„Entdecken Sie den Energieschatz in Ihrem Vorgarten!“(Slogan einer Marketinginitiative für Erdwärmepumpen)

1. Welche natürlichen

Wärmespeicher gibt es?

2. Kann mit Wärme

geringerer Temperatur eine

Umgebung höherer

Temperatur beheizt werden?

3. Begriff der Wärmepumpe

und Funktion im Detail4.

Wärmepumpenmodell5.

Effizienzbetrachtung

6. Aktueller Stand & Ausblick

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Quelle: www.bine.info

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Erdreich

7 – 12 °C(ca. 15m Tiefe)

Oberflächenwasser

möglichst > 8 °C

Grundwasser

> 8 – 12°C

Luft

möglichst > 2 – 7 °C

Gespeicherte Sonnenenergie

Welche natürlichen Wärmespeicher gibt es?

Vorteile

Unerschöpfliche Energiequellen

Kontinuierliche Verfügbarkeit

Keine laufenden Energiekosten

. . .

Nachteile

Hohe Kosten einer entsprechenden Anlage

. . .

Zum Heizen werden jedoch wesentlich höhere Temperaturen benötigt (mind. 35 °C Heizungsvorlauf für z.B. eine Fußbodenheizung) !

Lediglich Wärme auf niedrigem Temperaturniveau verfügbar

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Kann mit Wärme geringer Temperatur eine Umgebung höherer Temperatur beheizt werden?

?Q+T2,Quelle

T1,Haus , T1 > T2

Nach dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik fließt ein Wärmestrom stets von einem System höherer Temperatur in Richtung eines Systems niederer Temperatur, sodass sich die Temperaturen beider Systeme angleichen.

W

!

Skizze: Wärmepumpe

Umgebung (Wärmequelle)Niedriges Temperaturniveau

Hohes TemperaturniveauZur Umkehrung dieser Fließrichtung muss das kältere System mit T2 (die Umgebung) noch weiter abgekühlt werden, sodass ihm Wärme entzogen werden kann. Anschließend wird die gewonnene Wärme mittels eines Kompressors unter Zufuhr von Arbeit auf ein höheres Temperaturniveau T1 angehoben, sodass diese Wärme höherer Temperatur schließlich an ein Heizsystem abgegeben werden kann.Eine solche Anlage ist eine Wärmepumpe.

Als „Wärmeträger“ wird hierbei ein sog. Arbeitsmedium, konkret ein reales Gas verwendet.

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Das Prinzip der Wärmepumpe im Detail

T1, Q1

Kältemittelkreislauf

Im sogenannten Kältekreislauf zirkuliert als Arbeitsmedium ein Kältemittel, das zur Wärmeübertragung dient. Dieses ist bei normalen Druck- und Temperatur-bedingungen flüssig und besitzt einen sehr niedrigen Siedepunkt. Werden Druck und Temperatur erhöht, geht das Kältemittel in den gasförmigen Aggregatszustand über.

Verdampfer

Als Energiequelle dient hier z.B. Luft mit einer Temperatur von 7 °C.Sie durchströmt einen Verdampfer, der von -2 °C kaltem Kältemittel durchflossen wird. Im Verdampfer erwärmt sich nun also das Kältemittel um 5 K auf 3 °C, wobei der Siedepunkt von ca. 0 °C überschritten wird. Das Kältemittel geht in den Gasförmigen Zustand über.

Veranschaulichung:

Ethanol

w

Kompressor

Ein elektrischer Verdichter/Kompressor saugt nun das gasförmige Kältemittel an und komprimiert es. Durch adiabatische Verdichtung steigen sowohl Druck als auch Temperatur an.Das Kältemittel befindet sich nun als Heißgas auf einem hohen Temperaturniveau.

Veranschaulichung:

0

Kondensator

Das Heißgas hat nun nach Aufbringen von Arbeit in Form elektrischer Energie ein zum Heizen nutzbares Temperaturniveau erreicht. Es strömt in den Kondensator und gibt hier einen Teil seiner Wärme durch Kondensation an den Vorlauf der Heizung ab.Das Kältemittel ist nun also wieder flüssig.

Veranschaulichung:

Expansionsventil

Im Expansionsventil kann sich das nun mehr 48 °C warme Kältemittel ausdehnen und erlangt so seine ursprüngliche Ausgangstemperatur von -2°C. Der Kreislauf schließt sich und das Kältemittel kann erneut Wärmeenergie aus der Umwelt aufnehmen und transportieren.

Veranschaulichung:

Quelle Abb. links: www.ochsner.de

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Interaktives Modell einer Erdwärmepumpe

T1, Q1

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Klassifikation nach Wärmepumpen-Typen

T1, Q1

Sole/Wasser-WärmepumpeLuft/Wasser-WärmepumpeLuft/Luft-WärmepumpeWasser/Wasser-Wärmepumpe Bildquelle:

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Wie effizient ist eine Wärmepumpe?

T1, Q1

= Leistung der Wärmequelle

= Nutzleistung der Wärmepumpe = Leistung der Wärmequelle + elektrische Kompressorleistung = Q2 + Pel

.

Die Leistungszahl Der COP „coefficient of performance“ Die Jahresarbeitszahl (JAZ)

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Aktueller Stand & Ausblick

T1, Q1