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Wärmepumpen-Bauarten - Kompression, Sorption und Vuilleumier

Bauarten

Die Wärmepumpen-Bauarten lassen sich nach dem jeweiligen Arbeitsprinzip unterteilen in:

Kompressions-Wärmepumpen
Sorptions-Wärmepumpen
Vuilleumier-Wärmepumpen

Sorptions-Wärmepumpen wiederum lassen sich noch einmal in Absorptions- und Adsorptions-Wärmepumpen unterteilen. Weitere technische Lösungen, wie etwa die thermoelektrische Wärmepumpe werden voraussichtlich auf absehbare Zeit für die Beheizung von Gebäuden bzw. zur Trinkwassererwärmung keine Bedeutung haben.

Kompressions-Wärmepumpe

Unter den Wärmepumpen-Bauarten haben Kompressions-Wärmepumpen derzeit die größte Verbreitung und den technisch höchsten Standard. Sie funktionieren, vereinfacht ausgedrückt, wie Kühlschränke, allerdings mit der Zielvorgabe zu heizen, statt zu kühlen.

Elektro-Kompressions-Wärmepumpe

Die Elektro-Kompressions-Wärmepumpe entnimmt der Umwelt Wärme. Das flüssige Arbeitsmedium befindet sich dabei mit geringem Druck auf der Primärseite im Verdampfer. Weil die Umwelttemperatur außerhalb des Verdampfer höher ist als die Siedetemperatur des Arbeitsmediums, verdampft das Arbeitsmedium und entzieht der Umgebung Wärme. Der elektrisch betriebene Verdichter saugt das verdampfte Arbeitsmedium aus dem Verdampfer ab und verdichtet es. Bei diesem Vorgang steigen Druck und Temperatur des Dampfes. Vom Verdichter aus wird das dampfförmige Arbeitsmedium auf der Sekundärseite in den Verflüssiger gebracht, der vom Heizwasser umgeben ist. Da die Temperatur des Heizwassers niedriger als die Kondensationstemperatur des Arbeitsmediums ist, kühlt der Dampf ab und wird wieder flüssig. Die Wärme, die im Verdampfer aufgenommen wurde und die durch das Verdichten gewonnene Energie erwärmen nun das Heizwasser. Danach gelangt das Arbeitsmedium über ein Expansionsventil wieder in den Verdampfer. Hier entspannt sich das Kältemittel vom hohen Druck des Kondensators auf den niedrigen Druck des Verdampfers und kühlt ab.

Unter den Kältemitteln befinden sich Gemische aus drei Stoffen, die jeweils eigene Verdampfungstemperaturen haben. Dabei bewirkt der Einsatz eines Zusatz-Wärmetauschers bei dieser Wärmepumpen-Bauart die vollständige Verdampfung der einzelnen Stoffe. Dies hat zwei Auswirkungen: Flüssigkeitseinträge in den Verdichter lassen sich auf diese Weise verhindern und die Leistungszahl des Kältekreislaufes steigert sich, die Wärmegewinnung wird damit effizienter.

Die Funktionsweise des Zusatz-Wärmetauschers basiert darauf, dass ein Teil der Wärme im Arbeitsmedium hinter dem Verflüssiger über einen zusätzlichen Wärmetauscher auf die Dampfseite gebracht wird. Dies bewirkt, dass auch die übrigen Flüssigkeitstropfen verdampfen. Auf der kalten Seite steigt der Druck aufgrund dieser Wärmeübertragung - auf der warmen Seite hingegen kommt es zu einer Druckminderung. Wenn der Differenzdruck zwischen beiden Seiten wieder sinkt, reduziert sich auch die Verdichterarbeit. Dies senkt den Stromverbrauch und erhöht die Leistungszahl der Wärmepumpe um bis zu fünf Prozent.

Verwendet man regenerativ erzeugten Strom vom Energieversorger für diese Wärmepumpen-Bauart, lässt sich die Heizwärme eines Haushaltes vollständig regenerativ erzeugen. Neben der Solarenergie ist damit die Wärmepumpe das einzige Heizsystem, das Wärme kohlendioxidfrei hervorbringt.

Gasmotorische-Kompressions-Wärmepumpe

Unter den Wärmepumpen-Bauarten der Kompressions-Wärmepumpen gibt es auch Wärmepumpen, die mit Erdgas, Dieselkraftstoff oder Biomasse (Rapsöl, Biogas) betrieben werden. Ein Verbrennungsmotor - statt eines elektrischen Motors - treibt in diesem Fall den Verdichter an. Allerdings benötigt der Verbrennungsmotor eine Schalldämmung und eine Versorgung mit Kraftstoff. Gas-Kompressions-Wärmepumpen arbeiten primärenergetisch effizienter als Elektro-Wärmepumpen, weil sich die Abwärme des Verbrennungsprozesses als Heizwärme nutzen lässt.

Sorptions-Wärmepumpe

Eine weitere Wärmepumpen-Bauart sind die Sorptions-Wärmepumpen. Sie funktionieren nach dem physikalisch-chemischen Vorgang der Absorption, bei dem eine Flüssigkeit oder ein Gas von einer anderen Flüssigkeit aufgenommen wird. Beim ebenfalls chemisch-physikalischen Vorgang der Adsorption wird eine Flüssigkeit an der Oberfläche eines Festkörpers festgehalten. Dies geschieht unter bestimmten Bedingungen durch physikalische Einwirkungen wie Druck oder Temperatur. Sorptionsvorgänge sind reversibel. Das Prinzip der Sorption macht sich etwa bei der Kohlensäure bemerkbar, die im Mineralwasser absorbiert (gelöst) und beim Öffnen der Flasche durch die Verringerung des Drucks wieder frei wird. Das Filtern von Gerüchen und Schadstoffen aus der Atemluft durch Aktivkohle folgt dem Prinzip der Adsorption.

Diese Wärmepumpen-Bauarten lassen sich noch in Absorptions- und Adsorptions-Wärmepumpen unterteilen.

Absorptions-Wärmepumpe

Absorptions-Wärmepumpen werden in der Regel mit Erdgas betrieben. Sie basieren prinzipiell auf den gleichen physikalischen Grundlagen wie Kompressions-Wärmepumpen. Anders als bei diesen Wärmepumpen-Bauarten jedoch haben Absorptions-Wärmepumpen einen thermischen Verdichter (anstatt eines mechanischen Verdichters). Hier werden Kältemittel eingesetzt, die schon unter niedrigen Temperaturen und geringem Druck verdampfen, wenn sie Umgebungsenergie aufnehmen. Der Kältemitteldampf gelangt in den Absorber und wird dort von einem Lösungsmittel wie beispielsweise Wasser gelöst (absorbiert) und gibt diese Lösungswärme ab. Ein Wärmetauscher gibt die Wärme dann in das Heiznetz. Die Lösungsmittelpumpe sorgt mit sehr geringem Energieaufwand für den Transport der Stoffpaar-Lösung zum thermischen Verdichter. Das Stoffpaar besitzt unterschiedliche Siedetemperaturen. So ist es möglich, dass durch die Zufuhr von Wärme das gelöste Kältemittel mit der geringeren Siedetemperatur der beiden Stoffe wieder verdampft.

Der Kältemitteldampf, der nun ein hohes Druck- und Temperaturniveau aufweist, gelangt in den Verflüssiger, verflüssigt sich und gibt Kondensationswärme an das Heiznetz ab. Das flüssige Kältemittel entspannt sich über das Expansionsventil und kehrt auf das vorherige Druck- und Temperaturniveau zurück. In gleicher Weise wird mit dem Lösungsmittel im "Verdichterkreis" verfahren.

Der thermische Verdichter benutzt die Wärme aus der Gasverbrennung als Energiequelle, kann aber auch andere Wärmeerzeuger nutzen. Vorteil der Absorptions-Wärmepumpen ist die gute Ausnutzung der Primärenergie. Auch braucht dieses Wärmepumpen-Bauart außer der Lösungsmittelpumpe keine beweglichen Teile.

Adsorptions-Wärmepumpe

Unter den Wärmepumpen-Bauarten der Sorption ist sie die nächste Variante. Im Gegensatz zur Absorptions-Wärmepumpe basiert die Adsorptions-Wärmepumpe auf Feststoffen, wie beispielsweise Aktivkohle, Silicagel oder Zeolith. Zeolith ist ein Mineral, das Wasserdampf ansaugt, an sich bindet (adsorbiert) und dabei Wärme bis etwa 300°C abgibt. Die Adsorptions-Wärmepumpe arbeitet wie die anderen Wärmepumpen in einem Kreisprozess, läuft allerdings periodisch ab und unter der Voraussetzung eines Vakuumsystems. Der apparative Aufwand ist allerdings wegen der Vakuumtechnik recht groß bei dieser Wärmepumpen-Bauart.

In der so genannten Desorptionsphase wird dem Wärmetauscher, der mit Silicagel oder Zeolith beschichtet ist, beispielsweise mit einem Gasbrenner Wärme zugeführt. Das gebundene Wasser der Feststoffe Silicagel oder Zeolith setzt sich als Dampf frei und gelangt zum zweiten Wärmetauscher. Dieser Wärmetauscher gibt in einer ersten Phase die Wärme, die bei der Kondensation des Dampfes frei wird, an das Heizsystem ab. Wenn das Zeolith wasserfrei ist, der erwünschte Trocknungsgrad erreicht ist und das Wasser am zweiten Wärmetauscher kondensiert, ist die erste Phase beendet und der Brenner wird abgeschaltet.

In der zweiten Phase wirkt der Wärmetauscher als Verdampfer, er leitet dem Wasser Umweltwärme zu. In dieser Phase befinden sich im System Druckverhältnisse von etwa 6 Millibar, so dass das Kältemittel Wasser bei der Aufnahme von Umweltwärme verdampft. Der Wasserdampf gelangt wieder zum Wärmetauscher, wo ihn Silicagel oder Zeolith erneut aufnehmen (adsorbieren). Die Wärme, die von Silicagel oder Zeolith abgegeben wird, wird per Wärmetauscher an das Heizsystem gegeben. Die komplette Periode ist dann abgeschlossen, wenn der Wasserdampf vollständig adsorbiert ist.

Die Adsorptions-Wärmepumpe für Ein- und Zweifamilienhäuser ist noch in der Entwicklung.

Wie die Absorptions-Wärmepumpe auch, wird diese Wärmepumpen-Bauart schon seit längerer Zeit als leistungsstarke Kältemaschine eingesetzt.

Vuilleumier-Wärmepumpe

Die Vuilleumier-Wärmepumpe ist benannt nach dem französischen Ingenieur Rudolph Vuilleumier, der 1918 in Amerika für seine Erfindung ein Patent erhielt. Sie ist die nächste der zu behandelnden Wärmepumpen-Bauarten. Die Vuilleumier-Wärmepumpe wird - wie die Absorptions-Wärmepumpen - mit Erdgas betrieben. Sie arbeitet in einem thermisch angetriebenen regenerativen Gas-Kreisprozess mit dem Arbeitsmedium Helium.

Beim Vuilleumier-Verfahren können zwei Wärmequellen mit jeweils unterschiedlichem Temperaturniveau genutzt werden. Angetrieben wird der Kreisprozess über einen Gasbrenner und als zweite Wärmequelle wird über einen Wärmetauscher beispielsweise die Wärme der Außenluft genutzt. Vorteil des Verfahrens: Selbst bei Außentemperaturen von minus 20 °C sind Vorlauftemperaturen von 75 °C erreichbar, so dass sie auch für ältere Gebäude einsetzbar sind.

Derzeit erprobte Systeme zeigen, dass gegenüber der Gas-Brennwerttechnik Einsparungen in der Primärenergie von bis zu 44 Prozent möglich sind. So lassen sich Vuilleumier-Wärmepumpen durchaus für einen Bereich zwischen 15 und etwa 45 kW thermischer Leistung entwickeln. Damit sind Vuilleumier-Wärmepumpen im Vergleich zu Kompressions- oder Absorptionspumpen energetisch eine interessante Alternative - allerdings haben diese Wärmepumpen-Bauarten nach dem Vuilleumier-Verfahren die Serienreife noch nicht erlangt.

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