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Prinzip der Wärmepunpe
Die Wärmepumpe wandelt Wärme niedriger Temperatur (auch im Winter bei weit unter 0°C) in Wärme hoher Temperatur um. Dies geschieht durch einen geschlossenen Kreisprozeß durch ständiges Ändern des Aggregatzustandes des Arbeitsmittels (Verdampfen, Komprimieren, Verflüssigen, Expandieren). Genauso entzieht z.B. auch der Kühlschrank seinem Inneren die Wärme - und gibt diese dann nach außen ab.
Die Wärmepumpe entzieht der Umgebung des Hauses - Erdreich, Wasser oder Luft - gespeicherte Sonnenwärme und gibt diese plus der Antriebsenergie in Form von Wärme an den Heiz- und Warmwasserkreislauf ab.
Leistungszahl
e = Heizleistung / Antriebsleistung = (Umweltenergie + Antriebsleistung) / Antriebsleistung
Die Leistungszahl e gibt die abgegebene Heizleistung im Vergleich zur aufgewendeten Antriebsleistung an.
Eine Leistungszahl von 4 bedeutet daher, daß das Vierfache der eingesetzten elektrischen Leistung in nutzbare Wärmeleistung umgewandelt wird. Die Leistungszahl ist ein Momentanwert.
Die im Laufe einer gesamten Heizperiode gelieferte Nutzenergie im Verhältnis zu der zugeführten elektrischen Antriebsenergie ergibt die Jahresarbeitszahl. Weiters kann zwischen der Wärmepumpen-Arbeitszahl und der (gesamt) Anlagen-Arbeitszahl unterschieden werden.
Carnot-Prozeß
Der Wärmepumpen-Kreisprozeß folgt im wesentlichen dem (idealen) Carnot-Prozeß, rückwärtslaufend (Kraftwärmemaschine).
Damit können wir die Leistungszahl auch über die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle (Verdampfer) und Wärmenutzungsanlage (Kondensator) berechnen:
ec = T / (T - Tu) = T / DT
ec
= Leistungszahl nach Carnot
Tu = Temperatur der Umgebung aus der die Wärme aufgenommen
wird
T = Temperatur der Umgebung an die die Wärme abgegeben wird
DT = Temperaturdifferenz zwischen warmer und kalter Seite
Eine Darstellung der während des Carnot-Prozesses durchlaufenen Werte der Variablen T und S (Entropie) sieht wie folgt aus:
Abb.: T-S Diagramm. Die Kurve besteht aus zwei Adiabaten (S = const) und zwei Isothermen (T = const)
Von Umwelt aufgenommene Energie: Fläche a
Antriebsenergie Kompressor: Fläche b
Gesamte abgegebene Energie: Fläche a + b
S = Entropie = Energieinhalt
4 - 1: verdampfen
1 - 2: verdichten (Temperaturhub)
2 - 3: kondensieren
3 - 4: expandieren
Beispiel:
Tu = 0°C = 273 K, T = 50°C = 323 K
ec = T / (T - Tu) = 323 / 323-273 = 6,46
Ideale Prozesse sind nicht möglich. Die Leistungszahlen für den tatsächlichen Wärmepumpenprozeß also inklusive Verluste, werden daher geringer sein. Aufgrund der thermischen, mechanischen und elektrischen Verluste sowie des Energiebedarfs der Hilfsantriebe ist die effektiv erreichte Leistungszahl e kleiner als ec.
Für Überschlagsrechnungen kann e gleich 0,5 x ec gesetzt werden.
Temperaturhub bestimmt Leistungszahl
In jedem Fall ist die Leistungszahl von der Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und der Wärmeverteilung abhängig: Je geringer dieser "Temperaturhub" ausfällt, um so wirtschaftlicher arbeitet jede Wärmepumpe. Daher ist die optimale Planung der Gesamtanlage so bedeutend.
Arbeitsmittel
Als Arbeitsmittel (Kältemittel) werden Stoffe, welche bei niedrigen Temperaturen verdampfen und gleichzeitig eine hohe innere Wärme besitzen, verwendet. Im kommenden Jahrtausend sind nur chlorfreie Arbeitsmittel zugelassen. Diese haben keinerlei ozonschädigende Auswirkung (ODP = 0). R 134 a, R 407 C, und Propan erfüllen diese Bedingungen.
Wir verwendet serienmäßig R 134 a und R 407 C. Diese beiden Sicherheitsarbeitsmittel sind unbrennbar und ungiftig. Das damit verwendete Esther-ÖI ist biologisch abbaubar. Das heißt problemlose Aufstellung in beliebigen Räumen. Bei Wärmepumpen mit brennbaren Arbeitsmitteln hingegen gelten Einschränkungen und Aufstellungsrichtlinien.
Die in Erde, Luft und Wasser gespeicherte Sonnenenergie erreicht nur ein geringes, für Heizzwecke nicht unmittelbar nutzbares Temperaturniveau.
Die Wärmepumpe kann diese unerschöpfliche Energiequelle für Heizzwecke nutzbar machen.
Sie "pumpt" Wärme aus der Umwelt auf ein höheres Temperaturniveau das voll ausreicht um damit zu heizen und warmes Wasser zu bereiten. Das geschieht innerhalb eines geschlossenen Kreislaufes mit Hilfe eines Arbeitsmittels, das zwischen Verdampfer, Kompressor und Absorber zirkuliert.
Die Funktionsweise ist ähnlich wie bei einem Kühlschrank, nur umgekehrt: statt Kälte wird Wärme geliefert.
Jedes Ein- oder Mehrfamilienhaus kann mit Hilfe der Wärmepumpe energiesparand und umweltfreundlich beheizt werden. ohne eine Zusatzheizung !
Ein wichtiger Bestandteil der Wärmepumpen- Heizungsanlage ist die Wärmequelle. Über die Wärmepumpe wird Umweltwärme aus dem Erdreich, der Luft oder dem Grundwasser zum Beheizen der Wohnung nutzbar gemacht.
Die Temperatur dieser Wärmequelle hat einen grossen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der gesamten Heizungsanlage. Die Heizungs- Wärmepumpe gewinnt aus einer Kilowattstunde elektrischer Energie ein mehrfaches an Heizwärme.
In verbindung mit einem Niedertemperaturverteilungssystems, z. B. einer Fussbodenheizung, erreichen Heizungs- Wärmepumpen, die das Erdreich als Wärmequelle nutzen, Jahresarbeitszahlen von vier und mehr.
Das heisst, drei Viertel der Jahresenergie stammen aus gespeicherter Sonnenwärme und nur ein Viertel aus der elektrischen Antriebsenergie.