenergie (s.o.) ist nur ungefähr ein Viertel der gesamten Energie, die als Heizwärme geliefert wird. Das heißt, daß durch den Einsatz der Wärmepumpe nur ein Bruchteil der Heizwärme zu bezahlen ist, Energie eingespart wird und Umwelt, Klima und Resourcen geschont werden.
Die Wirksamkeit der elektrischen Wärmepumpe wird durch die Leistungszahl COP  (Coeffizient Of Performance) beschrieben, die stets erheblich größer als 1 ist, weil COP = Heizleistung/Leistungsaufnahme ist. Die Leistungszahl COP ist das Verhältnis von nutzbarer Wärmeleistung zur aufgenommenen Antriebsleistung des Kompressors und gilt nur für einen bestimmten Betriebspunkt.
Über ein Jahr oder eine Heizperiode betrachtet wird das auf die Gesamtheizanlage bezogene Verhältnis als Arbeitszahl bezeichnet. Die Jahresarbeitszahl JAZ, englisch SPF (Seasonal Performance Factor) erfaßt die gesamte Wärmepumpenanlage. Leistungszahlen (COP) sind Labormeßwerte der Hersteller und ermöglichen den Vergleich unterschiedlicher Modelle und Fabrikate von Wärmepumpen. Arbeitszahlen sind die realen Werte der verschiedenen Gesamtanlagen. Weitere Angaben hierzu finden Sie unter Luft/Wasser-Wärmepumpe bzw. unter Luft/Luft-Wärmepumpe.

Bei konventionellen Wärmeerzeugern (Öl, Gas u.a.) ist das Verhältnis der Heizleistung zur Leistungsaufnahme stets unter 1 oder maximal 1 und heißt Wirkungsgrad oder Nutzungsgrad.
Wärmepumpen mit Gas- oder Dieselmotor-Kompressor werden statt mit der Leistungszahl mit der Heizzahl bewertet, die das Verhältnis von Nutzwärmeleistung zur Brennstoffleistung angibt. Ebenso wird bei Absorptionswärmepumpen verfahren.
Die Aufwandszahl e gibt den Aufwand an nicht erneuerbarer Engerie wieder und dient der Bewertung unterschiedlicher Heiztechniken. Bei der elektrisch betriebenen Wärmepumpe benötigt primär der Verdichter diesen Aufwand. Hier ist die Aufwandszahl der Kehrwert der Jahresarbeitszahl, daraus folgt bei JAZ = 4 ist e = 0,25 und bedeutet 4 Einheiten Heizwärme aus 3 Einheiten Umweltenergie und 1 Einheit Antriebsenergie, und nur die ist zu bezahlen.
Die Leistungszahlen aller Wärmepumpen sind hauptsächlich abhängig vom Temperatur- unterschied zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke, z.B. Außenluft und Heizwasser. Leistungszahl und Heizleistung sind umso größer je kleiner die Temperaturdifferenz ist, anders ausgedrückt je kleiner das Temperaturintervall zum Hochpumpen der Wärme auf das höhere Temperaturniveau ist. Neben dieser Naturgesetzeinwirkung spielt auch die Konstruktion der Wärmepumpe bei Leistung und Leistungszahl eine Rolle. Der Energiebedarf von Antrieb und Hilfsantrieben wirkt sich ebenso auf die Leistungszahl aus wie elektrische, mechanische und thermische Verluste.
Die theoretische, maximale Leistungszahl des Carnot-Kreisprozesses wird deshalb im Realen von Erd- und Wasser-Wärmepumpen etwa zur Hälfte und von Luft-Wärmepumpen circa zu einem Drittel erreicht. Letzteres hat seine Ursache in der bei Heizbedarf meistens niedrigeren Quellentemperatur Außenluft gegenüber Erdreich oder Wasser. Wegen dieser geringeren energetischen Qualität ist besonders auf niedrige Temperaturen der Wärmesenke zu achten. Flächenstrahlungsheizung mit 30 – 35°C Heizwasservorlauf-Temperatur bzw. Luftheizung mit 30 – 35°C Lufteinströmung-Temperatur sind hier optimal.

Die bei vielen Wärmepumpen erreichbaren Wärmesenke-Temperaturen von 55, 60 oder 65°C sind, abhängig von der Wärmequellen-Temperatur, mit höherer Leistungs- und Stromaufnahme verbunden.