Prinzip der Wärmepumpe Funktionsweise der Wärmepumpe

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