Von Jeremy Cook
Die elektrische Widerstandsheizung, bei der Strom durch ein Medium fließt, das elektrischen Widerstand aufweist, ist die einfachste Form der elektrischen Heizung. Diese Wärmeerzeugung ist dem elektrischen Prozess inhärent und in den allermeisten Fällen eine Ineffizienz, die mit Geräten wie Kühlkörpern und Lüftern vermieden und/oder kontrolliert werden soll.
In einem Widerstandsheizelement ist diese Ineffizienz (Wärme) das Produkt bei einem theoretischen Wirkungsgrad von 100 % auf Basis der Energieabgabe und der Energiezufuhr.
Leider ist auch ein Wirkungsgrad von 100 % nicht ausreichend, um eine praxisgerechte elektrische Beheizung von Wohnungen und Gebäuden – anstelle der Verbrennung fossiler Brennstoffe – zu ermöglichen. Es gibt jedoch noch eine andere Lösung: die elektrische Wärmepumpe. Statt elektrische Energie direkt in Wärmeenergie umzuwandeln, absorbieren und transportieren Wärmepumpen Wärme aus einem Bereich (z. B. im Freien) und pumpen sie in Gebäude. Dabei vervielfachen sie die Wärmeabgabe gegenüber der Aufnahme elektrischer Energie. Die Effizienz der Wärmepumpe und die Kosteneinsparungen im Vergleich zur Widerstandsheizung machen die Wärmepumpe sehr attraktiv.
Leistung und Betrieb von Wärmepumpen
Die Leistung der Wärmepumpe wird als Heizzahl oder COP (Coefficient Of Performance) angegeben und mit folgender Gleichung ermittelt: Aufgenommene Leistung × COP = Wärmeabgabe.
Die COP einer Widerstandsheizung beträgt 1, Wärmepumpen erreichen eine COP von 2 oder 3 (oder noch höher, abhängig vom Aufbau und von den Wärmebedingungen). Indem die gewünschte Wärmeabgabe durch die COP geteilt wird, ergibt sich die erforderliche Aufnahmeleistung. Dabei handelt es sich normalerweise um einen Bruchteil der für eine äquivalente Widerstandsheizung erforderlichen Eingangsleistung.
Die Energieübertragung erfolgt bei einer Wärmepumpe über einen Wärmekreislauf, der mit einer Flüssigkeit mit niedrigem Siedepunkt (Kühlmittel) gefüllt ist. Dieser Wärmekreislauf entspricht (wenn auch in umgekehrter Richtung) dem eines Kühlschranks, bei dem Wärme aus einem geschlossenen Raum abgeführt wird, um Lebensmittel kühl zu halten.
Vereinfachte Darstellung des Prozesses für eine Gebäudeheizung:
1. Ein Thermalfluid mit niedrigem Siedepunkt (also ein Kühlmittel) verlässt den Kompressor als superheißer Dampf mit hohem Druck.
2. Das Fluid wird in den Wärmetauscher im Gebäudeinneren geleitet. Das Fluid gibt Energie in Form von Wärme an die Raumluft ab (mittels gerichtetem Luftstrom, der von einem Lüfter erzeugt wird). Dabei kondensiert die Flüssigkeit zu einer weiterhin unter hohem Druck stehenden, aber etwas kühleren Flüssigkeit.
3. Das Expansionsventil wandelt das Fluid in eine Niederdruckmischung aus Flüssigkeit und Dampf mit niedriger Temperatur um.
4. Das Fluid wird in den Wärmetauscher im Freien geleitet. Der Flüssigkeit wird (mittels gerichtetem Luftstrom, der von einem Lüfter erzeugt wird) Energie aus dem Freien zugeführt, um sie zu verdampfen. Das Fluid verlässt den Wärmetauscher als leicht überhitzter Dampf mit niedrigem Druck und niedriger Temperatur.
5. Das Fluid wird in den Kompressor geleitet und zu überhitztem Dampf mit hoher Temperatur und hohem Druck transformiert, um den Zyklus neu zu beginnen.
Das zentrale Konzept dieses Zyklus besteht darin, dass in Schritt 2 Energie an die Umgebung abgegeben wird, um das Gebäude zu heizen, während in Schritt 4 Energie aus dem Freien aufgenommen und dann in das Gebäude transportiert wird. Das entgegengesetzte Konzept wird bei einer Klimaanlage verwendet, um Räume zu kühlen.
Kühlmittel haben üblicherweise Siedepunkte, die unter 0 °C liegen. R410A hat beispielsweise einen Siedepunkt von –48,5 °C (–55,3 °F). Dieser Zyklus basiert darauf, dass viel Energie zugeführt werden muss, um ein Fluid zum Sieden zu bringen, sodass beim Kondensieren viel Energie freigesetzt wird.
Weiterentwicklungen der modernen Wärmepumpe
Das allgemeine Konzept der Wärmepumpe ist schon seit ungefähr zweihundert Jahren bekannt und wird seit vielen Jahrzehnten in gemäßigten Klimazonen zum Beheizen von Gebäuden eingesetzt. Noch vor Kurzem konnten Wärmepumpen in kälteren Klimazonen wie dem Norden der USA und in Kanada nicht sinnvoll eingereicht werden. Diese Einschränkung gilt mit den kürzlichen technischen Fortschritten nicht mehr.
Hochleistungskühlmittel mit sehr niedrigem Siedepunkt (R410A hat beispielsweise einen Siedepunkt von –55,3 °C) ermöglichen den Einsatz bei niedrigen Temperaturen. Zugleich tragen verbesserte Designs der Wärmetauscher dazu bei, dass mehr Wärmeenergie im Freien aufgenommen wird.
Kompressoren mit variabler Drehzahl und fortschrittlichen Motortreibern erlauben, die Heizung nach Bedarf hoch- und herunterzufahren, sodass nicht mehr nur die Einstellungen Ein und Aus zur Verfügung stehen.
Verbesserte IGBT-Gate-Treiber und auch Siliziumkarbidkomponenten machen diese Technologie in Verbindung mit Stromerfassungsprodukten für den Betrieb im geschlossenen Regelkreis und fortschrittlicher prädiktiver Wartung der Wärmepumpe zukunftssicher. Andere Komponenten wie hochentwickelte Magnete und Induktoren, aber auch Steckverbinder sorgen dafür, dass Wärmetauscher mit höchster Effizienz arbeiten und langfristige Zuverlässigkeit bieten.
Zukünftige Möglichkeiten von Wärmepumpen
Dieser Artikel konzentriert sich auf Wärmepumpen für die Beheizung von Räumen und Gebäuden mit Außenluft. Grundsätzlich kann für Wärmepumpen-Wasserheizungen aber dieselbe Technologie eingesetzt werden. Diese Konzepte lassen sich auch mit einem Erdwärmeübertrager in einer Konfiguration umsetzen, in der die nahezu gleichbleibende Bodentemperatur als im Vergleich zur Außenluft bessere Energiequelle genutzt wird. Wärmepumpen können auch in industriellen Prozessen eingesetzt werden und dabei Alternativen ersetzen, die auf fossilen Brennstoffen oder Widerstandsheizungen basieren.
Aufgrund ihrer Vorteile und der aktuellen Bemühungen um die Reduzierung der Nutzung fossiler Brennstoffe ist schon in naher Zukunft ein vermehrter Einsatz von Wärmetauschern zu erwarten. Aufgrund der Verbesserungen bei Elektrik und Mechanik können wir höhere Wirkungsgrade dieser Einheiten erwarten, die sie in den kommenden Jahren noch attraktiver machen werden.
Ähnliches Produkt:
Ähnliches Produkt:
Ähnliches Produkt:
Ähnliches Produkt:
