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Wärmepumpe. Andreas Stummer und Stefan Sandler. HLUW Yspertal, 3A, 2008. Definition
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Wärmepumpe Andreas Stummer und Stefan Sandler HLUW Yspertal, 3A, 2008
Definition Die Wärmepumpe ist eine Maschine, die unter Zufuhr von technischer Arbeit Wärme von einem niedrigeren zu einem höheren Temperaturniveau pumpt. Man kann die auf dem hohen Temperaturniveau anfallende Verflüssigungswärme zum Heizen nutzen (Wärmepumpenheizung).
Wärmepumpen entziehen der Umwelt Energie bei einer niedrigeren Temperatur Tx aus der Umwelt (Luft, Boden, Grundwasser) und pumpen diese unter Aufwand von elektrischer Energie auf die höhere Temperatur Ta. Ta heißt VORLAUFTEMPERATUR und bedeutet jene Temperatur, die für das Wasser zB der Heizung zur Verfügung steht.
Das Prinzip einer Wärmepumpe • Eine Wärmepumpe funktioniert auf demselben Prinzip wie ein Kühlschrank nur im größeren Bereich:Der Kühlschrank entzieht dem Innenraum die Wärme und gibt sie über ein Zusammenspiel verschiedener Komponenten an die Raumluft ab. Die Wärmepumpe entzieht der Natur die gespeicherte Sonnenenergie beheizt somit das Gebäude.
Wirkungsgrad der Wärmepumpe η = aufgewendete elektrische Energie gewonnene thermische Energie η ist keine Konstante, sondern eine Funktion der Temperatur Tx. Im Idealfall gilt: η (Tx) = ( Ta – Tx ) : Ta
Eine bessere Beschreibung für die Leistung einer Wärmepumpe liefert jedoch der Kehrwert des Wirkungsgrades, die Leistungszahl COP= Coeffizient of Performance. Die Leistungszahl ist das Verhältnis von gewonnener Wärme zu aufgewendeter elektrischer Energie. Im Idealfall gilt: COP = 1/η = Ta : ( Ta – Tx )
Aufgabenstellung: Ein Haus betreibt über die Wärmepumpe eine Fußbodenheizung mit der Temperatur Ta = 40°C und einen Heizkörper in einer Zentralheizung mit einer Temperatur von Ta = 55 °C. • Berechnung der Leistungszahlen • Skizzierung der Abhängigkeit der Leistungszahlen von der Umgebungstemperatur für beide Heizungen. • Interpretation der Grafik
Mittels Wärmepumpe können Zentralheizungen und Fußbodenheizungen betrieben werden. • Der Wirkungsgrad der Wärmepumpe liegt über 100%, d.h. die abgegeben Wärmeenergie ist größer als die zugeführte.
Bei einer Zentralheizung befindet sich das Wasser in einem geschlossenen Kreislauf. Im Heizkessel wird das Wasser erhitzt und durch die Umwälzpumpe zu den Heizkörpern befördert. Dort gibt es die Wärme an die Umgebungsluft ab und wird zur Heizung zurückbefördert.
Für eine Fußbodenheizung werden Rohre aus Kunststoff oder Kupfer im Boden verlegt. Es wird ein Heizkreisverteiler benötigt. Alle Heizkreise werden an den Heizkreisverteiler angeschlossen. Das heiße Wasser kommt aus dem Heizkessel und wird während des gesamten Kreislaufes verwendet.
Abkürzungen: • Tx = Temperaturniveau der Umgebung(Boden oder Luft) • Ta = Vorlauftemperatur • η(Tx) = Wirkungsgrad, abhängig von der Umgebungstemperatur Tx • η(Tx)= (Ta-Tx) : Ta…Wirkungsgrad (Idealfall) • COP (Tx) = 1 / η = Ta : ( Ta – Tx)…Leistungszahl
Berechnung • Da die Leistungszahl eine Funktion der Temperatur ist, müssen zuerst für Tx beliebige Werte gewählt werden (zB. -20°C – 30°C). • Diese werden zur Berechnung von COP in die SI-Einheit für Temperatur, Kelvin K, umgewandelt. Ta(1) = 313K(40°C) bei Fußbodenheizung Ta(2) = 328K(55°C) bei Zentralheizung • Die Werte werden in die Formel COP(Tx) = Ta:(Ta-Tx) eingesetzt.
Berechnete Werte bei Ta = 313K = 55°C Berechnungen mit EXCEL Diese COP-Werte repräsentieren den idealsten Fall: (die so genannte Carnot-Maschine)
Berechnete Werte für Ta = 328K = 40°C Berechnungen mit EXCEL Im Realfall geht durch Verluste an der Wärmepumpe COP nicht über 4,5 hinaus
Interpretation • Die Fußbodenheizung hat eine höhere Leistungszahl als die Zentralheizung. • Zentralheizungen haben demnach beim Betrieb einen höheren Energieverbrauch.
Bei einer höheren Umgebungstemperatur Tx ergibt sich eine höhere Leistungszahl. • Die Leistungszahlen beider Heizungen • sind nicht direkt proportional zur • Umgebungstemperatur Tx, sondern nehmen progressiv zu. • Die Leistungszahl der Wärmepumpe wird größer, wenn die Temperaturdifferenz (Ta-Tx) kleiner wird.
Bei einer Zentralheizung erfordert die Erhitzung auf 55°C eine bestimmte elektrische Input-Energie für den Betrieb der Wärmepumpe. • Bei der Fußbodenheizung ist weniger Input-Energie nötig. Die Temperaturdifferenz ist geringer, die Leistungszahl wird daher größer, der Wirkungsgrad aber kleiner als bei der Zentralheizung.
Die Umgebungstemperatur wird niemals über 30°C sein. Daher besteht für beide Heizungstypen die notwendige Temperaturdifferenz. • Eine Erhöhung der Vorlauftemperatur führt zu einer Leistungsverminderung. Schlussfolgerung Eine Steigerung der Vorlauftemperatur über die benötigte Temperatur ist bei beiden Heizungen nicht sinnvoll.
