Kompressions-Wärmepumpe
1. Grundlagen / Aufbau
Kompressionswärmepumpen sind die am weitesten verbreiteten Wärmepumpen. Sie sind recht einfach aufgebaut und in einem weiten Leistungsbereich am Markt verfügbar. Sie arbeiten in einem Kreisprozess, welcher in Abbildung 1 dargestellt ist. Dabei wird einer Wärmequelle (z.B. Erdreich, Luft, Wasser, etc.) Wärme entzogen. Diese Wärme wird genutzt, um ein Kältemittel zu verdampfen (1). Üblicherweise werden hierzu Stoffe mit sehr niedrigen Siedepunkten eingesetzt, die zum Teil schon bei -40°C gasförmig vorliegen. Das verdampfte und damit gasförmige Kältemittel wird im Verdichter (2) komprimiert und erwärmt sich dabei. Dem nun unter hohem Druck stehenden und gleichzeitig warmen Medium kann über einen Wärmetauscher (Verflüssiger) thermische Energie entzogen und an das Heizsystem abgegeben werden (3). Bei diesem Vorgang kühlt sich das Kältemittel ab und kondensiert. Der noch immer hohe Druck wird anschließend durch das Drosselventil (4) wieder auf das Niveau des Verdampfers abgesenkt. Dabei werden sehr niedrige Temperaturen erreicht, die unter denen der Wärmequelle liegen. Hierdurch kann von dieser wieder Wärme aufgenommen werden, wodurch der Kreisprozess von neuem beginnt. Um diesen Prozess quantitativ zu bewerten, wurde die Leistungszahl eingeführt. Sie beschreibt das Verhältnis von nutzbarer Wärmeleistung zu eingesetzter elektrischer Leistung und liegt bei Kompressionswärmepumpen bei ca. 4. /Baumann et al./, /Meyer 3/, /Rogatty/
Bild 1: Schema Kompressionswärmepumpe
2. Wärmequellen / Temperaturniveau
Für die Effizienz einer Wärmepumpe ist die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Heizung entscheidend. Je geringer diese Differenz, umso höhere Leistungszahlen können erzielt werden. Dies bedeutet, dass bei gleichbleibender Heizungstemperatur eine möglichst hohe Temperatur der Wärmequelle angestrebt werden sollte. Als Wärmequelle können beispielsweise das Erdreich, Wasser oder Außenluft verwendet werden. Hierbei ist das Erdreich mit relativ gleichmäßigen Temperaturen (8 bis 12 °C über das ganze Jahr) als Hauptwärmequelle in den meisten Anwendungen favorisiert. Aber auch die Nutzung von Grundwasser ist durch die hohe Wärmespeicherkapazität eine sehr gute Alternative. Ebenso ist industrielle Abwärme eine weitere sehr interessante Wärmequelle, da hier meist deutlich höhere Temperaturen bereitstehen und die Abwärme in großen Mengen anfällt. Normale Wärmepumpen erreichen übliche Heißwassertemperaturen bis max. 65°C. Darüber hinaus müssen spezielle Kältemittel eingesetzt werden, die Temperaturen bis 90°C zulassen. /Baumann et al./, /Friedrich 2/, /Milles/
3. Technische Reife / Nutzungssektor
Kompressionswärmepumpen werden in privaten, gewerblichen und öffentlichen Bauten als Heizungsanlage oder für die Warmwasseraufbereitung eingesetzt. Sie sind technisch ausgereift und in vielen Größen und Leistungsklassen verfügbar.
4. Kosten / Wirtschaftlichkeit
Die Investitionskosten einer Anlage sind abhängig von der Leistungsklasse. Neben den reinen Anschaffungskosten der Wärmepumpe müssen auch die Kosten für die Erschließung der Wärmequellen berücksichtigt werden. Für Großanlagen (30 - 3000 kW) muss mit 100 - 350 € pro kW Heizleistung gerechnet werden. /Lambauer et al/ Häusliche Anlagen, die mit einer Sole-Wasser-Wärmepumpe betrieben werden, sind mit ca. 1.100 € pro kW anzusetzen. /iDM/ Als Antriebsenergie wird häufig Strom zum Betrieb des Verdichters genutzt. Wenn der Strom regenerativ erzeugt wird, kann die Wärmepumpe ohne CO2 Produktion betrieben werden.
