Wie funktioniert eine Wärmepumpe?
Eine Wärmepumpe besteht aus mindestens vier Hauptbauteilen:
- Dem Verdichter
- Dem Verflüssiger
- Dem Drosselorgan
- Dem Verdampfer
In einigen Anwendungsfällen wird diese Wärme durch Wärmerückgewinnungseinheiten geleitet und nur überschüssige Energie ins Freie verbracht. Meist werden solche Systeme dort eingesetzt, wo z. B. Kühlräume gekühlt und gleichzeitig ein Wärmebedarf für Warmwassererzeugung besteht.
Auf Grund der unterschiedlichen Möglichkeiten, der Energiegewinnung unterscheidet man Wärmepumpen in:
- Luft / Luft Wärmepumpen
- Luft / Wasser Wärmepumpen
- Wasser / Wasser Wärmepumpen
Luft / Luft Wärmepumpen
Splitklimaanlagen, welche kühlen und heizen können, werden überall dort eingesetzt, wo im Sommer ein Kühlbedarf besteht, z. B. Shop-, Büro-, Tankstellen-, Container- und Wohnraumklimatisierung.
Hier wird im Sommer die Wärme aus den zu kühlenden Räumen über eine Inneneinheit zur Außeneinheit, die in der Regel auf einem Dach placiert ist, an die Außenluft abgegeben. Fallen die Außentemperaturen im Winter entsteht Heizbedarf, welcher durch Umkehren des Kältekreislaufes gedeckt werden kann. In diesem Fall entziehen wir der Außenluft Wärme, d. h. wir kühlen die Außenluft und führen die Wärme zur Inneneinheit, wo diese wiederum an die Innenluft abgegeben wird und so zu einem Temperaturanstieg führt.
Neuste Systeme können dies bis zu einer Außentemperatur von -15°C bis -20°C realisieren. Beim Betrachten der Temperaturen stellt sich die Frage, wie kann man mit Luft, welche -15°C hat, heizen?
Wenn wir nun die Temperaturen außer Acht lassen und uns auf Energie konzentrieren, stellen wir fest, dass bis auf den absoluten Nullpunkt von annähernd -273°C immer Energie in der Luft vorhanden ist, welche wir durch einen noch kälteren Wärmetauscher in unsere System „saugen“ können, d. h. in unserem Fall: Lufttemperatur -15°C, Wärmetauschertemperatur -30°C.
Somit haben wir die Möglichkeit, durch die Verdampfung von Kältemittel, Energie aufzunehmen. Dieses wird vom Verdichter angesaugt, mit z. B. einer Temperatur von -17°C. Durch die Wicklung des Verdichtermotors, welche bei vollhermetischen Verdichtern vom Kältemittel gekühlt werden, nutzen wir einen Teil der zugeführten elektrischen Energie.
Da beim Verdichtungsprozess Wärme entsteht, „gewinnen“ wir hier nochmals Wärmeenergie, so dass das Kältemittel auf z. B. ca. 60°C erhitzt wird. Das 60°C warme Kältemittel wird nun zur Inneneinheit geführt und dort durch die Innenluft abgekühlt, was eine Temperaturerhöhung im Raum zur Folge hat. Hierbei wird das Kältemittel wieder verflüssigt und der Prozess beginnt von neuem.
Als Beispiel stellen Sie sich Ihre Tiefkühltruhe vor. Innen ca. -20°C außen +22°C. Auch hier entziehen wir einem Medium Wärme und verbringen diese auf ein höheres Temperaturniveau.
Es sind die selben Hauptbauteile wie bei einer Kälteanlage, da bei einer Wärmepumpe, der Kältekreislauf nur umgekehrt wird.
Der grundlegende Unterschied zwischen einer Kälteanlage und einer Wärmepumpe besteht darin, dass wir bei einer Wärmepumpe Heizenergie zur Verfügung stellen, die wir nutzen. Eine Kälteanlage wird in der Regel so gebaut, dass die abzuführende Wärme ins Freie verbracht wird und dort ungenutzt verbleibt. Splitklimaanlagen für z. B. Serverräume oder Büros, bzw. Kälteanlagen mit geringer Kälteleistung verbringen die überschüssige Wärme fast ausschließlich ins Freie, da der finanzielle Aufwand der Kostenersparnis gegenüber steht.
Luft / Wasser und Wasser / Wasser Wärmepumpen
Diese Wärmepumpen funktionieren genau, wie die Luft / Luft Wärmepumpe. Der einzige Unterschied besteht darin, aus welchem Medium die Energie gewonnen wird und anschließend abgegeben wird.
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Rechenbeispiel für eine Mitsubishi – Electric Außeneinheit Typ: PUHY-P650YGM-A ( Produktkatalog )
Im Sommer:
Kühlbedarf von 73,0 kW Kälteleistung, um Büros und Lagerflächen zu kühlen. Elektrische Aufnahme der Außeneinheit, ohne Inneneinheiten: 19,65 kW
Energiekosten bei 100% Anforderung, 8 Std. am Tag, für 50 Tage, bei 0,17 € pro kWh. 1336,20 € zzgl. 19% MwSt.
Im Winter:
Heizbedarf von 81,5 kW Heizleistung, um Büros und Lagerflächen zu heizen. Elektrische Aufnahme der Außeneinheit, ohne Inneneinheiten: 19,82 kW
Energiekosten bei 100% Anforderung, 8 Std. am Tag, für 50 Tage, bei 0,17 € pro kWh. 1347,76 € zzgl. 19% MwSt.
Ersichtlich ist, dass je nach Sommer- und Wintertemperaturen, mehr oder weniger gekühlt bzw. geheizt wird.
Der entscheidende Punkt ist aber nicht in den angenommen Laufzeiten zu sehen, sondern in der elektrische Aufnahme, im Heizfall. Wärmepumpen können aus einem kW elektrischer Leistung, vier und mehr kW Heizleistung erzeugen. Wie oben beschrieben, nutzen diese Systeme die kostenlose Wärme in der Außenluft, was unter Umständen die Energiekosten für den Kühlbetrieb ausgleichen kann.
Ein Beispiel:
Ihre Öl- oder Gasheizung verbrennt, den Brennstoff mit max. 100% Ausnutzung, der zu Verfügung stehenden Energie, im Brennstoff.
Ergo: 1,0 kW Energie = 1,0 kW Heizleistung
Eine Wärmepumpe nimmt ein kW elektrische Leistung auf und stellt damit vier oder mehr kW Heizleistung zu Verfügung, da die zusätzliche Wärme aus der Umgebung mit genutzt werden kann.
Ergo: 1,0 kW Energie = 4,0 kW Heizleistung
Somit fallen beim Energieeinkauf nicht die vollen 81,5 kW Heizleistung, in Form von Öl- oder Gaseinkauf an, sondern in unserem Beispiel 19,82 kW für elektrische Energie, bei gleicher Heizleistung. Hier durch können sich die Heizkosten in beträchtlichem Maße reduzieren.
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