Grundlagen der Wärmepumpentechnik

Historie

2. Hauptsatz der Thermodynamik, erste Formulierung nach Rudolf Julius Emanuel Clausius (1822 - 1888):
„Wärme kann nicht ohne äußere Arbeitszufuhr von einem kälteren auf einen wärmeren Körper übergehen.“

Als Grundlage der Thermodynamik dienen die Betrachtungen des französischen Ingenieurs und Physikers Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796- 1832), als sogenannter Carnot- Kreisprozess.

Dieser rein theoretische Prozess gibt das Optimum an, das von keinem anderen Kreisprozess, bei dem sich das Arbeitsfluid zwischen den gleichen Arbeitstemperaturen bewegt, überstiegen werden kann. Der so ermittelte Carnot- Faktor gibt den Anteil der zugeführten Wärme an, der maximal in mechanische Arbeit umgewandelt wird.  Daran werden alle anderen Vergleichsprozesse z. B. o.g.  Clausius- Rankine- Prozess (Vergleichsprozess für das Dampfkraftwerk) oder auch der Otto- Prozess (Vergleichsprozess für den Ottomotor) gemessen.

Der Wärmepumpenprozess lässt sich als entgegengesetzten Clausius- Rankine- Kreisprozess beschreiben. Der Clausius- Rankine- Kreisprozess ist ein thermodynamischer Kreisprozess, benannt nach dem deutschen Physiker Rudolf Julius Emanuel Clausius (1822- 1888) und dem schottischen Ingenieur William John Macquorn Rankine (1820- 1872). Er dient als Vergleichsprozess für das Dampfkraftwerk in seiner einfachsten Ausführung mit Turbine, Kondensator, Kessel mit Überhitzer und Speisepumpe.

Technik
In Dampfkraftwerken muss zunächst mechanische Energie erzeugt werden, indem ein Arbeitsmittel (in der Regel Wasser, aber beispielsweise auch Ammoniak möglich) abwechselnd bei niedrigem Druck kondensiert und bei hohem Druck verdampft wird. Der Druck wird von der Speisepumpe durch Aufwand von Arbeit aufgebracht und in der Turbine unter Abgabe von Arbeit abgebaut. Das Arbeitsmittel wird in einem geschlossenen Kreislauf geführt. Des Weiteren wird über den Kessel dem Fluid Wärmeenergie zugeführt, um ein möglichst hohes Temperaturniveau zu erreichen, da der Nutzen (hier die erzeugte elektrische Energie) sich aus der Differenz der Entropie definiert. Der Aufwand (hier die Aufwendung von Primärenergie) entspricht der Differenz der Entropie.

Aus thermodynamischer Sicht wird bei den Kreisprozessen zwischen dem Links- und Rechtsprozess unterschieden:

Der Rechtsprozess wird definiert durch die Gewinnung von Arbeit durch Wärme, siehe Dampf- Kraft- Prozess nach Clausius- Rankine, findet Anwendung u.a. in Gas- und Dampfkraftwerken.

Der Linksprozess wird definiert durch die Gewinnung von Wärme aus Arbeit (entgegengesetzter Clausius- Rankine- Kreisprozess), entsprechender Einsatz in Kältemaschinen und Wärmepumpen.
Der Wärmepumpenprozess ist als Linksprozess anzusehen:

1 - 2: Verdichtung unter Zufuhr von elektrischer Leistung P_el
2 - 3: Kondensation und Wärmeabgabe (Q_c) auf hohem Temperatur- und Druckniveau
3 - 4 : Entspannung und Abkühlung der flüssigen Phase, wobei eine teilweise Verdampfung          erfolgt.
4 - 1: Verdampfung auf niedrigem Temperatur- und Druckniveau aufgrund Wärmezufuhr Q_0 aus Wärmequellen wie z. B. Erdsonden, Abwasser, Außenluft o. ä.

Beispiel eines Wärmepumpenprozesses, dargestellt im log- ph- Diagramm für Kältemittel 134a:

Anhand des Diagrammes wird das Funktionsprinzip deutlich. Die Wärmeaufnahme Q o  führt durch die Zuführung der elektrischen Leistung P_el zu einer höheren Wärmeabgabe Q c .
Somit kann mit einem niedrigen Temperaturniveau der Wärmequelle (z.B. 13°C, Abwasser) unter Einsatz elektrischer Energie ein höheres Temperaturniveau für den Verbraucher (z.B. Vorlauftemperatur Fußbodenheizung, 45°C) erreicht werden und somit zur Gebäudeheizung nutzbar gemacht werden.

Fazit

Einfach gesagt funktioniert eine Wärmepumpe im Prinzip wie der heimische Kühlschrank, nur mit dem Ziel, das Haus zu beheizen und nicht die Speisen zu kühlen.

In der Regel gibt ein Kühlschrank über die rückseitig angeordneten Kühlrippen die durch den Kühlprozess erzeugte Wärme ab.

Mit einer Wärmepumpe ist das Hauptziel mit der "warmen Seite" das Heizungs- und Trinkwasser zu erwärmen und mit der "kalten Seite" wird als Nebeneffekt die Umwelt (Umgebungsluft, Erdreich, Grundwasser, etc) gekühlt.

Quelle: Bundesverband Wärmepumpe e.V.

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