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Wärmepumpen-Technologie

Wärme fließt auf natürliche Weise von einer höheren zu einer niedrigeren Temperatur. Wärmepumpen sind jedoch in der Lage, den Wärmestrom in die andere Richtung zu zwingen, indem sie eine relativ kleine Menge an hochwertiger Antriebsenergie (Strom, Kraftstoff oder Hochtemperatur-Abwärme) verwenden. So können Wärmepumpen Wärme aus natürlichen Wärmequellen in der Umgebung (z. B. Luft, Boden oder Wasser) oder aus künstlichen Wärmequellen (z. B. Industrie- oder Haushaltsabfälle) an ein Gebäude oder eine industrielle Anwendung übertragen. Wärmepumpen können auch zur Kühlung eingesetzt werden. Die Wärme wird dann in umgekehrter Richtung von der zu kühlenden Anwendung an die Umgebung mit einer höheren Temperatur übertragen. Manchmal wird die überschüssige Wärme aus der Kühlung genutzt, um einen gleichzeitigen Wärmebedarf zu decken.

Um Wärme von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke zu transportieren, wird externe Energie für den Antrieb der Wärmepumpe benötigt. Theoretisch ist die von der Wärmepumpe gelieferte Gesamtwärme gleich der der Wärmequelle entzogenen Wärme plus der zugeführten Antriebsenergie. Elektrisch betriebene Wärmepumpen für die Gebäudeheizung liefern in der Regel 100 kWh Wärme mit nur 20-40 kWh Strom. Viele industrielle Wärmepumpen können eine noch höhere Leistung erzielen und die gleiche Wärmemenge mit nur 3-10 kWh Strom liefern.

Da Wärmepumpen weniger Primärenergie verbrauchen als herkömmliche Heizsysteme, sind sie eine wichtige Technologie zur Verringerung umweltschädlicher Gasemissionen wie Kohlendioxid (CO2), Schwefeldioxid (SO2) und Stickoxide (NOx). Die Gesamtumweltauswirkungen von Elektrowärmepumpen hängen jedoch stark davon ab, wie der Strom erzeugt wird. Wärmepumpen, die mit Strom aus Wasserkraft oder erneuerbaren Energien betrieben werden, reduzieren die Emissionen stärker als solche, die in Kohle-, Öl- oder Gaskraftwerken erzeugt werden.

Die beiden wichtigsten Wärmepumpentypen
Fast alle derzeit in Betrieb befindlichen Wärmepumpen basieren entweder auf einem Dampfkompressions- oder auf einem Absorptionszyklus. Diese beiden Prinzipien werden in den folgenden beiden Abschnitten kurz erörtert.

Theoretisch kann das Wärmepumpen durch viele weitere thermodynamische Zyklen und Verfahren erreicht werden. Dazu gehören Stirling- und Vuilleumier-Zyklen, einphasige Zyklen (z. B. mit Luft, CO2 oder Edelgasen), Feststoff-Dampf-Sorptionssysteme, Hybridsysteme (insbesondere die Kombination von Dampfkompressions- und Absorptionszyklus) sowie elektromagnetische und akustische Verfahren. Einige dieser Verfahren kommen gerade auf den Markt oder haben die technische Reife erreicht und könnten in Zukunft eine wichtige Rolle spielen.

Dampfkompression
Die überwiegende Mehrheit der Wärmepumpen arbeitet nach dem Prinzip des Dampfkompressionszyklus. Die Hauptkomponenten eines solchen Wärmepumpensystems sind der Kompressor, das Expansionsventil und zwei Wärmetauscher, die als Verdampfer und Verflüssiger bezeichnet werden. Die Komponenten sind so miteinander verbunden, dass sie einen geschlossenen Kreislauf bilden, wie in Abbildung 1 dargestellt. Eine flüchtige Flüssigkeit, das so genannte Arbeitsmittel oder Kältemittel, zirkuliert durch die vier Komponenten.

Im Verdampfer wird die Temperatur der flüssigen Arbeitsflüssigkeit niedriger gehalten als die Temperatur der Wärmequelle, so dass Wärme von der Wärmequelle zur Flüssigkeit fließt und die Arbeitsflüssigkeit verdampft. Der Dampf aus dem Verdampfer wird auf einen höheren Druck und eine höhere Temperatur verdichtet. Der heiße Dampf gelangt dann in den Kondensator, wo er kondensiert und Nutzwärme abgibt. Schließlich wird das unter hohem Druck stehende Arbeitsmittel im Expansionsventil auf den Druck und die Temperatur des Verdampfers entspannt. Das Arbeitsmittel wird in seinen ursprünglichen Zustand zurückgeführt und gelangt erneut in den Verdampfer. Der Kompressor wird in der Regel von einem Elektromotor, manchmal auch von einem Verbrennungsmotor angetrieben.

Ein Elektromotor treibt den Kompressor (siehe Abbildung 1) mit sehr geringen Energieverlusten an. Die Gesamtenergieeffizienz der Wärmepumpe hängt stark davon ab, wie effizient der Strom erzeugt wird. Dies wird im Abschnitt über die Leistung der Wärmepumpe erörtert. ›››
Wenn der Kompressor von einem Gas- oder Dieselmotor angetrieben wird (siehe Abbildung 2), wird neben der Kondensatorwärme auch die Wärme des Kühlwassers und des Abgases genutzt.
Industrielle Dampfkompressions-Wärmepumpen verwenden häufig das Prozessmedium selbst als Arbeitsmedium in einem offenen Kreislauf. Diese Wärmepumpen werden im Allgemeinen als mechanische Brüdenkompressoren oder MVRs bezeichnet; siehe den Abschnitt über Wärmepumpen in der Industrie. ›››

Abbildung 1: Geschlossener Kreislauf, elektromotorisch angetriebene Dampfkompressionswärmepumpe

Figure 1: Closed cycle, electric-motor-driven vapour compression heat pump

Abbildung 2: Geschlossener Kreislauf, motorbetriebene Dampfkompressionswärmepumpe.

Figure 2: Closed cycle, engine-driven compression heat pump

Abbildung 3: Absorptionswärmepumpe

Figure 3: Absorption heat pump

Absorption
Absorptionswärmepumpen werden thermisch angetrieben, d. h. der Kreislauf wird durch Wärme und nicht durch mechanische Energie angetrieben. Absorptionswärmepumpen für die Raumklimatisierung werden häufig mit Gas befeuert, während Industrieanlagen in der Regel mit Hochdruckdampf oder Abwärme betrieben werden.

Absorptionssysteme nutzen die Fähigkeit von Flüssigkeiten oder Salzen, den Dampf der Arbeitsflüssigkeit zu absorbieren. Die häufigsten Arbeitspaare für Absorptionssysteme sind:

Wasser (Arbeitsmittel) und Lithiumbromid (Absorptionsmittel); und
Ammoniak (Arbeitsmittel) und Wasser (Absorptionsmittel).

In Absorptionssystemen wird die Verdichtung des Arbeitsmittels thermisch in einem Lösungskreislauf erreicht, der aus einem Absorber, einer Lösungspumpe, einem Generator und einem Expansionsventil besteht, wie in Abbildung 3 dargestellt. Der Niederdruckdampf aus dem Verdampfer wird im Absorptionsmittel absorbiert. Bei diesem Vorgang wird Wärme erzeugt. Die Lösung wird auf hohen Druck gepumpt und gelangt dann in den Generator, wo das Arbeitsmittel mit externer Wärmezufuhr bei hoher Temperatur abgekühlt wird. Das Arbeitsmittel (Dampf) wird im Kondensator kondensiert, während das Absorptionsmittel über das Expansionsventil in den Absorber zurückgeführt wird.

Die Wärme wird der Wärmequelle im Verdampfer entzogen. Die Nutzwärme wird bei mittlerer Temperatur im Kondensator und im Absorber abgegeben. Im Generator wird Hochtemperaturwärme zum Betrieb des Prozesses bereitgestellt. Für den Betrieb der Lösungspumpe kann eine geringe Menge Strom erforderlich sein.

Zu Wärmetransformatoren, die durch die gleichen Absorptionsprozesse Abwärme aufwerten können, ohne eine externe Wärmequelle zu benötigen, siehe den Abschnitt über Wärmepumpen in der Industrie.