Durch den Einsatz elektrisch betriebener „Wärmepumpen“ergibt sich die Möglichkeit, Umgebungswärme auf ein höheres Temperaturniveau zu transformieren, so dass es sich für Heizzwecke (z.B. bei Heizwassertemperaturenum +45°C) nutzen lässt. Bei Abkühlung von Erdreich mit Erdwärmekollektoren sind dabei Leistungsziffern um εk = 3 bis 4 erreichbar, das bedeutet, dass beispielsweise dem Erdreich mit dem Einsatz einer Kilowattstunde elektrischer Energie zwei Kilowattstunden in Form von Wärme entzogen werden kann und dass dem Heizungssystem zur Versorgung von Wärmeverbrauchern sodann 3 Kilowattstunden Wärme zur Verfügung stehen.
Insofern die Auslegung und der Einsatzort bei fachgerechter Planung dieses zulässt.
Funktionsprinzip einer Wärmepumpe
Wärmepumpenanlagen werden zur Abdeckung von Heizlastspitzen auch häufig mit zusätzlichen Heizkesseln kombiniert. Bei diesem so genannten„bivaltenten Heizbetrieb“ werden aus betriebswirtschaftlichen Überlegungen für die teurere Wärmepumpe hohe Betriebszeiten mit geringen Energiekosten angestrebt,wobei für die unvermeidbaren, aber selten auftretenden Heizlastspitzen eine Heizkesselanlage zugeschaltet wird, deren Betrieb jedoch mit höheren Kosten für den Energieträger verbunden ist. Für den Wärmepumpeneinsatz sind folgende Wärmequellen nutzbar:
- Erdwärme, wobei im Erdreich verlegte Kunststoffrohre als Wärmetauscher dienen in welchen eine kalte frostresistente Wärmeträgerflüssigkeit zirkuliert–, die das Erdreich abkühlt und dabei Erdwärme aufnimmt.
- Außenluft, die von Ventilatoren über Wärmetauscher geleitet wird – in welchen eine kalte frostresistente Wärmeträgerflüssigkeit zirkuliert –, welche die Außenluft abkühlt und dabei Wärme aufnimmt.
- Oberflächen- oder Grundwasser, das von Pumpen über Wärmetauscher geleitet wird – in welchen eine kalte frostresistente Wärmeträgerflüssigkeit zirkuliert –, welche das Oberflächen- oder Grundwasser abkühlt und dabei Wärme aufnimmt. Die Nutzung von Oberflächen- oder Grundwasser für den Wärmepumpeneinsatz bietet selten technische Probleme, erfordert jedoch meistens aufwändige wasserrechtliche Genehmigungsverfahren. Bei der Nutzung von Außenluft für den Wärmepumpeneinsatz können Funktionsstörungen auftreten, wenn Luftfeuchtigkeit im Wärmetauscher kondensiert und Eisbildung den Luftdurchtritt durch den Wärmetauscher behindert. Bei tiefen Außenlufttemperaturen ist außerdem mit geringen Leistungsziffern eines Wärmepumpenbetriebes zu rechnen, obwohl gerade dann der Heizwärmebedarf hoch ist.
Kompressionswärmepumpen:
Bei der Kompressionswärmepumpe handelt es sich meist um eine Kaltdampfkompressionsmaschine mit geschlossenem Kältemittelkreislauf und mechanischem Verdichter. Sie ist am Wärmepumpenmarkt am weitesten verbreitet.
Als Arbeitsmedium kommen Flüssigkeiten mit niedrigen Siedepunkten, wie z.B. das Kältemittel R122 oder Propan in Frage. Eine Reihe von Fluor- Chlor-Kohlenwasserstoffen (FCKW), die bis vor einigen Jahren in Kältemaschinen und Wärmepumpen verbreitet eingesetzt wurden, dürfen mittlerweile nicht mehr verwendet werden, da ihre schädlichen Wirkungen sowohl hinsichtlich des Ozonabbaues in der Erdatmosphäre als auch hinsichtlich der
Absorption langwelliger Strahlung (Treibhauseffekt) erkannt worden sind.
Der Kreisprozess ist aus dem lgp/h-Diagramm des jeweils als Arbeitsmedium verwendeten Kältemittels ersichtlich. Die dem Kreisprozess zu- bzw. abgeführten Energiemengen stellen sich als Differenzen der spezifischen Enthalpie auf der Abszisse des Diagramms dar. Die
Verdampfungstemperatur des Kältemittels im Verdampfer liegt,bedingt
durch den niedrigen Druck, unter der Temperatur der Wärmequelle.
Ein kleiner Teil der insgesamt abgegebenen Wärme wird hauptsächlich
über die heiße Rohrleitung zwischen Verdichter und Kondensator an die Umgebung abgeführt und ist somit nicht für die Heizung nutzbar.
Durch die Drosselung (Expansion) werden Druck und Temperatur des Kältemittels auf den Ausgangszustand abgesenkt. Dieser Vorgang ist nicht mit einem Energieaustausch verbunden. Als Verdichter werden, je nach Durchsatzleistung und Druckverhältnis,
Tauchkolben-, Drehkolben-, Schrauben- und Turbomaschinen eingesetzt.
Je nach Art des mechanischen Antriebs kann unterschieden werden nach
elektromotorischen und verbrennungsmotorischen Kompressionswärmepumpen.
Ebenfalls möglich, jedoch selten im Einsatz sind Dampfmotoren, Gas-,
Dampf- und Entspannungsturbinen.
Eine Regulierung der Leistung ist bei einer Kompressionswärmepumpe
nur möglich über eine Veränderung des Kältemitteldurchsatzes. Die hierfür
in erster Linie in Betracht kommende Veränderung der Verdichterdrehzahl
wird bei kleineren Elektro-Wärmepumpen aus Kostengründen nur vereinzelt
angewendet. Ansonsten wird die Wärmeerzeugung an den jeweiligen Bedarf
durch takt weisen Ein-Aus-Betrieb angepasst, wofür meist die Rücklauftemperatur
im Heizungssystem als Regelgröße dient. Je geringer der Wärmebedarf
der Heizungsanlage gerade ist, desto kürzer sind die Einschaltdauern
des Wärmepumpenantriebs. Dabei wirkt sich zusätzlich ungünstig aus, dass
bei diesen Teillastbedingungen normalerweise die Heizwassertemperaturen
niedriger und gleichzeitig die Wärmequellentemperaturen höher sind als im
Auslegungsfall des größten Wärmebedarfs. Dadurch vergrößern sich die
Wärmeflüsse in Verdampfer und Kondensator mit der Folge,dass die stationäre
Leistung der Wärmepumpe sogar größer ist als im Auslegungspunkt, so
dass die Einschaltdauern sich dadurch noch zusätzlich verkürzen.
Kurze Einschaltdauern wirken sich jedoch ungünstig auf die Lebensdauer des Aggregates aus. Dies ist mit ein Grund dafür, weshalb man Kompressions-Wärmepumpen
häufig mit einem Pufferspeicher im Heizwasserkreis ausstattet.
Des weiteren dient diese Maßnahme zur Vergleichmäßigung der Wärmelieferung
in die zu beheizenden Räume.
Bei der Thermokompressionswärmepumpe wird die Verdichtung des
Arbeitsmediums (Wasserdampf) durch Injektion eines Dampfstrahls von
hohem Druck bewirkt. Dieses System kommt hauptsächlich zur industriellen
Wärmerückgewinnung zum Einsatz und wird auch als Brüdenverdichtung
bezeichnet.
Absorptionswärmepumpe:
Die Absorptionswärmepumpe, besitzt ebenfalls einen geschlossenen Kältemittelkreislauf. Die Druckerhöhung des Kältemittels wird hier jedoch nicht in einem Verdichter bewerkstelligt,
sondern durch einen Lösungsmittelkreislauf. Die meist verwendete Stoffpaarung ist Ammoniak als Kältemittel und Wasser als Lösungsmittel.
Beide Kreisläufe werden durch die Pumpe umgewälzt, die im Gegensatz zum Verdichter der Kompressionswärmepumpe kein Gas verdichten muss, sondern nur die flüssige „reiche Lösung“ vom unteren auf das obere Druckniveau zu bringen hat. Der Energieverbrauch dieser Pumpe spielt für die Energiebilanz des Systems folglich keine nennenswerte Rolle.
Die den Prozess treibende Energie wird nämlich nicht in Form von mechanischer
Arbeit zugeführt, sondern in Form von Wärme im Austreiber. Dies kann mittels direkter Befeuerung, meist durch einen Gasbrenner geschehen, oder durch Wärmezufuhr auf relativ hohem Temperaturniveau,z. B. von einem Abwärmeträger. Mit dieser Energie wird das Kältemittel verdampft und somit aus der kochenden Lösung ausgetrieben. Die restlichen Teilprozesse des Kältemittels, nämlich die Kondensation unter Wärme abgabe im
Verflüssiger, die Drosselung im Drosselorgan und die Verdampfung
unter Wärmeaufnahme, sind prinzipiell gleich wie bei der Kompressionswärmepumpe.
Die aus dem Austreiber kommende „arme Lösung“ befindet sich auf Siedetemperatur und wird daher über einen Wärmeaustauscher geleitet, um die reiche Lösung vorzuwärmen. Anschließend wird die „arme Lösung“ ebenfalls über ein Drosselorgan geführt und geht danach in den Absorber. Dort wird der aus dem Verdampfer kommende Kältemitteldampf absorbiert,
wobei die Lösungswärme freigesetzt und ebenfalls an den zu beheizenden Wärmeträger abgegeben wird. Der Anlagenaufbau ist komplizierter als bei Kompressionswärmepumpen, allerdings weniger verschleißträchtig. Daher ist nach (VDI2067, Blatt 6) für die durchschnittliche Lebensdauer von Absorptionswärmepumpen ein Wert von 20 Jahren anzunehmen.
Es gibt ein- und mehrstufige Anlagen. Einstufige Absorptionsanlagen finden ihren Einsatz im Bereich hoher Abwärmetemperaturen (z.B. Prozesswärme mit Temperaturen von
150 bis 200 °C) und kleinen Temperaturspreizungen bis ca. 15 K sowohl der Wärmequelle als auch der Wärmesenke. Die Senkenaustrittstemperatur liegt im Bereich von 40 bis 60 °C,in einigen Fällen auch bei 90 °C . Mehrstufige Absorptionsanlagen werden bei großen
Temperaturspreizungen von Wärmequelle und Wärmesenke und großen
Schwankungen in der Wärmebereitstellung oder im Wärmebedarf eingesetzt.
Sie ermöglichen eine Senkenaustrittstemperatur bis zu 100°C.
Absorptionswärmepumpen werden derzeit im Leistungsbereich von 20 bis
40 kW in Serie gefertigt.
© Marc Husmann Nachdruck, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des Herausgebers.
