mini|Abbildung 1: R+I-Fließbild einer Kompressionswärmepumpe und Darstellung der Wärme- und Exergieströme:1) Kompressor, 2) Verflüssiger (Kondensator), 3) Drossel (thermostatisches Expansionsventil), 4) VerdampferDunkelrot: Gasförmig, hoher Druck, sehr warmRosa: Flüssig, hoher Druck, warmBlau: Flüssig, niedriger Druck, sehr kaltHellblau: Gasförmig, niedriger Druck, kalt
Eine Wärmepumpe ist allgemein eine Kraftwärmemaschine,Helmut Vogel: Gerthsen Physik. 19. Auflage, Springer 1997, SPIN 10727264. die unter Aufwendung technischer Arbeit thermische Energie aus einem Reservoir mit niedrigerer Temperatur (in der Regel ist das die Umgebung) aufnimmt und – zusammen mit der Antriebsenergie – als Nutzwärme auf ein zu beheizendes System mit höherer Temperatur überträgt. Umgangssprachlich ist damit meist die Wärmepumpenheizung gemeint, die in Gebäuden für Heizzwecke eingesetzt wird.
Weitere Anwendungen sind die Brauchwassererwärmung, die Erzeugung von Prozesswärme und der Einsatz in Wäschetrocknern. Den Kreisprozess der Wärmepumpe verwendet man auch zum Kühlen (so beim Kühlschrank oder der Klimaanlage). Im Gegensatz zur Wärmepumpe ist beim Kälteprozess die aus dem zu kühlenden Raum abgeführte Wärme die Nutzenergie, die zusammen mit der Antriebsenergie als Abwärme an die Umgebung abgeführt wird.
Einteilung mini |Außeneinheit einer Luft-Wasser-Wärmepumpe zur Gebäudebeheizung und Brauchwassererwärmung mini |Abbildung 2: Wärmepumpe für die Erwärmung von Wasser in Swimmingpools
nach dem Verfahren:
Verdichten (Kompression) (mechanische Energie als Antriebsleistung) Absorption (Hochtemperaturwärme als Antriebsleistung; siehe: Absorptionswärmepumpe) Adsorption (zum Beispiel Adsorption und Desorption eines Stoffes an einer Oberfläche wie Aktivkohle oder einem Zeolith, dabei wird die Adsorptionswärme frei oder auch die Desorptionswärme aufgenommen) Peltier-Effekt Magnetokalorischer Effekt Elektrokalorischer Effekt Elastokalorischer Effekt
nach der Wärmequelle:
Außenluft Abluft Grundwasser (mit Schluckbrunnen) Oberflächenwasser Erdwärme Erdwärmesonde CO2-Sonde Direktverdampfer-Sonde mit Kältemittel gefüllt Spiralkollektor flächig verlegter Wärmeübertrager mit Soleflüssigkeit befüllt flächig verlegter Wärmeübertrager mit Kältemittel befüllt thermisch aktivierte Fundamente Abwärme von industriellen Anlagen Abwasserwärmerückgewinnung (AWRG) Nutzung von Umwandlungsenthalpie beim Phasenübergang in Form eines Eisspeichers
nach der Wärmenutzung:
Kühlen Gefrieren Warmwasser Heizung mit Flächenheizung, Fußbodenheizung, Wandheizung, Deckenheizung mit Heizkörpern, Radiatoren, Konvektoren mit Gebläse-Konvektoren
nach der Arbeitsweise:
Es gibt verschiedene physikalische Effekte, die in einer Wärmepumpe Verwendung finden können. Die wichtigsten sind: die Verdampfungsenthalpie bei Wechsel des Aggregatzustandes (flüssig/gasförmig); die Reaktionsenthalpie bei Mischung zweier verschiedener Stoffe; die Temperaturabsenkung bei der Expansion eines (nicht idealen) Gases (Joule-Thomson-Effekt); der thermoelektrische Effekt; das Thermotunneling-Verfahren; der magnetokalorische Effekt; der elektrokalorische Effekt; der elastokalorische Effekt.
in der Gebäudetechnik: mini|Erdsonden und Wärmepumpen zur Gewinnung von Erdwärme Wärmepumpen werden vielfach auch zur Erwärmung von Wasser für die Gebäudeheizung (Wärmepumpenheizung) und Bereitstellung von Warmwasser eingesetzt. Wärmepumpen können allein, in Kombination mit anderen Heizungsarten sowie in Fern- und Nahwärmesystemen eingesetzt werden. Zu letzteren zählt z. B. die Kalte Nahwärme. Üblich sind die folgenden Kombinationen (Abkürzungen in Klammern): Wasser/Wasser-Wärmepumpe (WWWP) mit Entzug der Wärme aus dem Grundwasser über Förder- und Schluckbrunnen, aus Oberflächenwässern oder Abwässern Sole/Wasser-Wärmepumpe (SWWP), als Wärmequellen dienen: Erdwärmesonden und Erdwärmekollektoren (Spiralkollektoren, Grabenkollektoren, Erdwärmekörbe etc.) die Sonnenenergie über Sonnenkollektoren und Pufferspeicher der Umgebung über Massivabsorber, Energiezaun, o. ä. Luft/Wasser-Wärmepumpe (LWWP) mit Entzug der Wärme aus Abluft oder Außenluft, seltener auch mit Vorerwärmung durch Erdwärmetauscher, Fassadenkollektoren oder ähnliches; Wärmeabgabe über wasserführende Heizsysteme, preiswert und häufig verwendet Luft/Luft-Wärmepumpen (LLWP) werden in Gebäuden zur Erwärmung oder Kühlung der Zuluft von Lüftungsanlagen (Klimaanlagen) verwendet
nach der Bauart:
Monoblock-Wärmepumpen (werksseitig geschlossener Kältekreis in einer Einheit) Split-Wärmepumpen (Kältekreis verteilt auf Baugruppen, Erstellung vor Ort, bei Montage) Wärmepumpen können reversibel sowohl zum Heizen, als auch zum Kühlen eingesetzt werden, indem der Kältekreislauf durch ein Umschaltventil umgekehrt wird und die Wärmepumpe im Sommer Wärme aus dem Gebäude an die Aussenluft oder das Erdreich abgibt. Bei simultanen Systemen (gleichzeitiges Heizen und Kühlen) wird die bei der Kühlung einer Zone anfallende Abwärme direkt zur Erwärmung einer anderen Zone genutzt, was in Gebäuden mit gemischten Nutzungsprofilen — etwa Büro und Serverräumen — den Gesamtenergiebedarf erheblich senkt. Alternativ können Wärmepumpen mit einem separaten passiven Kühlkreislauf kombiniert werden, bei dem das Erdreich oder Grundwasser im Sommer direkt als Kältequelle dient, ohne dass der Kompressor läuft (sogenanntes «Free Cooling»), was den elektrischen Energieverbrauch für die Kühlung auf ein Minimum reduziert. Die Auslegung von Wärmepumpensystemen mit Kühlfunktion erfordert eine dynamische Gebäudesimulation, da die gleichzeitigen Lastprofile für Heizung und Kühlung zeitlich variieren und eine statische Berechnung weder die optimale Maschinengrösse noch die Speicherkapazität zuverlässig bestimmen kann.
Funktionsprinzipien mini|Abbildung 3: geöffnetes Maschinengehäuse einer Luft/Wasser-Wärmepumpe Die Kompressionswärmepumpe nutzt den physikalischen Effekt der Verdampfungsenthalpie. In ihr zirkuliert ein Kältemittel in einem Kreislauf, das, angetrieben durch einen Kompressor, die Aggregatzustände flüssig und gasförmig abwechselnd annimmt. Die Absorptionswärmepumpe nutzt den physikalischen Effekt der Reaktionswärme bei Mischung zweier Flüssigkeiten oder Gase. Sie verfügt über einen Lösungsmittelkreis und einen Kältemittelkreis. Das Lösungsmittel wird im Kältemittel wiederholt gelöst oder ausgetrieben. Die Adsorptionswärmepumpe arbeitet mit einem festen Lösungsmittel, dem „Adsorbens“, an dem das Kältemittel ad- oder desorbiert wird. Dem Prozess wird Wärme bei der Desorption zugeführt und bei der Adsorption entnommen. Da das Adsorbens nicht in einem Kreislauf umgewälzt werden kann, kann der Prozess nur diskontinuierlich ablaufen, indem zwischen Ad- und Desorption zyklisch gewechselt wird. Die magnetokalorische Wärmepumpe nutzt die magnetische Kühlung. Prototypen erreichen Wirkungsgrade ähnlich denen von Kompressions-Wärmepumpen.
Die elektrisch angetriebene Kompressionswärmepumpe stellt den Hauptanwendungsfall von Wärmepumpen dar. Mit der Wärmepumpe kann ein Vielfaches der eingesetzten elektrischen Energie als Wärmeenergie bereitgestellt werden. Der Wärmepumpenprozess, nach Rudolf Plank Plank-Prozess genannt, wird auch als Kraftwärmemaschine bezeichnet. Der Grenzfall einer reversibel arbeitenden Kraftwärmemaschine ist der linksläufige Carnot-Prozess.
Elektrisch angetriebene Wärmepumpen werden mit einem geschlossenen Kältemittelkreislauf betrieben. Das Kältemittel verdampft bei niedrigem Druck unter Wärmezufuhr und nach der Verdichtung kondensiert das Kältemittel unter Abgabe der Nutzwärme. In der Drossel wird das flüssige Kältemittel von dem Hochdruck auf den Niederdruck entspannt. Dabei verdampft der größte Anteil des Kältemittels und die Temperatur sinkt. Die Drossel besteht bei sehr kleinen Anlagen aus einer Kapillaren, bei größeren Anlagen werden geregelte Ventile eingesetzt, die den Druck im Verdampfer so einstellen, dass die entsprechende Sattdampftemperatur etwas tiefer als die Temperatur der Wärmequelle liegt, so dass das Kältemittel durch die Wärmeaufnahmen verdampft. Der Abluft, der Außenluft, dem Erdboden, dem Abwasser oder dem Grundwasser kann Wärme durch Einsatz einer Wärmepumpe entzogen werden.
Der Verdichter wird so geregelt, dass die zum Verdichtungsenddruck zugehörige Sattdampftemperatur geringfügig über der Temperatur der Wärmesenke liegt. Die Wärmequelle für Wärmepumpen ist die Umgebungsluft, die Erdwärme oder ein Wasserfluss. Die Wärmesenke ist z. B. der Heizkreis- oder Warmwasserkreislauf, der eine Seite des Verflüssiger-Wärmetauschers bildet.
Das Verhältnis von in den Heizkreis abgegebener Wärmeleistung zu zugeführter elektrischer Verdichterleistung wird als Leistungszahl (coefficient of performance, kurz COP) bezeichnet. Die Leistungszahl hat einen oberen Wert, der aus dem Carnot-Kreisprozess abgeleitet und nicht überschritten werden kann. Die Leistungszahl wird auf einem Prüfstand gemäß der Norm EN 14511 (früher EN 255) ermittelt und gilt nur unter den jeweiligen Prüfbedingungen. Der COP ist Gütekriterium für Wärmepumpen, erlaubt jedoch keine energetische Bewertung der Gesamtanlage.
Das Verhältnis des COP bezogen auf die jahreszeitabhängigen Temperaturen wird als SCOP (seasonal coefficient of performance), jahreszeitabhängige Raumeffizienz, bezeichnet und gemäß Norm EN 14825 ermittelt und gilt nur unter den dort genannten Prüfbedingungen. Er erlaubt einen Vergleich gleichartiger Geräte, jedoch keine Bewertung einer Gesamtanlage.
Das Kältemittel wird in Bezug auf den Prozess so gewählt, dass die Temperaturen des Phasenübergangs einen für die Wärmeübertragung ausreichenden Abstand zu den Temperaturen von Wärmequelle und Wärmesenke haben. Soweit möglich wird ein Kältemittel verwendet, dessen Verdampfungsdruck bei der niedrigsten Arbeitstemperatur über dem Umgebungsdruck liegt, um das Eindringen von Luft in den Kältemittelkreislauf zu verhindern. Weitere Aspekte zur Auswahl des Kältemittels siehe Abschnitt Kältemittel (Arbeitsgase).
Im Gegensatz zur Kältemaschine wird bei der Wärmepumpe die Energie auf der warmen Seite genutzt. Der Wärmepumpenkreislauf ist in der Abbildung 1 dargestellt. Eine Wärmepumpe besteht mindestens aus den vier dargestellten Komponenten: Verdampfer, Verdichter (Kompressor), Verflüssiger und Drossel (Expansionsventil).
Der Kreisprozess mini|Abbildung 4: log(p)-h-Diagramm für das Kältemittel R-134a zwischen den Temperaturen 0 °C und 50 °C, idealer Prozess mini|Abbildung 5: Realer Wärmepumpenprozess bei einer Heizungsvorlauftemperatur von 50 °C und Außenlufttemperatur von 0 °C; Berücksichtigung des Temperaturgradienten an den Wärmetauschern, isentroper Wirkungsgrad des Verdichters, Überhitzung und Unterkühlung des Kältemittels mini|Abbildung 6: T-s-Diagramm des Vergleichsprozesses
Die in der Thermodynamik verwendeten Diagramme für Kreislaufprozesse (Log-p-h-Diagramm oder T-s-Diagramm) sind gute Hilfen, um Kreisprozesse darzustellen. Die spezifischen Parameter können in dem Diagramm des betrachteten Stoffes direkt ermittelt werden. In dem Log-p-h-Diagramm können zu den Arbeitspunkten direkt die Enthalpien h für die spezifischen Wärmeströme und Verdichterarbeit auf der Ordinate abgelesen werden.
Bei der Wärmepumpe werden oft physikalische Effekte des Phasenübergangs einer Flüssigkeit in die gasförmige Phase und umgekehrt ausgenutzt. So kann zum Beispiel Propan – technische Bezeichnung R-290 – in Wärmepumpen als Kältemittel verwendet werden, da es in dem Temperaturbereich für Gebäudeheizungen je nach Druckstufe in der Gas- und Flüssigphase auftritt. Der Einsatz von Kältemitteln in dem Zweiphasengebiet ist effektiv, da die Stoffe bei dem Phasenübergang einen sehr hohen Wärmeübergangskoeffizienten aufweisen und der Wärmeübergang bei einer durch den Druck eingestellten konstanten Temperatur erfolgt.