Sexl Physik 5 RG, Schulbuch

Nutzwärme Erdkollektor Wärme- pumpe Wärme- tauscher 126.1 Erdwärmepumpen zur Beheizung von Gebäuden entziehen dem Erdboden Energie. Dazu werden im Boden Wärmetauscher ver- legt, durch die entweder Frostschutzmittel oder Kältemittel zirkuliert. Weniger Aufwand erfordern Luftwärmepumpen, die Außenluft abkühlen. Verdichter Verdampfung Expansionsventil Wärme z.B. Außenluft Wärme Kondensation Heizungs- rücklauf Heizungs- vorlauf 126.2 Prinzip der Wärmepumpe als Umkeh- rung des Kühlschranks 126.3 Wärmepumpen werden meist mit Fuß- bodenheizungen kombiniert, da sie nur bei niedrigen Vorlauftemperaturen T 1 gute Leis- tungszahlen haben. Die Abgabe der Wärme über Heizkörper (Radiatoren) ist nicht zu empfehlen. Die Wärmepumpe Im Kühlschrank wird Wärme unter Arbeitsaufwand von einem kälteren Energie- speicher in einen wärmeren Speicher gepumpt. Denselben Vorgang kann man auch für Heizzwecke ausnützen. Dazu wird der Umgebung des Hauses – Luft, Boden, Grundwasser – Wärme entzogen und unter Arbeitsaufwand mit einer Wärme- pumpe in das Innere des Hauses „gepumpt“ ( 126.1, 126.2 ). Die heute erhältlichen Wärmepumpen für Wohnhäuser werden elektrisch betrie- ben. Für jede Kilowattstunde zugeführter elektrischer Energie werden etwa ein bis drei zusätzliche Kilowattstunden an Umgebungswärme in das Haus gepumpt. Wärmepumpen liefern daher etwa 3- bis 4-mal mehr Wärme als Elektroheizungen. Sie nutzen Umgebungswärme statt fossiler Brennstoffe. Sie scheinen daher ideal für die Heizung zu sein und erfreuen sich dank staat- licher Förderungen wachsender Beliebtheit. Dabei darf man nicht vergessen, dass die zum Betrieb der Wärmepumpe erforderliche Elektroenergie im Winter meist in Wärmekraftwerken mit einem Wirkungsgrad von rund 40% erzeugt wird. Nur 40% der dort eingesetzten Energie wird tatsächlich in Elektroenergie umgewan- delt, der Rest wird bereits beim Kraftwerk als ungenutzte Abwärme abgegeben. Erreicht man daher mit der Wärmepumpe eine Verdoppelung bzw. Verdreifachung der eingesetzten Elektroenergie für Heizzwecke, so hat man nur den Verlust wett- gemacht, der beim Kraftwerk eingetreten ist, der gesamte Wirkungsgrad ist aber kaum besser als bei der direkten Verwendung von Öl für Heizzwecke. Wesentlich günstigere Verhältnisse liegen vor, wenn die Wärmepumpe mit einem Verbrennungsmotor betrieben wird. Sowohl die Abwärme des Motors als auch die Wärme aus der Umgebung dienen hierbei zur Heizung. (Die Gerätekosten sind al- lerdings höher.) Den Wirkungsgrad der Wärmepumpe können wir aus Carnots Überlegungen ab- schätzen. Eine Wärmekraftmaschine, der die Wärme Q 1 zugeführt wird, kann bes- tenfalls die Arbeit W = η th · Q 1 = ( 1– T 2 _ T 1 ) Q 1 = T 1 – T 2 _ T 1 · Q 1 nach außen abgeben. Da eine Wärmepumpe eine verkehrt laufende Wärmekraft- maschine ist, kann sie dem wärmeren Energiespeicher mit dem Arbeitsaufwand W bestenfalls die Wärme Q 1 zuführen: Q 1 = T 1 _ T 1 – T 2 · W . Den Quotienten Q 1 / W bezeichnet man als Leistungszahl . Beispiel: Heizen mit Wärmepumpen Eine Wärmepumpe nutzt Grundwasser von 10 °C und liefert Warmwasser von 50 °C . Eine ideale Wärmepumpe würde die eingesetzte Energie W um den Faktor (273 + 50)/40 = 8,1 , d. h. um das 8-fache, vergrößern. In der Realität ist die Hälfte erreich- bar. Die Temperatur des Grundwassers ist jahreszeitlich konstant, nicht jedoch die Luft- temperatur. Luftwärmepumpen verlieren an Effizienz, je kälter die Luft wird (und je mehr man die Heizung braucht). Bei einer Luftwärmepumpe würde bei −10 °C Lufttemperatur die ideale Leistungszahl auf 5,4 zurückgehen, die reale auf 2,7 . Untersuche, überlege, forsche: Heizkostenvergleich 126.1 S 2 Ermittle für eure Wohnung an Hand der Heizkostenabrechnung den jähr- lichen Heizwärmebedarf in kWh und den spezifischen Heizwärmebedarf (HWB) pro m 2 Wohnfläche. Für Niedrigenergiehäuser gilt HWB < 70 kWh/m 2 /a , sanie- rungsbedürftig sind ältere Gebäude mit HWB > 150 kWh/m 2 /a . Vergleiche die Energiepreise für unterschiedliche Energieträger (Erdgas, Strom, Heizöl, Fern- wärme, …). 126.2 S 2 Überlege Vor- und Nachteile von Wärmepumpen aus ökologischer Sicht. 126 ENERGIE Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv