Prinzip der Wärmepumpe Funktionsweise der Wärmepumpe
Werbung
Ausbildung Fachbericht (Beschreibung/Skizze) Nr.:7 Woche: 28 Thema: Wärmepumpen Geothermische Energie oder Erdwärme ist die Wärmeenergie, die in der festen Erdoberfläche (Erdkruste) gespeichert ist. Der aus dem Inneren unseres Planeten aufströmende Wärmestrom wird aus dem Kern der Erde mit Temperaturen von 5000 - 6000 Grad C gespeist. Werden die Bodentemperaturen in Tiefen von mehr als 2 m gemessen, zeigt sich, dass diese den täglichen durch den Sonneinfluss bedingten Temperaturschwankungen nicht folgen. Das Speicherverhalten führt zu einer Bodentemperatur, die in unseren Breiten ca. 8 bis 12 °C beträgt. Die jahreszeitlich bedingten Durchschnittstemperaturen (Sommer/Winter) des Erdmantels werden bei Temperaturmessungen offensichtlich. Sie sind bodenstrukturabhängig (Sand, Erde, Fels) und bis in Tiefen von ca. 5 bis 12 m messbar. In tieferen Zonen ab 10 bis ca. 20 m sind annähernd konstante Temperaturen anzutreffen, die jedoch bereits 1 bis 2 °C über der durchschnittlichen Lufttemperatur des Erfassungsgebietes liegen und nicht mehr jahreszeitlichen Zyklen folgen. Felsenhöhlen in unseren Gebirgen halten je nach Lage Temperaturen zwischen 10 und 14 °C über das Jahr aufrecht. In tiefer gehenden Bergwerken lässt sich je 30 m Tiefe ein Temperaturanstieg von rund 1 °C feststellen. Dieser Anstieg ist dem geothermischen Wärmefluss aus dem Erdinnern zuzurechnen. Die heutige Wärmepumpentechnik ermöglicht die Nutzbarmachung dieser permanenten Energiequelle. Als Anlagensysteme, die in Verbindung mit einer Wärmepumpe zur Erdwärmenutzung eingesetzt werden, zählen: Grundwasserbrunnen (Entnahme/Rückführung), Erdwärmekollektoren (große Flächen) und Erdwärmesonden (Tiefenbohrungen). Die Entscheidung für ein bestimmtes System ist von den vorhandenen Untergrundverhältnissen (Fels, Sand u. a.), der hydrogeologischen Situation sowie den örtlichen Vorgaben wie Grundwasserschutz oder Stabilität der Erdkruste abhängig. Das Prinzip besteht darin, dem Grundwasser, dem Erdreich bzw. der Erdkruste oder der Außenluft die enthaltene Wärme zu entziehen und dem Heizkreis oder der Erwärmung des Warmwassers zuzuführen. Im Sommer kann die Wärmepumpe auch zum Kühlen verwendet werden, sofern sie die technische Voraussetzung mitbringt. Die Vorteile der Wärmepumpe sind: - auf primäre/sekundäre Brennstoffe kann verzichtet werden, - umweltfreundlich (kein CO2), - wirtschaftlich, - kein Heizraum erforderlich (Platzbedarf ca. 9 m2), - k ein Transport/Lagerung von Öl, Holz usw., - z ukunftsorientierte Technik, - n ahezu unerschöpfliche ortsnahe Energiereserve. Prinzip der Wärmepumpe Die Wärmepumpe ist ein Gerät, das die Temperatur des Arbeitsmediums von einem niedrigen Niveau mithilfe von Zusatzenergie (Strom) auf ein 12 höheres Temperaturniveau anhebt. Ein geeignetes Arbeitsmedium wird verdichtet und wieder entspannt. Dies ergibt den Wechsel von Wärmeaufnahme und -abgabe. Der Entzug der Wärme erfolgt aus - Grundwasser (Förderbrunnen/Schluckbrunnen), - Erdreich (Flächenkollektor oder Tiefensonde), - Außenluft. Funktionsweise der Wärmepumpe Für die Wärmeerzeugung wird der Umgebungsluft bzw. Sole auf niedrigem Temperaturniveau Wärme entzogen. Im Wärmepumpenkreislauf nimmt das Kältemittel diese Wärme auf. Wärmeabgabe (an Heizsystem) Sekundärseite Verflüssiger (3) Expansionsventil (4) (Flüssigphase) Verdichter (2) (Gasphase) Verdampfer (1) Primärseite Wärmezufuhr (Umwelt) Das flüssige Kältemittel (Arbeitsmedium) befindet sich bei geringem Druck im Verdampfer (1). Durch die Wärmeaufnahme erreicht es seine Siedetemperatur, die unter 0 °C liegt. Das Arbeitsmedium verdampft und entzieht dabei der Umgebung weitere Wärme. Der Verdichter (2) saugt das Arbeitsmedium aus dem Verdampfer ab und verdichtet es. Der ansteigende Druck hat eine Temperaturerhöhung zur Folge. ikz-praxis · Heft 7/2006 Ausbildung Fachbericht (Beschreibung/Skizze) Nr.: 7 Vom Verdichter gelangt der Dampf in den Verflüssiger (3), der vom Heizwasser umspült ist. Die aufgenommene Wärme sowie die durch das Verdichten zugeführte Energie werden an das Heizwasser abgegeben. Danach gelangt das Arbeitsmedium über das Expansionsventil (4) in den Verdampfer zurück. Es wird hierbei auf den niedrigen Druck entspannt und kühlt ab. Der Kreislauf beginnt von vorne. Je größer die Temperaturdifferenz des Kältemittels zum Medium der Wärmezufuhr ist, desto höher ist die Leistungszahl der Wärmepumpe. Heutige Wärmepumpen haben Leistungszahlen von 4 bis 6. Dies bedeutet, dass für die Einbringung von 1 kW der vier- bis sechsfache Ertrag (4 - 6 kW) möglich ist. Grundwasser Das Grundwasser wird über einen Förderbrunnen erschlossen und direkt über eine Wärmepumpe geleitet. Dort wird ihm die Wärme entzogen und in einem Schluckbrunnen dem Grundwasservorkommen wieder zugeführt. Es sind zwei Brunnen notwendig. Förder- und Schluckbrunnen müssen in ausreichendem Abstand voneinander in Grundwasserfließrichtung erstellt werden, um einen „Temperaturkurzschluss“ und eine damit verbundene Abnahme der Wärmeentzugsleistung zu verhindern. Die Merkmale sind: - sehr effektiv, da fast konstante Temperatur von ca. 8 - 11 °C, - daher hoher Wirkungsgrad, - Nutzung ganzjährig, - geringer Flächenbedarf, - genehmigungspflichtig, - chem. Analyse des Wassers notwendig, - Brunnenbohrung kostenintensiv. Erdreich (Kollektor) Großflächig verlegte Kunststoffrohre werden unter der Erdoberfläche in die oberste Erdschicht in Tiefen von ca. 1,2 bis 1,5 m eingegraben. Die einzelnen Rohrstränge, in denen die frostsichere Wärmeträgerflüssigkeit (Sole) zirkuliert, sollten nicht länger als 100 m sein. Alle Teilstrecken sollten die gleichen Durchströmungsbedingungen (hydraulischer Abgleich) erreichen, um so dem Boden die Wärme gleichmäßig zu entziehen. Die Rohrenden werden in höher gelegenen Vor- und Rücklaufsammlern (Verteiler) zusammengefasst und bilden zusammen den Kollektor. Die Flächen über den Kollektoren sollten nicht bebaut oder versiegelt werden. Steht keine ausreichend große Fläche zur Verfügung, können mithilfe einer Regenwasser-Versickerungsanlage spezielle Kollektoren, die künstlich feucht gehalten werden, eingebaut werden. Hierdurch steigt die Energiedichte und Wärmeleitfähigkeit des Bodens an. Die Merkmale sind: Heft 7/2006 · ikz-praxis Woche: 28 - hoher Wirkungsgrad, - Nutzung ganzjährig, - Absorber-Flächenbedarf, - Untergrund muss saugfähig sein. Erdreich-Kollektoren eignen sich für Neubauten mit ausreichenden Flächen. Erdreich (Tiefenbohrung) Bis zu einer Tiefe von 100 m werden eine oder mehrere Sonden durch Bohrungen in die Erdkruste eingebracht. Anschließend wird der Hohlraum zwischen den Sondenrohren und der Bohrungswand mit Füllstoff verpresst. Das in den Sonden zirkulierende Wasser-/FrostschutzmittelGemisch (Sole) nimmt die Wärme auf und gibt sie in der Wärmepumpe wieder. Die abgekühlte Sole wird erneut in den Kreislauf zurückgeführt. Die Merkmale sind: - hoher Wirkungsgrad, - Nutzung ganzjährig, - geringer Flächenbedarf, - genehmigungspflichtig, - Bohrungen kostenintensiv. Außenluft Die Außenluft wird zur Wärmegewinnung genutzt. Sie wird angesaugt, im Verdampfer der Wärmepumpe abgekühlt und wieder an die Umgebung abgegeben. Bis zu - 20 °C kann noch Wärme nutzbar gemacht werden. Es sind jedoch selbst für einen kleinen Wärmebedarf große Luftvolumen erforderlich (3000 bis 4000 m3/h). Die Zu- und Abluftführung zur Wärmepumpe erfolgt durch Kanäle oder Schläuche. Zur Abdeckung des Spitzenwärmebedarfes im Winter ist ein konventioneller Wärmeerzeuger als Zusatzheizung sinnvoll. Dies ergibt sich zwangsläufig aus niedrigen Lufttemperaturen bei steigendem Wärmebedarf. Die Merkmale sind: - geringer Aufwand, - Kondensatbildung beachten, - für Niedrigenergiehäuser ganzjährig nutzbar. Wärmerückgewinnung Die Wärmepumpe wird in Verbindung mit einer Anlage zur kontrollierten Wohnraumlüftung eingesetzt. Die Wärme, die vom Kreuzstromwärmetauscher nicht verwertet werden kann, wird aus der Abluft über die Wärmepumpe weiter entzogen und zur Erwärmung der Zuluft oder zur Trinkwassererwärmung genutzt. Literaturhinweise: Viessmann Werke GmbH, Allendorf Stiebel Eltron GmbH & Co. KG, Holzminden 13
