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Engineered Thermal Sustainable Solutions

Wärmepumpen - Einleitung / Grundlagen

Geschichte und heutige Bedeutung der Wärmepumpe

Die theoretischen Grundlagen für die Technologie der Wärmepumpe wurden bereits Anfang des 19. Jahrhunderts u. a. durch Nicolas Carnot und Lord Kelvin gelegt. Ein Meilenstein war die technische Realisierung einer Wärmepumpe zur Salzgewinnung in der Saline Ebensee nach Ideen von Peter von Rittinger 1857. Nachdem Carl von Linde bereits 1871 die Grundlagen für die mechanischen Kaltdampf-Kompressions-Kälteanlagen gelegt hatte, sind Wärmepumpen in den verschiedensten Anwendungen etabliert. Neben der Bereitstellung von Prozesswärme in industriellen Anlagen hat die Wärmepumpe sich heute als eine wesentliche Technologie zur Erzeugung von Heizwärme und Warmwasser etabliert. Die Anteil der Wärmepumpe am Heizungsmarkt  (Anzahl der verkauften Wärmeerzeuger pro Jahr, Quelle: BDH: Bundesverband der Deutschen Heizungsindustrie) beträgt derzeit ca. 10%, im Neubau sogar über 30 % (Quelle:  BWP: Bundesverband Wärmepumpe). Im Jahr 2017 wurden in Deutschland erstmalig deutlich über 70.000 Heizungswärmepumpen verkauft, davon ca. 55 Tausend Luft / Wasserwärmepumpen und 13 Tausend Sole / Wasserwärmepumpen (Quelle: BWP: Bundesverband Wärmepumpe).

 

Endenergieverbrauch im Haushalt 2016Energieverbrauch im Haushalt 2016, Quelle: AGEB-Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen und RWI – Leibniz-Institut für Wirtschaftsforschung e.V, eigene Hochrechnung ETSuS

 

 

Im Haushaltssektor wird die meiste Energie für die Wärmeerzeugung genutzt (siehe Abbildung). Die Wärmepumpe ist daher nach gängiger Expertenmeinung eine der Schlüsseltechnologien zum Gelingen der Energiewende. Gründe hierfür sind zum einen die hohen Anteile an Umweltenergie, die direkt zum Heizen verwendet werden, hinzu kommt die Eignung der Wärmepumpe zur Nutzung regenerativ erzeugter elektrischer Energie aus PV (Photovoltaik) und Windenergie.

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Wärmepumpen - Definition, Aufbau und Funktionsweise

Wärmepumpen sind Geräte bzw. Systeme oder Anlagen, die Energie bei niedriger Temperatur aus einer Wärmequelle aufnehmen, diese mittels eines thermodynamischen Prozesses unter Aufwendung von Hilfsenergie (Antriebsenergie) auf ein höheres Temperaturniveau transformieren und Energie bei höherer Temperatur an eine Wärmequelle (Wärmeverteilsystem) abgeben. Die Anlagen sind idealerweise für die Nutzung der warmen Energie optimiert.

Diese Funktionsweise einer Wärmpumpe ist schematisch in der nebenstehenden Grafik dargestellt.

Funktionsweise einer (Heizungs)-WärmepumpeFunktionsweise einer (Heizungs)-Wärmepumpe (Quelle: Bundesverband Wärmepumpe (BWP) e.V.)

Prinzipiell können als Wärmequelle beliebige Medien gewählt werden, in der praktischen Anwendung sind dies für Heizungswärmepumpen entweder die Umgebungsluft, das Erdreich oder Wasser. Die Wärmeabgabe erfolgt entweder an ein Sekundärmedium (Wasser oder Sole) für den Heizkreislauf oder direkt an die Luft. In industriellen und gewerblichen Anwendungen wird häufig auch Abwärme genutzt, die wiederum zur Heizung oder als Prozesswärme genutzt wird. Dabei handelt es sich zu überwiegendem Teil um elektrisch angetriebene Wärmepumpen, die nach dem Prinzip der Kaltdampf-Kompressions-Kälteanlage arbeiten.

 

Eine solche Wärmepumpe besteht aus den folgende Hauptbestandteilen:

  • dem Kältemittel, das als Arbeitsstoff (-fluid) im Inneren des geschlossenen Systems für den Energietransport genutzt wird (die Auswahl des richtigen Kältemittels bestimmt wesentlich die grundsätzliche Eignung der Wärmepumpe für den jeweiligen Anwendungsfall)
  • dem Verdampfer, in dem das Kältemittel bei niedrigem Druck und niedriger Temperatur verdampft wird und dabei die Energie (Wärme) aus der Wärmequelle aufnimmt,
  • dem Verdichter, der das Kältemittel unter Aufwendung der (elektrischen) Antriebsenergie im Kreislauf fördert,
  • dem Verflüssiger, in dem das Kältemittel verflüssigt wird und unter hohem Druck und bei hoher Temperatur die Wärme (die Summe aus der aufgenommen Umweltenergie und der Antriebsenergie  abzüglich der Verluste) an die Wärmesenke (z.B. das Heizsystem im Wohngebäude) abgibt,
  • dem Expansionsorgan, das das Kältemittel vom hohen Druck auf den niedrigen Druck entspannt,
  • Regel- und Sicherheitseinrichtungen,
  • ggf. hydraulische Komponenten wie Pumpen, Speicher, Ausdehnungsgefäße etc.,
  • weiteren Komponenten je nach Bauart der Wärmepumpe (z. B. Ventilatoren bei Nutzung der Wärmequelle Luft),
  • ggf. einem zweiten Wärmerzeuger (üblicherweise ein elektrischer Heizstab), der die Betriebssicherheit der Wärmepumpe sicher stellt,
  • ggf. Sekundärfluide wie Sole und Wasser, die die Wärmequellenanlage bzw. das Wärmeverteilsystem mit der Wärmepumpe verbinden.
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    Wärmepumpen Einteilung/ Kategorien

    Wärmepumpen können anhand verschiedener Kriterien eingeteilt werden. Wesentliche Unterscheidungsmerkmale sind:

    • die verwendeten Wärmequellen (z.B. Luft, Wasser, Sole),
    • die Antriebsenergie (z. B. mechanisch, elektrisch oder thermisch),
    • die Anwendung (z. B. Heizung, Brauchwasser, Prozesswärme, Sonderanwendungen wie Wärmepumpentrockner oder Hochtemperaturwärmepumpen),
    • das Einsatzgebiet (z. B. Haushalt, Gewerbe oder Industrie),
    • die Bauform der Wärmepumpe (z. B. Monoblock-Wärmepumpen, Split-Wärmepumpen, Kompaktwärmepumpen).
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