Funktionsprinzip einer Wärmepumpe
Von der Funktion her ist die Wärmepumpe mit einem Kühlschrank vergleichbar: Während der Kühlschrank dem Innenraum (den Lebensmitteln) Wärme entzieht und über die Rückseite an die Umgebung abgibt, entzieht die Wärmepumpe der Umgebung die Wärme und gibt sie an den Innenraum (in Form von Raumtemperatur) ab. Dies geschieht, indem auf ein höheres Temperaturniveau gepumpt wird, mit dem das Gebäude beheizt werden kann. Die tiefere Umgebungstemperatur wird also in höhere Raumtemperatur umgewandelt.
Die meisten Wärmepumpen, die in Privathäusern eingesetzt werden, verwenden elektrisch betriebene Kältemittelverdichter. Die Arbeitsmedien sind in der Regel Kältemittel mit einer sehr niedrigen Siedetemperatur, meist –25 °C bis –40 °C bei Atmosphärendruck.
Beim am häufigsten verwendeten System, dem Kaltdampf-Kompressionsverfahren, wird die Abhängigkeit der Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur vom Druck genutzt. Das Kältemittel verdampft auf der kalten Seite und nimmt dabei eine möglichst große Verdampfungswärme auf. Danach wird es im Verdichter wieder komprimiert, gibt Kondensatwärme ab und wird verflüssigt. Im Drosselorgan wird es wieder auf den „anfänglichen“ Verdampfungsdruck gebracht (Kunz et al. 2010, S. 6–7).
Thermodynamischer Kreisprozess
Ein thermodynamischer Kreisprozess ist definiert als ein Prozess, in dem ein Arbeitsmedium eine Reihe von Zustandsänderungen durchläuft, bevor es seinen ursprünglichen Zustand wieder erreicht und der Vorgang erneut beginnen kann. Der Drehrichtung des Kreisprozesses gemäß unterscheidet man:
- rechtslaufende Prozesse: Ein Teil der zugeführten Wärmeenergie wird in mechanische Arbeit umgesetzt (z. B. Kraftwerk).
- linkslaufende Prozesse: Umweltwärme mit niederer Temperatur wird durch Zufuhr mechanischer Arbeit auf ein höheres Temperaturniveau gehoben (z. B. Wärmepumpe).
Der thermodynamische Kreisprozess von Kompressionswärmepumpen ist in vier Hauptphasen unterteilt:
Das Kältemittel wird im Verdampfer bei niedrigem Druck und niedriger Temperatur verdampft. Die Energie hierfür wird der Wärmequelle entzogen. In dieser Phase ist das Kältemittel auf einem niedrigen Druckniveau gasförmig.
Der Kältemitteldampf wird mittels eines elektrisch angetriebenen Verdichters auf einen höheren Druck verdichtet, wodurch die Temperatur des Kältemittels ansteigt. In dieser Phase ist das Kältemittel auf einem hohen Druckniveau gasförmig.
Der unter hohem Druck und hoher Temperatur stehende Kältemitteldampf wird im Kondensator verflüssigt, wobei das Kältemittel Wärme an einen Wärmeträger abgibt. Diese Wärme wird dem Verbraucher (z.B. Raumheizung, Warmwasser) zur Verfügung gestellt. Das Kältemittel ist auf einem hohen Druckniveau flüssig.
Das flüssige Kältemittel wird durch ein Drosselorgan (Expansionsventil) entspannt (expandiert), wodurch das Kältemittel von hohem auf niedrigen Druck gebracht wird. Dies führt zu einem starken Temperaturabfall, und der Kreisprozess kann erneut beginnen. In dieser vierten Phase ist das Kältemittel auf einem niedrigen Druckniveau großteils flüssig.
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Texte: Autor_innen des Lernfelds/ Fallbeispiel/ Kurswoche, Erscheinungsjahr, Titel des Lernfelds/ Fallbeispiel/ Kurswoche. Hrsg.: e-genius – Initiative offene Bildung, www.e-genius.at”
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