Was ist eigentlich eine Wärmepumpe

Wärmepumpen sind Maschinen, die Wärme von einem niedrigen Temperaturniveau unter Aufwand von Arbeit auf ein höheres Temperaturniveau transferieren. Bei der Umsetzung dieses Prozesses in der Wärmepumpe können verschiedene physikalische Effekte zum Einsatz kommen. Bei der oberflächennahen Geothermie finden meist Elektro - Kompressions - Wärmepumpen Verwendung, die den Effekt der Verdampfungswärme ausnutzen. Bei diesen Pumpen zirkuliert ein Kältemittel in einem Kreislauf, das die Aggregatzustände flüssig und gasförmig annimmt und dabei Energie auf bzw. abgibt. Um sich die Funktionsweise dieser Anlagen zu verdeutlichen, kann man auf das Funktionsprinzip eines Kühlschranks zurückgreifen – nur wird hier keine Kälte sondern Wärme abgegeben.

Die Elektro - Kompressions - Wärmepumpen stellen die am meisten verwendete Bauform dar. Der Aufbau einer solchen Pumpe ist recht einfach und die Pumpe kann aufgrund sehr grosser Stückzahlen kostengünstig produziert werden. In der Pumpe zirkuliert das Kältemittel in einem geschlossenem Kühlkreislauf. Das gasförmige Kältemittel wird zunächst durch einen Kompressor verdichtet. Im folgenden Wärmetauscher (Kondensator) kondensiert das Kältemittel unter Wärmeabgabe. Diese Energie wird an das Heizsystem abgegeben. Das nun flüssige Kältemittel wird durch eine Druckänderung expandiert und entspannt. Im zweiten Wärmetauscher (Verdampfer) wird es wieder unter Wärmeaufnahme in den gasförmigen Zustand überführt. Bei diesem Vorgang wird der Umgebung Wärme entzogen und auf das Kühlmittel übertragen. Selbst bei tiefen Temperaturen kann die Wärmepumpe der Umgebung noch Wärme entziehen und auf ein nutzbares Temperaturniveau anheben.

Die Leistungszahl

Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe ist umso grösser, je geringer die Temperaturdifferenz zwischen der Wärme aufnehmenden und abgebenden Seite ist. Auch die Lage der Temperaturdifferenz auf der Temperaturskala hat Einfluss auf den Wirkungsgrad einer Wärmepumpe.

Bei der Beurteilung der Leistungsbilanz einer Energieumwandlung spielt der Carnot - Wirkungsgrad eine tragende Rolle. Er beschreibt den Anteil der Wärmeenergie, der unter idealen Bedingungen aus mechanischer Energie gewonnen werden kann.

Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe wird durch ihre Leistungszahl beschrieben. Sie gibt das Verhältnis von abgegebener Heizleistung zu aufgewendeter elektrischer Antriebsleistung an. Eine Leistungszahl von 5 bedeutet, dass das Fünffache der eingesetzten elektrischen Leistung in nutzbare Wärmeleistung umgewandelt wird.

Ein kleines Beispiel:

Eine Wärmepumpe soll aus 10°C kaltem Wasser 40°C warmes Heizwasser für eine Niedertemperaturheizung erzeugen. Um die Widerstände in den Wärmetauschern überwinden zu können, muss die Pumpe 7°C kaltes Kältemittel erzeugen und dieses auf 42°C erwärmen.

 

Durch den Einsatz von 1 KWh Strom erhalten wir 9 KWh an Wärme auf einem Temperaturniveau von 42°C. Diese Betrachtung gilt für den idealisierten Fall.

In der Realität errreichen gute Wärmepumpen heute ca. 90% oder Besser des Carnotwirkungsgrades, hier also 8,1. Bei der Erzeugung von Strom aus Primärenergie und der späteren Verteilung über das Leitungsnetz entstehen erhebliche Verluste, so dass effektiv der Steckdose nur ca. 30% der im Kraftwerk eingesetzten Primärenergie entnommen werden kann.

Aus einer KWh aus der Steckdose erzeugt die Wärmepumpe 2,43 KWh Wärme auf einem Temperaturniveau von 42°C. Wie man aus der Formel ersehen kann, gilt die Leistungszahl für einen definierten Betriebspunkt und ändert sich permanent je nach Quellen und Heizungsvorlauftemperatur. Weiterhin werden andere Verbraucher wie Pumpen in diesem System nicht berücksichtigt.

COP - Wert

Dieser Wert beschreibt das Verhältnis von abgegebener Wärmeleistung zu aufgenommener Antriebsleistung unter definierten Prüfbedingungen und Messmethoden (DIN EN 255). In die Berechnung fliessen weiterhin die Verbraucher im System mit ein. Der Wert stellt eine Momentaufnahme des Systems dar, lässt aber eine engergetische Bewertung der Anlage nicht zu.

Jahresarbeitszahl

Dieser Wert beschreibt das Verhältnis von abgegebener Wärmeleistung zu aufgenommener Antriebsleistung über einen längeren Zeitraum hinweg. Auch werden die anderen Verbraucher im System berücksichtigt. Erst die Jahresarbeitszahl lässt  also nähere Aussagen über die energetische Bewertung einer Anlage zu. Heutige Anlagen erreichen eine Jahresarbeitszahl zwischen 2 und 4. Wesentlich höhere Herstellerangaben sollten kritisch hinterfragt werden.