Wärmepumpen

Im vorangegangenen Artikel wurden Kältemaschinen beschrieben, die in der dort vorgestellten Ausführung auch als Kompressionswärmepumpen bezeichnet werden. Aufgrund ihrer technischen Wirkweise können derartige Kühlaggegrate somit auch als „umgekehrt“ funktionierende Wärmepumpen verstanden werden, bei der nicht die Wärme-, sondern die Kälteerzeugung bzw. -nutzung im Mittelpunkt ihrer physikalischen Anwendung steht. Das Prinzip der zugrunde liegenden konventionellen Wärmepumpe soll nun in diesem Beitrag skizziert werden.

Bei einer Wärmepumpe handelt es sich um ein verfahrenstechnisches Aggegrat, das thermische Energie von einer Stelle niedrigerer Temperatur an einen zu beheizenden Ort transportiert und dort durch den Prozess der Wärmeerzeugung in Form von Nutzwärme freisetzt. Um den kontinuierlichen Kreislauf des jeweils verwendeten speziellen Wärmemediums aufrecht zu erhalten, muss der Maschine stetig technische Arbeit zugeführt werden, beispielsweise mittels eines elektrisch oder durch Verbrennung von Erdgas betriebenen Motors. Dabei kann die von einer Wärmepumpenheizung der Umwelt entzogene Wärme aus der umgebenden Luft, dem Grund- / Oberflächenwasser oder aus dem Erdreich stammen.

Im Schaltbild besteht der Vorgang aus einem geschlossenen Kreisprozess, der sich im Wesentlichen zwischen einem Verdichter, einem Verflüssiger, einem Entspannungsventil (Drossel) und einem Verdampfer abspielt. Bei wechselweise unterschiedlichem Druck- und Temperaturniveau des Thermomittels werden seine beiden Aggregatzustände flüssig und gasförmig somit durch einen wiederkehrenden Ablauf von Verdichtung, Verflüssigung, Entspannung und Verdampfung erzielt. Dabei werden Druck und Temperatur durch die beiden Wärmeübertrager (Kondensator und Verdampfer) sowie durch die beiden Druckregler (Kompressor und Expansionsventil) eingestellt: der Unterdruck entspricht dem kalten, der Überdruck dem heißen Betriebszustand des Gases bzw. Fluids. Im Ergebnis des Gesamtvorgangs wird dadurch die Umgebungstemperatur – gemeinsam mit der aufgewendeten technischen Antriebsenergie für den oben genannten Motor zum Antrieb des meist drehzahlgeregelten Kolbenverdichters – an anderer Stelle auf ein höheres Temperaturniveau angehoben bzw. „gepumpt“; daher die Bezeichnung „Wärmepumpe“.

Wärmepumpen werden in der Regel als Raumheizungen eingesetzt, finden von ihrem funktionellen Prinzip her aber auch in der Kältetechnik Anwendung, so zum Beispiel in Form von Kältemaschinen. Für die herkömmliche Beheizung von Wohnräumen und Gebäuden wird dem Verdampfer Umweltwärme zugeführt, wo das Thermomittel verdampft und dadurch einen Großteil der prozessual benötigten Energie aufnimmt. Eine weitere Energiezufuhr erfährt das Arbeitsgas im anschließenden Verdichtungsvorgang, wo es auf Hochdruck und -temperatur komprimiert wird. Um gemäß des Hauptzwecks einer Wärmepumpe Nutzwärme bereit stellen zu können, wird das gasförmige Medium im Kondensatur nun wieder stark abgekühlt und verflüssigt, wodurch die vormals aufgenommene thermische Energie in den Heizungswasserkreislauf abgegeben wird (Wärmeabgabe). Ein weiterer Temperatur- und Druckabfall erfolgt im Rahmen der abschließenden Expansion, womit der Zyklus geschlossen ist und das Fluid im Verdampfungsprozess wieder Umweltenergie aufnehmen kann (Wärmezufuhr).

Als Wärme- bzw. Kältemittel kamen früher die im Kyoto-Protokoll infolge ihrer Schädigung der Ozonschicht sowie ihres Beitrags zum erderwärmenden Treibhauseffekt als umweltgefährdend erfassten Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) und Fluorkohlenwasserstoffe (FKW) zum Einsatz. Heute werden entweder reine Kohlenwasserstoffe oder anorganische Arbeitsgase / -fluide wie Ammoniak, Kohlenstoffdioxid oder Wasser verwendet. Die Effizienz einer Wärmepumpe wird in der thermischen Verfahrenstechnik mit Hilfe der Leistungs- oder Heizzahl COP (engl.: Coefficient Of Performance) angegeben und stellt das Verhältnis zwischen der in das Zielsystem abgeführten verwertbaren Nutzwärme und der dazu eingesetzten technischen Antriebsleistung dar, die mechanischer oder elektrischer Art sein kann.