Das Prinzip der Wärmepumpe

1. WärmepumpeWärmepumpe
Physischer Vortrag von Emil ArdiansyahPhysischer Vortrag von Emil Ardiansyah
Studienkolleg NordhausenStudienkolleg Nordhausen

2. Inhalt des ReferatesInhalt des Referates
1.1. DefinitionDefinition
2.2. GeschichteGeschichte
3.3. GesamtsystemGesamtsystem
4.4. WärmequellenWärmequellen
5.5. VideoVideo
6.6. Bauartengegenüberstellung pro/contraBauartengegenüberstellung pro/contra
7.7. Erdwärmequellenanlagen (Bauarten)Erdwärmequellenanlagen (Bauarten)
8.8. Der KreisprozessDer Kreisprozess
9.9. Temperatur- und Druckänderung im KreislaufTemperatur- und Druckänderung im Kreislauf
10.10. 4 Komponenten der Wärmepumpe4 Komponenten der Wärmepumpe
11.11. WärmenutzungsanlageWärmenutzungsanlage
12.12. Die Leistungszahl/COPDie Leistungszahl/COP
13.13. Die Wärmepumpe als das Heizsystem der ZukunftDie Wärmepumpe als das Heizsystem der Zukunft
14.14. QuellenangabenQuellenangaben

3.  Wärmepumpen sind verfahrenstechnischeWärmepumpen sind verfahrenstechnische
Energisysteme, die wärme von einemEnergisysteme, die wärme von einem
niedriegeren auf ein höheres Temperaturniveausniedriegeren auf ein höheres Temperaturniveaus
heben/pumpenheben/pumpen
 Funktionsprinzip ähnlich wie KühlschrankFunktionsprinzip ähnlich wie Kühlschrank
 Kühlschrank entzieht dem Innenraum dieKühlschrank entzieht dem Innenraum die
WärmeWärme
 Pumpe entzieht dem Außenbereich Wärme, gibtPumpe entzieht dem Außenbereich Wärme, gibt
sie nach innen weiter (umgekehrt)sie nach innen weiter (umgekehrt)
 75% kostenlose Umweltwärme + 25%75% kostenlose Umweltwärme + 25%
AntriebsenergieAntriebsenergie
 Kann auch als Kühlung genutzt werdenKann auch als Kühlung genutzt werden
1. Definition1. Definition

4.  18241824 veröffentlichte der Franzose Carnot Grundsätze veröffentlichte der Franzose Carnot Grundsätze
zur Wärmepumpe.zur Wärmepumpe.
 18551855 errichtete und betrieb er nach einem Entwurf von errichtete und betrieb er nach einem Entwurf von
Peter Ritter von Rittinger die Saline Ebensee,Peter Ritter von Rittinger die Saline Ebensee,
Oberösterreich, eine wirtschaftliche SoleverdampfungOberösterreich, eine wirtschaftliche Soleverdampfung
nach dem Funktionsprinzip eines Kühlschranks.nach dem Funktionsprinzip eines Kühlschranks.
 1860–18701860–1870 wurden Kompressionskältemaschinen und wurden Kompressionskältemaschinen und
Absorptionskältemaschinen intensiv erforscht. Absorptionskältemaschinen intensiv erforscht.
 19451945 Die erste erdgekoppelte Wärmepumpe ging in den Die erste erdgekoppelte Wärmepumpe ging in den
USA in Betrieb.USA in Betrieb.
19691969 nahm Klemens Oskar Waterkotte die erste nahm Klemens Oskar Waterkotte die erste
Erdwärmepumpe in Deutschland in Betrieb.Erdwärmepumpe in Deutschland in Betrieb.
2. Geschichte2. Geschichte

5. 3.1 Gesamtsystem3.1 Gesamtsystem
 WärmequellenanlageWärmequellenanlage
z.B. Erdwärmesondez.B. Erdwärmesonde
 WärmepumpeWärmepumpe
 WärmenutzungsanlageWärmenutzungsanlage, die Heizung, die Heizung

6. 3.2 Die Bauteile und3.2 Die Bauteile und
KreislaufKreislauf

7. 4. Wärmequellen4. Wärmequellen
 LuftLuft
 ErdkollektorErdkollektor
 ErdwärmesondeErdwärmesonde
 GrundwasserGrundwasser

8. 5. Wärmepumpen Video5. Wärmepumpen Video
http://www.youtube.com/whttp://www.youtube.com/w
atch?v=ZSVI5lekE44atch?v=ZSVI5lekE44

9. 6.1 Erdwärmesonde6.1 Erdwärmesonde
 Vertikale ErdwärmesondeVertikale Erdwärmesonde
 Geringer PlatzbedarfGeringer Platzbedarf
 Bohrtiefe bei Einfamilienhäusern ca. 100mBohrtiefe bei Einfamilienhäusern ca. 100m
 Im Winter passiveIm Winter passive
Kühlung möglichKühlung möglich
 Arbeitsmedium SoleArbeitsmedium Sole

10. 6.2 Erdkollektor6.2 Erdkollektor
 Waagerechtes großflächiges RohrsystemWaagerechtes großflächiges Rohrsystem
 Verlegung unterhalb der Frostgrenze 1-1.5mVerlegung unterhalb der Frostgrenze 1-1.5m
 200-250m² Kollektorenfläche für Einfamilienhaus200-250m² Kollektorenfläche für Einfamilienhaus
 Fläche kann nichtFläche kann nicht
bebaut werden, dabebaut werden, da
der Boden Regender Boden Regen
und Sonnenstrahlenund Sonnenstrahlen
aufnehmen mussaufnehmen muss

11. 6.3 Wärmequelle6.3 Wärmequelle GrundwasserGrundwasser
 Wasser wird über Förderpumpe angepumptWasser wird über Förderpumpe angepumpt
 Zurück über SchluckbrunnenZurück über Schluckbrunnen
 Im Sommer passive Kühlung möglichIm Sommer passive Kühlung möglich
 Hoher Planungsauf-Hoher Planungsauf-
wand, Hilfsenergiewand, Hilfsenergie
durch Pumpendurch Pumpen
 Lohnenswert eher fürLohnenswert eher für
große Objekte mit hohemgroße Objekte mit hohem
Heiz- und KühlbedarfHeiz- und Kühlbedarf

12. 6.4 Wärmequelle6.4 Wärmequelle LuftLuft
 Einfacher Anschluss, fast überall möglichEinfacher Anschluss, fast überall möglich
 Keine Bohrungen nötigKeine Bohrungen nötig
 Öftere Anwendung bei AltbausanierungenÖftere Anwendung bei Altbausanierungen
 Im Winter wenigerIm Winter weniger
Effizient da keineEffizient da keine
konstanten Temp.konstanten Temp.
 Höherer Stromver-Höherer Stromver-
brauchbrauch
 Durch geringerenDurch geringeren
Bauaufwand Kosten-Bauaufwand Kosten-
ersparnisersparnis

13. 7. Bauartengegenüberstellung7. Bauartengegenüberstellung
VorVor – bzw– bzw NachteileNachteile
ErdreichErdreich GrundwasserGrundwasser LuftLuft
ErdsondeErdsonde
Flächen-Flächen-
kollektorkollektor
FörderpumpeFörderpumpe
Außenluft-Außenluft-
anlageanlage
- Geringer- Geringer
PlatzbedarfPlatzbedarf
- Konstante- Konstante
Temp.Temp.
- Günstiger in- Günstiger in
AnschaffungAnschaffung
als Erdsondeals Erdsonde
- konst. Temp.- konst. Temp. - Kann nahezu- Kann nahezu
überall genutztüberall genutzt
werdenwerden
- Keine- Keine
ErdaushebungErdaushebung
- Hoher- Hoher
PlanungsaufwandPlanungsaufwand
- Hohe- Hohe
InvestitionskostenInvestitionskosten
- Erdreich-- Erdreich-
aushebungaushebung
- Hilfsenergie- Hilfsenergie
durch Pumpendurch Pumpen
- Lohnenswert- Lohnenswert
bei gr. Objektenbei gr. Objekten
- Niedrige Temp.- Niedrige Temp.
im Winterim Winter
- Höhere Heizkost.- Höhere Heizkost.

14. 8. Der Kreisprozess8. Der Kreisprozess
Der wesentliche Prozess der WärmepumpeDer wesentliche Prozess der Wärmepumpe
besteht darin, dass ein Arbeitsmediumbesteht darin, dass ein Arbeitsmedium
(Kältemittel) in einem ständigen Kreislauf seinen(Kältemittel) in einem ständigen Kreislauf seinen
Aggregatzustand (flüssig bzw. gasförmig) ändertAggregatzustand (flüssig bzw. gasförmig) ändert
und Wärme aufnimmt bzw. abgibt.und Wärme aufnimmt bzw. abgibt. DerDer
Wärmepumpen-Kreisprozess folgt imWärmepumpen-Kreisprozess folgt im
wesentlichen dem Carnot – Prozess.wesentlichen dem Carnot – Prozess.

15. 9. Temperatur- und Druckänderung9. Temperatur- und Druckänderung
im Kreislaufim Kreislauf

16. 10. 1. Verdampfer10. 1. Verdampfer
 Arbeitsmedium (Kältemittel)Arbeitsmedium (Kältemittel)
verdampftverdampft
 Entzieht so der Umwelt WärmeEntzieht so der Umwelt Wärme
 Umgebungstemperatur kannUmgebungstemperatur kann
durchaus -15°C betragendurchaus -15°C betragen

17. 10.2. Verdichter10.2. Verdichter
 Verdampftes Kältemittel wirdVerdampftes Kältemittel wird
angesaugtangesaugt
 Dampf wird verdichtetDampf wird verdichtet
 Somit steigen Druck undSomit steigen Druck und
Temperatur des MediumsTemperatur des Mediums

18. 10.3. Verflüssiger10.3. Verflüssiger
 Das gasförmige Arbeitsmedium gelangt in denDas gasförmige Arbeitsmedium gelangt in den
VerflüssigerVerflüssiger
 Umgeben vom kälteren Heiz-Umgeben vom kälteren Heiz-
wasser (Wärmetauscher)wasser (Wärmetauscher)
 Arbeitsmedium kühlt ab undArbeitsmedium kühlt ab und
verflüssigt sichverflüssigt sich
 Heizwasser wird erwärmt, daHeizwasser wird erwärmt, da
es kälter ist als das Arbeitsmediumes kälter ist als das Arbeitsmedium

19. 10.4. Expansionsventil10.4. Expansionsventil
 Arbeitsmedium entspanntArbeitsmedium entspannt
 Hoher Druck -> niedriger DruckHoher Druck -> niedriger Druck
 Gelangt von dort wieder in denGelangt von dort wieder in den
VerdampferVerdampfer

20.  Vorlauftemperatur soll möglichst niedrig seinVorlauftemperatur soll möglichst niedrig sein
 Optimal geeignet sind Flächenheizsysteme wieOptimal geeignet sind Flächenheizsysteme wie
Fußboden- oder Wandheizungen bei ca. 35°CFußboden- oder Wandheizungen bei ca. 35°C
 Radiatoren müssen auf max. 45°-50°CRadiatoren müssen auf max. 45°-50°C
ausgelegtausgelegt werdenwerden
 Je niedriger die Vorlauftemperatur, umsoJe niedriger die Vorlauftemperatur, umso
besserbesser ist die Leistungszahl/COPist die Leistungszahl/COP
11.1 Die Wärmeverteilung11.1 Die Wärmeverteilung

21. 11.2.11.2.
WärmenutzungsanlageWärmenutzungsanlage
 Fußbodenheizung da geringe VorwärmeFußbodenheizung da geringe Vorwärme
 Altbau benötigte Vorlauftemp.: 55°CAltbau benötigte Vorlauftemp.: 55°C
 Neubau benötigte Vorlauftemp.: 35°CNeubau benötigte Vorlauftemp.: 35°C
 Monovalent und Bivalent einsetzbarMonovalent und Bivalent einsetzbar
 zB Gas- , Öl- oder SolaranlagenzB Gas- , Öl- oder Solaranlagen

22. 12. 1. Die Leistungszahl/12. 1. Die Leistungszahl/
COPCOP
 Je niedriger die Vorlauftemperatur & jeJe niedriger die Vorlauftemperatur & je
höher die Wärmequellentemperatur, umsohöher die Wärmequellentemperatur, umso
besser ist diebesser ist die Leistungszahl/Leistungszahl/
COP(Coefficient of Performance )COP(Coefficient of Performance )

23. 12.2.12.2. BeispieleBeispiele
 Für eine Wärmepumpe mit ErdwärmesondeFür eine Wärmepumpe mit Erdwärmesonde
(Verdampfungstemperatur T kalt= 273 K, etwa 0 °C) und(Verdampfungstemperatur T kalt= 273 K, etwa 0 °C) und
Fußbodenheizung (T warm = 308 K, etwa 35 °CFußbodenheizung (T warm = 308 K, etwa 35 °C
Vorlauftemperatur) errechnet man beispielsweise:Vorlauftemperatur) errechnet man beispielsweise:
 Wenn an dem gleichen Wärmepumpenkreislauf eineWenn an dem gleichen Wärmepumpenkreislauf eine
Radiatorenheizung mit 55 °C (T warm = 328 K)Radiatorenheizung mit 55 °C (T warm = 328 K)
Vorlauftemperatur (Verdampfungstemperatur 0 °C)Vorlauftemperatur (Verdampfungstemperatur 0 °C)
angeschlossen wird, ergibt sich eine deutlich niedrigereangeschlossen wird, ergibt sich eine deutlich niedrigere
Leistungszahl:Leistungszahl:

24.  Nutzung kostenloser UmweltenergieNutzung kostenloser Umweltenergie
 Einsparung von PrimärenergieEinsparung von Primärenergie
 Kamin u. Brennstofflager entfallenKamin u. Brennstofflager entfallen
 Keine Vorfinanzierung von BrennstoffKeine Vorfinanzierung von Brennstoff
 Komfortable HeiztechnikKomfortable Heiztechnik
 einfache Bedienungeinfache Bedienung
 Jederzeit und überall einsetzbarJederzeit und überall einsetzbar
 Reduzierung von Schadstoffen und CO2 AusstoßReduzierung von Schadstoffen und CO2 Ausstoß
 Vor Ort emissionsfreiVor Ort emissionsfrei
13. Die Wärmepumpe als13. Die Wärmepumpe als
Das Heizsystem derDas Heizsystem der
ZukunftZukunft

25. 14. Quellenangaben14. Quellenangaben
 Energieressourcen schonen, Referat von Daniel N. FOS –Energieressourcen schonen, Referat von Daniel N. FOS –
Technik 10/11Technik 10/11
 http://www.umweltundtechnik.de/index.php?id=170http://www.umweltundtechnik.de/index.php?id=170
 http://www.ochsner.de/die-waermepumpe/funktionsweise/http://www.ochsner.de/die-waermepumpe/funktionsweise/
 http://www.weishaupt.de/mainAktion/mnAktion5/index.html/http://www.weishaupt.de/mainAktion/mnAktion5/index.html/
media?film=http://www.energiespar-center.info/media/wwp-media?film=http://www.energiespar-center.info/media/wwp-
tech_de.wmv&width=350&height=331tech_de.wmv&width=350&height=331
 http://www.effiziento.de/erdwaermepumpe.htmlhttp://www.effiziento.de/erdwaermepumpe.html
 http://de.wikipedia.org/wiki/Carl_von_Linde#Linde-http://de.wikipedia.org/wiki/Carl_von_Linde#Linde-
VerfahrenVerfahren
 http://www.ekrenn.com/Pages/de/Produkte/Waermepumpehttp://www.ekrenn.com/Pages/de/Produkte/Waermepumpe
n/Waermepumpen.aspxn/Waermepumpen.aspx
 http://www.so-geht-s.de/startseite/heizung/waermepumpe/http://www.so-geht-s.de/startseite/heizung/waermepumpe/
geschichte- der-waermepumpe/geschichte- der-waermepumpe/