Wärmepumpe
Die Wärmepumpe ist eine Kältemaschine, die Wärme von einem niedrigen Temperaturniveau unter Aufwand von Arbeit auf ein höheres Temperaturniveau transportiert. Es gibt verschiedene physikalische Effekte, die in einer Wärmepumpe Verwendung finden können: Temperaturerhöhung bei Kompression eines (nicht idealen) Gases (Joule-Thomson-Effekt), die Verdampfungswärme bei Wechsel des Aggregatzustandes (flüssig/gasförmig) und der Peltier-Effekt.Die Umkehrung dieses Prozesses findet in Wärmekraftmaschinen statt, bei der Wärme hoher Temperatur unter Gewinnung von Arbeit zu einem Wärmereservoir niedrigerer Temperatur transportiert wird. (siehe auch: Carnot-Prozess)
Weiteste Verbreitung findet die Wärmepumpe innerhalb von Kühl- und Gefriergeräten. Wärmepumpen werden jedoch auch zur Gebäudeheizung, Warmwasserbereitung und bei den verschiedensten industriellen Verfahren eingesetzt. Innerhalb eines Kühlschrankes wird dem Inneren Wärme entzogen und nach Außen abgegeben. Bei der Heizungs-Wärmepumpe wird die Wärme von einem äußeren Medium ins Innere des Gebäudes gepumpt.
Der Wirkungsgrad η einer Wärmepumpe, die zu Heiz-Zwecken eingesetzt wird, gibt die abgegebene Heizleistung im Vergleich zur aufgewendeten elektrischen Antriebsleistung an. Hierin wird jedoch nicht berücksichtigt, dass die elektrische Leistung unter Verlusten von ca. 65% aus Primärenergie (in Kraftwerken) erzeugt werden muss.
Ein Wirkungsgrad von 400 % bedeutet, dass das Vierfache der eingesetzten elektrischen Leistung in nutzbare Wärmeleistung umgewandelt wird.
Der Wirkungsgrad η aller Arten von Wärmepumpen ist begrenzt durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik:
Bauformen der Wärmepumpe
Theoretische Grenzen des Wirkungsgrades
Wegen der unterschiedlichen Definitionen des Wirkungsgrades gilt im Falle einer Kältemaschine (Kühlschrank):
Alle Temperaturen in Kelvin.
Heizungs-Wärmepumpen erreichen durch Verluste in sehr grober Näherung einen Wirkungsgrad von ca. 50 % der theoretischen Wirkungsgradgrenze. Für eine Kompressions-Wärmepumpe zur Beheizung eines Hauses (Sole 0 °C/Fußbodenheizung 35 °C) liegt dieser Wirkungsgrad bezogen auf die elektrische Antriebsenergie bei rund 440%. Durch Verluste bei der Stromerzeugung, liegt der Primärenergieaufwand, bezogen auf den heutigen deutschen Kraftwerkspark, bei rund 140 %.
Da Heizungs-Wärmepumpen unter wechselnden Lasten und Temperaturen arbeiten müssen, gibt man oft den Jahresdurchschnitts-Wirkungsgrad an. Dieser wird Jahresarbeitszahl JAZ genannt.
Der Marktanteil von Heizungswärmepumpen im Neubau ist landesspezifisch.
Im Jahr 2000 betrug er in Deutschland 2-3 %, in Schweden 95 %, und in der Schweiz 36 %.
Die Umweltverträglichkeit einer Heizungswärmepumpe hängt im Falle der Elektro-Kompressions-Wärmepumpe von der umweltverträglichen Bereitstellung des Stromes ab. Sie ist in Deutschland umstritten, da der Strom durch Kraftwerke erzeugt werden muß. In den skandinavischen Ländern steht hingegen schon heute regenerativ erzeugter Strom kostengünstig zur Verfügung.
Einteilung nach Art des Verfahrens:
Wärmepumpen in der Praxis
Laufende Kosten
Bei einem Strompreis von 11 Ct/kWh (Wärmepumpen-Tarif) und einem angenommen Wirkungsgrad einer Heizungs-Wärmepumpe von 400% kostet die Erzeugung einer kWh Niedertemperatur-Nutzwärme aus Erdwärme 2,75 Ct/kWh. Diese Kosten sind vergleichbar mit einer Ölheizung, bei einem Heizölpreis von 27,5 €/100Liter. Außerdem entfallen die Kosten für den Schornsteinfeger.Einteilung der Wärmepumpe nach verschiedenen Kriterien
Einteilung nach Art der Wärme bzw. Kälte-Quelle:
Einteilung nach Art der Wärme bzw. Kälte-Nutzung:
Historisches
Weblinks
Siehe auch
Wärmeleitung, Kältemaschine