Die Wärmepumpe Beim Kühlschrank wird Wärme mittels Arbeitsaufwands von einem Energiespeicher mit niedriger Temperatur (Kühlgut) in einen Energiespeicher mit höherer Temperatur (Umgebung) gepumpt. Denselben Vorgang kann man auch für Heizzwecke ausnützen. Dazu wird der Umgebung des Gebäudes – Luft, Boden, Grundwasser – Wärme entzogen und unter Arbeitsaufwand mit einer Wärmepumpe in das Innere des Hauses „gepumpt“ (144.1, 144.2). Die heute erhältlichen Wärmepumpen für Gebäude werden elektrisch betrieben. Für jede Kilowattstunde zugeführter elektrischer Energie werden etwa ein bis drei zusätzliche Kilowattstunden an Umgebungswärme in das Haus gepumpt. Wärmepumpen liefern daher etwa 2- bis 4-mal mehr Wärme als Elektroheizungen gleicher Leistung. Den Wirkungsgrad der Wärmepumpe können wir aus Carnots Überlegungen abschätzen. Eine Wärmekraftmaschine, der die Wärme Q1 zugeführt wird, kann im Idealfall die Arbeit W = ηth·Q1 = (1 − T2 _ T1 )·Q1 = T1 − T2 __ T1 ·Q1 (T1 > T2) nach außen abgeben. Da eine Wärmepumpe eine umgekehrt laufende Wärmekraftmaschine ist, kann sie dem wärmeren Energiespeicher mit dem Arbeitsaufwand W im Idealfall die Wärme Q1 zuführen: Q1 = T1 __ T1 − T2 ·W, Q1 _ W = T1 __ T1 − T2 > 1 Den Quotienten εth = Q1/W > 1 bezeichnet man als ideale Leistungszahl. Die real erzielbare Leistungszahl ist um einen Faktor 2 bis 3 kleiner, wie man den Datenblättern der Hersteller entnehmen kann. Die Leistungszahl wird oft als COP, coefficient of performance, angegeben. Wärmepumpen sind daher ideal für die Gebäudeheizung und erfreuen sich dank staatlicher Förderungen wachsender Beliebtheit. Wegen der verstärkten Massenfertigung sinken ihre Anschaffungskosten. Jedoch wie steht es mit ihrer Klimafreundlichkeit? Woher kommt der benötigte Strom? Welche Wärmequellen werden genutzt? Wie nachhaltig sind Wärmepumpen? Klimafreundlichkeit von Geräten bedeutet, dass sie im Betrieb fossile Brennstoffe ersetzen. Wärmepumpen zur Gebäudeheizung werden mit elektrischem Strom betrieben. Neben Wasserkraft, Windkraft und Verwertung von Holzabfall und Müll ist Erdgas für die Stromerzeugung in Österreich wichtig: Im Jahrmittel 2020 betrug der fossile Anteil des Inlandsstroms 14 %. Besonders im Winter sind Stromimporte aus Deutschland und Tschechien notwendig, die etwa 25 % des Jahresbedarfs abdecken und von Kohle- und Kernkraftwerken kommen. Ein Problem stellt die beschränkte Übertragungskapazität des bestehenden Stromnetzes dar, das für die steigende Zahl der Wärmepumpen und leistungsstarken Ladestationen für E-Autos verstärkt werden müsste. Luft/Wasser-Wärmepumpen entziehen der Umgebungsluft Wärme und geben sie mit dem Transportmittel Wasser über einen Wärmetauscher an die Gebäudeheizung (Fußbodenheizung, Radiatoren) ab. Tiefe Außentemperaturen senken die Effizienz. Erdwärme/Wasser-Wärmepumpen nutzen die im Erdboden gespeicherte Wärme. Ab etwa 1 m Tiefe sinkt die Bodentemperatur im Winter selten unter 0 °C, mit einem Rohrsystem (144.1) kann die Erdwärme genutzt werden. Untersuche, überlege, forsche: Heizkostenvergleich 144.1 S3 Ermittle für eure Wohnung anhand der Heizkostenabrechnung den jährlichen Heizwärmebedarf in kWh und den spezifischen Heizwärmebedarf (HWB) pro m2 Wohnfläche. Ältere Gebäude mit HWB > 150kWh/m2 sollten besser wärmegedämmt werden. Vergleiche die Energiepreise für Erdgas und Strom. 144.1 Erdwärmepumpen zur Beheizung von Gebäuden entziehen dem Erdboden Energie. Dazu werden im Boden Erdkollektoren verlegt, durch die entweder Frostschutzmittel oder Kältemittel zirkuliert. Weniger Aufwand erfordern Luftwärmepumpen, die Außenluft abkühlen. Nutzwärme Erdkollektor Wärmepumpe Wärmetauscher 144.2 Prinzip der Wärmepumpe als Umkehrung des Kühlschranks Verdichter Verdampfung Expansionsventil Wärme z.B. Außenluft Wärme Kondensation Heizungsrücklauf Heizungsvorlauf 144.3 Wärmepumpen werden meist mit Fußbodenheizungen kombiniert, da sie nur bei niedrigen Vorlauftemperaturen T1 gute Leistungszahlen haben. Die Abgabe der Wärme über Heizkörper (Radiatoren) ist nicht zu empfehlen. 144 Thermodynamik 5 Wärme- und Kältetechnik Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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