Wärmepumpe

Aus SystemPhysik
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Prozess-Schema einer WP

Die Wärmepumpe (WP) ist eine Maschine, die Wärme von einem niedrigen Temperaturniveau unter Energiezufuhr auf ein höheres Temperaturniveau transportiert. Die WP entzieht also der Umgebung Wärme, bringt diese mit Hilfe von Kompressoren auf eine höhere Temperatur und gibt sie an das Heizsystem oder die Warmwasseraufbereitung ab. Physikalisch korrekt ausgedrückt fördert die WP Entropie aus einem System mit tiefer Temperatur in ein System mit hoher Temperatur. Weil der zugeordnete Energiestrom bei tiefer Temperatur kleiner ist als bei hoher, muss die WP dem Entropiestrom eine Prozessleistung zuführen. Eine WP darf als rückwärts laufende Wärmekraftmaschine angesehen werden.

Verwendungszweck

Eine WP kann ein System kühlen oder heizen: bei der Kühlung wird Entropie an die Umwelt weggepumpt; beim Heizen wird Entropie von der Umwelt ins System hinein gefördert:

  • Kühl- oder Gefrierschrank: Entropie wird im Innern des Kühlgerätes mittles Kühlschlangen aufgenommen über einen Wärmetauscher an die Umgebung weggepumpt;
  • Klimaanlage: Entropie wird aus dem Gebäude an die Umgebung abgepumpt;
  • Kunsteisherstellung: Entropie wird dem Wasser entzogen, bis es gefriert;
  • Wärmepumpe bei Gebäuden: Entropie wird aus der Umgebungsluft, einem Gewässer, dem Grundwasser oder dem Boden entzogen und ins Gebäude hinein gepumpt.

Arbeitsweise

Unterschiedliche Effekte kommen bei Wärmepumpe zur Anwendung:

  • Entropieaufnahme oder -abgabe durch Volumenänderung des Arbeitsmediums (latente Entropie)
  • Entropieaufnahme oder -abgabe durch Verdampfen oder Kondensieren des Arbeitsmediums (Verdampfungentropie)
  • Entropieaufnahme oder -abgabe durch Mischen oder Entmischen zweier verschiedener Stoffe;
  • Temperaturänderung durch isentrope Expansion oder Kompression;
  • thermoelektrische Kopplung;

Heutige Wärmepumpen arbeiten meist mit Verdampfen und Kondensieren. Man unterscheidet zwischen Kaltdampfprozess und Heissdampfprozess. Beim Kaltdampfprozess liegen alle Temperaturen (Verdampfen und Kondensieren) unter dem kritischen Punkt des Arbeitsmediums (Kältemittel), beim Heissdampfprozess liegt die Temperatur des Arbeitsmittels bei der Entropieabgabe über der kritischen Temperatur.

Wirkungsgrad

Die Effizienz einer Wärmepumpe wird mit Hilfe der Leistungszahl ε gemessen. Dabei unterscheidet man zwischen Leistungsziffern für Heiz- und Kühlzwecke

Heizung: [math]\varepsilon=\frac{I_{W2}}{P}[/math]
Kühlung: [math]\varepsilon=\frac{I_{W1}}{P}[/math]

Die Leistungszahl setzt den Ertrag (Wärmezufuhr bei der Heizung, Wärmeabfuhr bei der Kühlung) in Relation zum Aufwand (Pumpleistung). Im Gegensatz dazu vergleicht der Wirkungs- oder Gütegrad die reale mit der idealen Leistungszahl. Die ideale Leistungszahl wird in Anlehnung an den Carnot-Zyklus auch Carnot-Leistungszahl genannt

[math]\eta=\frac{\varepsilon}{\varepsilon_C}[/math]

Die Grösse der Carnot-Leistungszahlen hängen nur von der unteren Temperatur T1 und der oberen Temperatur T2 ab

Heizung: [math]\varepsilon_C=\frac{T_2I_S}{(T_2-T_1)I_S}=\frac{T_2}{T_2-T_1}[/math]
Kühlung: [math]\varepsilon=\frac{T_1 I_S}{(T_2-T_1)I_S}=\frac{T_1}{T_2-T_1}[/math]

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