Funktion einer elektrischen (Kompressions

punktw i ssen
Ingenieurbüro für Technische Physik - Erneuerbare Energien, Wärmepumpensysteme
Funktion einer elektrischen Wärmepumpe
Beschreibung der grundsätzlichen Funktion einer elektrischen (Kompressions-)Wärmepumpe. Abhängigkeit der
Leistungsparameter von Wärmequellentemperatur und Vorlauftemperatur. Warmwasserbereitung und akive/passive Kühlung mit
der Wärmepumpe.
Es gibt unterschiedliche Typen von elektrischen Wärmepumpen, die sich nur dadurch unterscheiden, wie sie
der Umwelt Wärme entziehen (welche Wärmequelle sie nutzen) und wie sie diese Wärme wieder an den
Heizkreis abgeben.
Unabhängig davon ist die prinzipielle Funktion der Wärmepumpe immer gleich.
Durch Wärmeaufnahme von der Wärmequelle (Umwelt) wird im Verdampfer (1) ein Kältemittel verdampft und
zusätzlich geringfügig erwärmt. Der Kompressor (2), der den Kältemittelkreislauf antreibt, verdichtet das
Kältemittel, das sich dadurch stark erhitzt.
Im Kondensator (3) gibt das Kältemittel die Wärme an den Heizkreis ab und kondensiert dadurch. Das
abgekühlte, aber immer noch unter hohem Druck stehende Kältemittel durchläuft dann ein Drosselventil (4).
Dadurch fällt der Druck stark ab und die Temperatur sinkt unter die Temperatur der Wärmequelle. Damit
kann im Verdampfer wieder Wärme aus der Wärmequelle aufgenommen werden und der Kreisprozess
beginnt von vorne.
P.Elektrisch
Kompressor
Verdampfer
1
2
Wärme
Nutzung
P.Heizung
P.Kälte
Wärme
Quelle
4
T.Vorlauf
3
Kondensator
DrosselVentil
T.Quelle
Zum Betrieb der Wärmepumpe wird eine im Vergleich zur Heizleistung (P.Heizung) geringe elektrische
Leistung (P.Elektrisch) benötigt, um aus der Umwelt die sogenannte Entzugsleistung oder Kälteleistung (P.Kälte)
zu gewinnen. Die nutzbare Wärmeleistung (P.Heizung) ergibt sich aus der Summe der eingesetzten
elektrischen Leistung und der Entzugsleistung:
𝑃. 𝐻𝑒𝑖𝑧𝑢𝑛𝑔 = 𝑃. 𝐸𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑖𝑠𝑐ℎ + 𝑃. 𝐾ä𝑙𝑡𝑒
Die Effizienz dieses Prozesses wird durch die Leistungszahl (LZ) der Wärmepumpe bestimmt:
𝐿𝑍 =
𝑃. 𝐻𝑒𝑖𝑧𝑢𝑛𝑔
𝑃. 𝐸𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑖𝑠𝑐ℎ
Die Leistungszahl ist das Verhältnis von gewonnener Wärmeleistung (P.Heizung) zu eingesetzter elektrischer
Leistung (P.Elektrisch) für den Antrieb des Kompressors. Summiert man die gesamte über ein Jahr gewonnene
Wärmeenergie und setzt sie ins Verhältnis zur gesamten benötigten elektrischen Energie (für Wärmepumpe
und Zusatzaggregate wie z.B. Solepumpe) ergibt das die sogenannte Jahresarbeitszahl (JAZ).
𝐽𝐴𝑍 =
𝑁𝑢𝑡𝑧𝑏𝑎𝑟𝑒 𝑊ä𝑟𝑚𝑒𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒
𝐸𝑖𝑛𝑔𝑒𝑠𝑒𝑡𝑧𝑡𝑒 𝐸𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑖𝑠𝑐ℎ𝑒 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 (𝑊ä𝑟𝑚𝑒𝑝𝑢𝑚𝑝𝑒 + 𝑍𝑢𝑠𝑎𝑡𝑧𝑎𝑔𝑔𝑟𝑒𝑔𝑎𝑡𝑒)
Die Leistungszahl einer Wärmepumpe ist ebenso wie die Heizleistung keine fixe Größe, sondern hängt
wesentlich von der Eintrittstemperatur der Wärmequelle (T.Quelle) und der Vorlauftemperatur (T.Vorlauf) ab.
Ein typischer Verlauf von Heizleistung und Leistungszahl in Abhängigkeit von der Vorlauftemperatur und der
Wärmequellentemperatur ist in den untenstehenden Diagrammen dargestellt. Es handelt sich dabei um
Daten einer kommerziellen Sole-Wasser Wärmepumpe.
Stand: 04.02.2016
Arbeitergasse 24, 7012 Zagersdorf, Österreich, http://punktwissen.at, [email protected]
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Für den effizienten Einsatz von Wärmepumpen (= hohe Leistungszahl) muss daher
(1) die Vorlauftemperatur niedrig gehalten werden (Stichwort: 'Flächenheizung') und
(2) die Wärmequelle so gewählt / dimensioniert werden, dass sie die notwendige Entzugsleistung (P.Kälte)
dauerhaft liefern kann und dabei nicht zu stark abkühlt.
Warmwasserbereitung mit der Wärmepumpe
Die Warmwasserbereitung erfordert eine relative hohe Vorlauftemperatur, während die Heizung (je nach
Heizsystem) mit geringeren Vorlauftemperaturen auskommt. Daher werden die Kreise für Warmwasser und
Heizung oft schon in der Wärmepumpe über ein 3-WEGE-VENTIL (2) getrennt.
Wärmepumpe
Heizkreis Rücklauf
Warmwasser Rücklauf
Warmwasser Vorlauf
2
Pumpe
Wärme
Quelle
Heizkreis Vorlauf
3-WegeVentil
1
Durch beide Kreise fließt Heizungswasser, das mit derselben Heizkreispumpe (1) umgewälzt wird. Im
Normalbetrieb versorgt die Wärmepumpe den Heizkreis (niedrige Vorlauftemperatur, optimale Leistungszahl). Nur wenn die Temperatur im Warmwasserspeicher unter den Vorgabewert sinkt, wird durch die
Regelung das 3-Wege-Ventil (2) kurzzeitig auf Warmwasserbereitung umgeschaltet (hohe Vorlauftemperatur,
schlechtere Leistungszahl).
Dadurch erreicht man im Durchschnitt eine deutlich bessere Jahresarbeitszahl, als wenn man die Wärmepumpe durchgehend bei einer hohen (sowohl für Heizung als auch für Warmwasserbereitung geeigneten)
Vorlauftemperatur betreibt.
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Kühlung mit der Wärmepumpe
Beim Passiven Kühlen ist der eigentliche Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe außer Betrieb. Die Wärmequelle wird zur 'Kältequelle' und muss dazu eine Temperatur haben, die deutlich geringer ist, als die Raumtemperatur. Bei entsprechender Stellung der Umschaltventile (4) und (5) fördert die Heizkreispumpe (1) warmes
Wasser aus der Heizungsanlage und die Wärmequellenpumpe (3) kühle Sole aus der Wärmequelle durch einen
Wärmetauscher (2).
Heizkreis Rücklauf
5
Wärmequelle =
Kältequelle
1
Heizkreis
Vorlauf
4
Pumpe
3
Pumpe
2
Wärmetauscher
Dadurch wird das Heizungswasser abgekühlt und die Wärmequelle erwärmt. Damit dem Raum über diese
Methode Wärme entzogen werden kann, ist eine Flächenheizung (Fußboden- oder Wandheizung) Voraussetzung. Über die Steuerung muss die Luftfeuchtigkeit im Raum überwacht werden, damit es zu keiner
Taubildung kommt.
Beim Aktiven Kühlen wird der Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe über den Einbau zusätzlicher
Umschaltventile (1) und eines zusätzlichen Drosselventils (2) umgedreht. Der Kondensator (4), der im Heizbetrieb
Wärme abgibt, wird dadurch im Kühlbetrieb zum Verdampfer (3), der Wärme aufnimmt. Wie beim passiven
Kühlen wird die Wärmequelle dadurch erwärmt.
Aktiv Kühlen
Heizen
3
4
3
4
1
Kondensator
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2
1
Verdampfer
Verdampfer
2
Kondensator
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