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Wärmepumpe


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Die Wärmepumpe ist eine Maschine die Wärme von einem niedrigen Temperaturniveau durch Aufwand Arbeit auf ein höheres Temperaturniveau transportiert. Es verschiedene physikalische Effekte die in einer Wärmepumpe finden können: Temperaturerhöhung bei Kompression eines (nicht Gases ( Joule-Thomson-Effekt ) die Verdampfungswärme bei Wechsel des Aggregatzustandes (flüssig/gasförmig) und Peltier-Effekt .

Die Umkehrung dieses Prozesses findet in Wärmekraftmaschinen statt bei der Wärme hoher Temperatur unter Gewinnung von Arbeit zu einem Wärmereservoir niedrigerer Temperatur transportiert (siehe auch: Carnot-Prozess )

Weiteste Verbreitung findet die Wärmepumpe innerhalb Kühl- und Gefriergeräten. Wärmepumpen werden jedoch auch Gebäudeheizung Warmwasserbereitung und bei den verschiedensten industriellen eingesetzt. Innerhalb eines Kühlschrankes wird dem Inneren Wärme entzogen und Außen abgegeben. Bei der Heizungs-Wärmepumpe wird die von einem äußeren Medium ins Innere des gepumpt.

Inhaltsverzeichnis

Das Prinzip der Kompressions-Wärmepumpe

Die Kompressions-Wärmepumpe stellt die häufigste Bauform Wärmepumpe dar. Sie nutzt den pysikalischen Effekt Verdampfungswärme bei Wechsel des Aggregatzustandes (gasförmig/flüssig).

Ein Arbeitsmittel das sich in einem geschlossenen Kreislauf wird erfährt nacheinander verschiedene Aggregatszustandsänderungen. Das Arbeitsmittel zunächst durch einen Kompressor unter Druck und bei hoher Temperatur verflüssigt. Anschließend wird das an einer Düse entspannt. Dadurch wird das gasfömig unter Wärmeaufnahme bei niedriger Temperatur. Der kann nun von vorne beginnen. Der Prozess von Außen durch Zufuhr von mechanischer Arbeit den Kompressor in Gang gehalten werden.

Die Wärmepumpe wandelt so Wärme niedriger Temperatur (z.B. 5 °C) in Wärme hoher Temperatur (z. B. 30 °C) Zufuhr von Arbeit um.

Theoretische Grenzen des Wirkungsgrades


Der Wirkungsgrad η einer Wärmepumpe die zu Heiz-Zwecken wird gibt die abgegebene Heizleistung im Vergleich aufgewendeten Antriebsleistung an.

Ein Wirkungsgrad von 4 (bzw. 400 %) bedeutet das Vierfache der eingesetzten elektrischen Leistung in Wärmeleistung umgewandelt wird.

Der Wirkungsgrad η aller Arten von Wärmepumpen ist durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik :

 <math> \eta_{heizen} = \frac{\Delta Q_{warm}}{\Delta A} \frac{T_{warm}}{T_{warm}-T_{kalt}} = \frac{1}{\eta_{carnotprozess}} </math>  

Durch die unterschiedliche Definition des Wirkungsgrades im Falle einer Kältemaschine (Kühlschrank):

 <math> \eta_{kuehlen} = \frac{\Delta Q_{kalt}}{\Delta A} \frac{T_{kalt}}{T_{warm}-T_{kalt}} </math>  

Alle Temperaturen in Kelvin .

Wärmepumpen in der Praxis

Heizungs-Wärmepumpen erreichen durch Verluste in sehr Näherung einen Wirkungsgrad von ca. 50 % theoretischen Wirkungsgradgrenze. Für eine Heizungs-Wärmepumpe (Sole 0 35 °C) liegt dieser Wirkungsgrad dennoch bei 440 %.

Da Heizungs-Wärmepumpen unter wechselnden Lasten und arbeiten müssen gibt man oft den Jahresdurchschnitts-Wirkungsgrad Dieser wird Jahresarbeitszahl JAZ genannt.

Der Marktanteil von Heizungswärmepumpen im Neubau landesspezifisch. Im Jahr 2000 betrug er in 2-3 % in Schweden 95 % und der Schweiz 36 %.

Die Umweltverträglichkeit einer Heizungswärmepumpe hängt im der Elektro-Kompressions-Wärmepumpe von der umweltverträglichen Bereitstellung des ab. Sie ist in Deutschland umstritten da davon ausgegangen wird daß zusätzlicher Strom durch Kohlekraftwerke erzeugt werden müßte. In den skandinavischen steht hingegen schon heute regenerativ erzeugter Strom zur Verfügung.

Einteilung der Wärmepumpe nach verschiedenen Kriterien

Einteilung nach Art des Verfahrens:

Einteilung nach Art der Wärme bzw. Kälte-Quelle:

  • Außenluft
  • Innenluft
  • Grundwasser
  • Oberflächenwasser
  • Erdwärme
    • Erdwärmesonde
    • flächig verlegter Wärmetauscher
    • thermisch aktivierte Fundamente
  • Abwärme von industriellen Anlagen

Einteilung nach Art der Wärme bzw. Kälte-Nutzung:

  • Kühlen
  • Gefrieren
  • Warmwasser
  • Heizung
    • mit Fußbodenheizung
    • mit Heizkörpern / Radiatoren

Historisches

  • 1852 kannte der Engländer Lord Kelvin bereits das Prinzip einer Wärmepumpe
  • 1855 wird ein Wärmepumpen-ähnliches Verfahren in der Salinenindustrie eingesetzt.
  • 1938 Die erste große Wärmepumpenanlage zur Beheizung Gebäuden der Stadt Zürich ("Amtshäuser")
  • 1945 Die erste erdgekoppelte Wärmepumpe geht in USA in Betrieb
  • 1969 Erste erdgekoppelte Wärmepumpen mit horizontalem (Sole-) in Deutschland

Weblinks


Siehe auch: Kältemaschine .



Bücher zum Thema Wärmepumpe

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