Wärmepumpe
Allgemeines
Auf der Suche nach einer nachvollziehbaren Einscheidungshilfe zur Anschaffung einer (Pool-)Wärmepumpe bin ich auf viele Seite gestoszen, die zwar durchaus brauchbare Informationen bereit gehalten haben, aber trotzdem blieb eine Unsicherheit zur genauen Beurteilung einer Anlage eines bestimmten Herstellers.
Ein Auslöser für diese Unsicherheit war z.B. folgende Textpassage von upoolia.de
Zitat:
Wie werden Leistungsdaten geschönt? Bei den Leistungsangaben zu Wärmepumpen wird möglicherweise noch mehr gelogen wie bei den Verbrauchszahlen im Automobilbau. Dies gilt auch oder vielleicht sogar besonders für die Anbieter die sich im Internet rühmen der größte Hersteller zu sein. Geht man zum Beispiel bei der Wertermittlung davon aus, dass das Eingangswasser nur 10°C ist und die Umgebungstemperatur 26°C ist kommen natürlich bessere COP Werte und damit Wirkungsgrade heraus als bei 15°C Eingangs-Wassertemperatur und 10°C Außentemperatur. Wie der Idealwert ermittelt wurde wird leider verschwiegen. (Siehe Diagramm zum Wirkungsgrad in Abhängigkeit von den Temperaturen) Pumpensysteme besitzen wie Autos eine ideale Betriebsgeschwindigkeit. Geht man an die obere Leistungsgrenze (maximale Heizleistung) verschlechtern sich die Werte erheblich (Ihr Auto braucht bei Vollgas auch mehr Benzin für 100 gefahrene km.) Ist man zu weit unten entsteht der gleiche Effekt. Inverter-Pumpen sind Drehzahlgeregelt. Die Angaben beziehen sich auf einen sehr geringen Drehzahlbereich, der nur beim Halten der Pool-Temperatur mit optimalen Außentemperaturen und geringen Wassereingangstemperaturen erreicht wird.
Einstieg
Um eine genauere Basis zur Abschaetzung zu erhalten, lohnt sich wie so oft eine Blick nach Wikipedia.
Eine solche Wärmepumpe gehoert zu den thermischen Maschinen. Diese werden in Waermekraftmaschinen, Kaeltemaschinen und Waermepumpen eingeteilt. Es gibt Literatur, die die Kaeltemaschinen und Waermepumpen zu Kraftwaermemaschinen zusammenfassen. Dies ist durchaus sinnvoll, da dann die Aufteilung in rechtsdrehender Kreisprozesz (Uhrzeigersinn) bei Waermekraftmaschinen und linksdrehender Kreisprozesz (Gegenuhrzeigersinn) bei Kraftwaermemaschinen sehr deutlich wird. Um deren Funktionsprinzip besser zu verstehen, sollte man ein Verstaendnis fuer den Kreisprozesz einer periodisch arbeitenden Waermekraftmaschine, bzw. Kraftwaermemaschine entwickeln. Man hat ein Arbeitsmedium, das verschiedene Zustandsaenderungen (Druck, Volumen, Temperatur und Energie) durchlaeuft. Fuer die theoretische Erlaeuterung ist es ausreichend einen solchen (Kreis-)prozesz mit nur 2 Zustaenden zu betrachten. Im pV-Diagramm (auch p,V-Diagramm, oder p,v-Diagramm) ergibt sich qualitativ die folgende Darstellung.
Rechtsprozesz (obere Grafik): Umwandlung von Waermeenergie in mechanische Arbeit (Q->W)
Linksprozesz (untere Grafik): Umwandlung von mechanischer Arbeit in Waermeenergie (W->Q)
Amerkungen zum pV-Diagramm
Der Druck wird in bar angegeben. Die gesetzliche, aber nicht SI-Einheit, hat nur den Vorteil, dass die Zahlen an der y-Acchse nicht so grosz sind. Man koennte aber genau so gut 10^5 Pa schreiben. Das Pascal ist im Internationalen Einheitensystem (SI) die Maßeinheit des Drucks sowie der mechanischen Spannung. Sie ist nach Blaise Pascal benannt und folgendermaßen definiert:
1 Pa = 1 N·m−2
Hektopascal (1 hPa = 100 Pa) und dem Kilopascal (1 kPa = 1000 Pa) auch das Bar (1 bar = 10^5 Pa = 100 kPa)
Der mittlere Luftdruck der Atmosphäre auf Meereshöhe (Standard- bzw. Normdruck) beträgt
1 atm = 101325 Pa = 1013,25 hPa = 1,01325 bar = 1013,25 mbar.
Wie beim Druck mit bar verhaelt es sich auch beim Volumen. Ein Liter ist zwar eine gesetzliche Maszeinheit, aber 0,001 m^3 ist etwas sperrig. Der Liter wird noch durch die Stoffmaenge (SI-Einheit) geteilt.
Avogadrosches Gesetz: Gleiche Volumina verschiedener Gase enthalten bei gleichem Druck und gleicher Temperatur die gleiche Anzahl an Teilchen. Mit anderen Worten, 1 Mol eines (idealen) Gases nimmt bei 0 °C und 101325 Pa ein Volumen von 22,4 l ein. Dieses Gesetz gilt streng nur für ideale Gase.
Wenn man also an der x-Achse einen Wert von z.B. 40 angeschrieben findet, sind das 40 l/mol (Liter pro mol).
Mit der 2D-Darstellung des pV-Diagramm konnte ich mich noch nie richtig anfreunden. Die Isochoren und Isobaren sind zwar sehr einfach zu deuten, aber die dritte Dimension, die Temperatur, faellt entweder unter den Tisch oder wird als "Tiefenwert" in die 2D-Darstellung eingefuegt. Um aber isotherme, isentrope (adiabatische), polytrope Vorgaenge zu erkennen/deuten/verstehen ist fuer mich die 3D-Darstellung also p(V,T) unverzichtbar.
Thermische Maschinen
Legende: rot="Warmseite" blau="Kaltseite" gruen="Energiegewinn Haupteffekt" grau="Energiestrom (Waerme/Elektro) Nebeneffekt"
Waermekraftmaschinen
Der Carnot-Prozesz z. B. wird rechtsherum (Rechtsprozesz/Plus-Zyklus) durchlaufen. In diesem Fall wird Waermeenergie in mechanische Energie gewandelt. Typische Vertreter sind der Verbrennungsmotor oder Dampfmaschine. Dieser Maschinentyp soll hier nicht naeher betrachtet werden.
Kraftwaermemaschinen
Der Kreisprozesz wird linksherum (Linksprozesz/Minus-Zyklus)durchlaufen. Typische Verteter sind Waermetauscher (Kuehlschrank, Klimaanlage) und Waermepumpen.
Beim Linksprozesz muessen wir mechanische Arbeit zufuehren um den Kreislauf zu durchlaufen,
da der "Rueckweg" mehr Energie benoetigt als der "Hinweg".
Die mechanische Arbeit wird von einem Kompressor/Verdichter erbracht, der elektrische Energie in mechanische umwandelt, die zum "Antreiben" des Waermestroms dient.
Neben dem Kompressor/Verdichter (4) gibt es fuer den Zustandsablauf noch drei weitere technische Bauteile, den Verdampfer (3), den Kondensator (1) und eine Drossel (2).
Dieser Aufbau ist beim Kuehlschrank, Klimaanlage und Waermepumpe weitestgehend identisch.
Wie kann man sich nun den technischen Ablauf am besten merken.
Fangen wir mit dem Kompressor an. Er nimmt die notwendige (elektrische) Energie auf, um vom Zustand 2 (V grosz,p klein) zurueck zum Zustand 1 (V klein, p grosz) zu kommen. Er ist also fuer eine Volumenverkleinerung und Druckerhoehung verantwortlich. Der "Gegenspieler" zum Kompressor ist die Drossel. Ohne sie wuerde der Kompressor ins "Leere" arbeiten. Die Druckerhoehung (mit Volumenverkleinerung) geschieht also nur weil am "Ausgang" des Kompressors eine Drossel den "Ausweg" verkleinert. Jeder der schon mal mit einer Luftpumpe gearbeitet hat kennt den Effekt, dass wenn man das Luftaustrittsventil zuhaelt, die Pumpe beim Zusammenschieben warm wird. Diese Waerme wird durch einen Waermetauscher zwischen Kompressor und Drossel abgegeben. Wenn man weisz (s.u.), dass condensare dicht zusammendraengen heiszt, liegt es nahe diesen Waermetauscher Kondensator zu nennen. Nach dem Zustand 1 gibt die Drossel das Gas (evtl. sogar fluessig) wieder in die "Freiheit". Der Druck sinkt und das Volumen nimmt wieder zu. Dieser Vorgang benoetigt Energie, die aus der Umgebung mit Hilfe eines weiteren Waermetauschers (Lamellenwaermeuebertrager bei der Waermepumpe) genommen wird. An dieser Stelle ist es hiflreich, sich nochmal zu vergegenwaertigen, dass es Kaelte physikalisch eigentlich gar nicht gibt, sondern kalt eigentlich mit weniger warm besser ausgedrueckt werden kann. Da der zweite Waermetauscher Energie aus der Umgebung aufnimmt, um die Volumenzunahme des Kreislaufmittels zu unterstuetzen, "fehlt" diese Energie in der unmittelbaren Umgebung des Waermetauschers. Der Umgebung wird also Energie entzogen, allerdings weniger als der Kondensator an Waermeenegie abgibt. Die unmittelbare Umgebung wird also kaelter. Diese kalte Luftmasse wird durch einen Ventilator wegtransportiert, um fuer "neue" waermere Luft Platz zu machen. Merke: Kaelte ist fehlende Waerme:-) Der zweite Waermetauscher wird auch Verdampfer genannt, da die eingesetzten "Kaeltemittel" idR fluessig die Drossel verlassen und danach im Waermetauscher verdampfen, also ihren Aggregatzustand von fluessig nach gasfoermig wechseln und dabei Waerme aufnehmen (muessen).
Auf dem Foto auf dieser Seite sieht man gut den Verdichter, die zwei Waermetauscher und die Drossel. Leider ist das Bild zu schlecht um die anderen Komponenten auszumachen.
Eine sehr schoene schematische Darstellung einer Waermepumpe findet sich hier
Eine noch detailliertere Beschreibung ist hier entnommen.
Zitat:
Während der Verdampfer Wärme aufnimmt, gibt der Verflüssiger (Kondensator) die Wärme des vom Verdichter kommenden heißen Kältemittelgases über einen Wärmetauscher an das Heizungswassers wieder ab. Dabei tritt der überhitzte Dampf in den Verflüssiger ein, wird auf Verflüssigungstemperatur abgekühlt (Enthitzung) und kondensiert (Verflüssigung). Nach der Verflüssigung des Kältemittels wird das Kondensat noch weiter gekühlt (Unterkühlung), um Dampfblasen vor dem Expansionsventil zu vermeiden. Diese könnten sonst die Flüssigkeitszufuhr zum Verdampfer mindern und diesen in seiner Funktionsfähigkeit einschränken.
Damit der Dampf jedoch Wärme an die Umgebung abgeben kann, muss seine Temperatur höher liegen, als die Umgebungstemperatur. Dies ist nur bei sehr hohen Drücken möglich ist. Bei einer Umgebungstemperatur von 40 °C muss z.B. das Kältemittel R12 auf über 10 bar komprimiert werden. Die obere Temperatur, bei der die Wärmepumpe noch Energie an die Umgebung abgeben kann, hängt also stark davon ab, wie hoch der Dampf im Verdichter komprimiert werden kann, was wiederum die Leistungszahl bzw. Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe beeinflusst.
Verflüssigen und Verdampfen sind zwei zentrale Prozesse in einer Wärmepumpe. Die Verflüssigung bezeichnet den Phasenübergang eines Gases oder Gasgemisches in den flüssigen Aggregatzustand. Analog dazu ist Verdampfung der Phasenübergang einer Flüssigkeit oder eines Flüssigkeitsgemisches in den gasförmigen Aggregatzustand. Die sehr ähnliche Funktion des Verdampfers und des Verflüssigers machen es daher recht einfach möglich, mit einer Wärmepumpe auch zu kühlen, indem nur die Funktionen von Verdampfer und Verflüssiger getauscht werden. Aus technischer Sicht geschieht dies durch ein Umschaltventil, zwei Rückschlagventile und ein zweites Expansionsventil.
Im Verflüssiger wird der Wärmestrom vom Kältemittel zu Heizmedium durch die Übertragungsfläche des Wärmetauschers, die Temperaturdifferenz und die Wärmedurchgangszahl bestimmt. In Wärmepumpen beträgt die Temperaturdifferenz beim Heizmedium Wasser etwa 2 bis 5 Kelvin (K) und beim Heizmedium Luft wie bei Luft/Luft-Wärmepumpen rund 5 bis 10 K. Die Wärmemenge, die der Verflüssiger auf das Heizmedium überträgt, ist daher in etwa die Summe der Wärme, die im Verdampfer aufgenommen wurde, plus der vom Verdichter aufgenommenen elektrischen Energie.
Kondensieren
Wortherkunft: lateinisch condensare → la „dicht zusammendrängen“, einer Ableitung zum Adjektiv densus → la „dicht“ mit dem Präfix con- → la „mit, zusammen“;
Synonym kann auch verflüssigen (seltener: dehydratisieren, eindampfen, evaporieren) benutzt werden.
Ein Kondensator (oder Kondenser) ist ein Apparat, in welchem ein Stoff vom gasförmigen Aggregatzustand in den flüssigen Aggregatzustand überführt wird (Kondensation).
Diese Definition eines Kondensator ist zu kurz gegriffen und laesst eine Verbindung zum elektrischen Kondensator nicht mehr zu. Besser waere eine Definition wie folgt:
Ein Kondensator ist ein (technischer) Gegenstand, der ein Medium dicht zusammendrängt.
Besser als Gegenstand finde ich noch Device.
Das Medium beim elektrischen Kondensator waeren die Elektronen und bei einem Kondenser waere es z. B. Wasser.
Der Kondensator wird auch Verfluessiger genannt.
Expansionsorgan
Das Expansionsorgan ist ein Bauteil einer Wärmepumpe≡, das zwischen Verflüssiger und Verdampfer eingebaut wird und zur Absenkung des Druckes (Entspannung des Gases) erforderlich ist.
Das Expansionsorgan, eigentlich Expansionsventil ist ein gesteuertes Drosselventil (Drossel). Es heißt so, weil es die Expansion im Verdampfer so steuert, dass möglichst kein flüssiges Kältemittel mehr übrig bleibt. Damit soll der (Gas-)Kompressor geschuetzt werden.
Rohrleitungen
Duenne Rohre deuten auf fluessige Phase und dicke Leitungen auf gasfoermige Phase hin.
Warmepumpenparameter
Kaeltemittel
Die Daten sind der Anleitung meiner Waermepumpe entnommen.
Das Gerät enthält das fluorierte Treibhausgas Difluormethan (R32), welches für die Funktionalitaet des Geräts erforderlich ist. Die industrielle Bezeichnung lautet HFKW-32. Die gebraeuchliche Bezeichnung ist R32. Die chemische Bezeichnung ist Difluormethan und die chemische Summenformel ist CH2F2. Das Treibhauspotential ist mit GWP675 angegeben.
Jahresarbeitszahl
Das Verhältnis zwischen Umgebungswärme und Antriebsenergie drückt sich in der Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpe aus. Je höher diese Zahl, desto größer ist der Anteil der kostenlosen Umweltenergie und desto weniger Antriebsenergie wird benötigt. Hierfür sollte die Wärmequellentemperatur hoch und die Vorlauftemperatur des Heizkörpers niedrig sein. Fuer LuftWasserWaermepumpen wurde eine Jahresarbeitszahl von 3 bestimmt.
Gaengige Leistungsbezeichnungen für Luft/Wasser-Wärmepumpen sind A10/W35, A2/W50 und A2/W35.
https://www.vaillant.de/heizung/heizung-verstehen/tipps-rund-um-ihre-heizung/jahresarbeitszahl/
Wirkungsgrad
Gern wird im Zusammenhang mit dem Wirkungsgrad der Coefficient Of Performance (COP) bzw. die Leistungszahl von Wärmepumpen genannt oder gar faelschlicherweise gleichgesetzt.
Ein Koeffizient ist ein konstanter Faktor, ein COP sozusagen ein Leistungsfaktor. Gelegentlich liest man auch Leistungsziffer was unterstellt das bei 9 im Dezimalsystem schlusz waere;-). Der COP ist also eine Zahl ohne Einheit die das Verhaeltnis von Heizleistung und Eingangsleistung ins Heizsystem ausgedrueckt wird. Die Eingangsleistung ins Heizsystem ist etwas niedriger, durch Luefter, Steuerung, ... als die elektrische Eingangsleistung der Waermepumpe.
Auch die Angabe nach der Europäischen Norm EN 14511 ist zur Ermittlung des Wirkungsgrades wenig hilfreich.
A10/W35 = COP 4,3 A2/W50 = COP 2,7
Besser waere es eine Messkurve, oder besser noch eine Funktion f(TLuft,TWasser) anzugeben wonach sich der COP einer jeden Betriebssituation ermitteln lassen wuerde.
Leistungszahl (COP) nach EN 14511 Die Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpen wird durch die sogenannte Leistungszahl ε beschreiben. Man nennt die Leistungszahl auch Coefficient of Performance (COP). Sie definiert sich durch das Verhältnis zwischen der erzeugten Heizleistung und dem aufgenommenen elektrischen Antriebsstrom einer Wärmepumpe. Je höher diese Zahl ist, desto besser ist der Wirkungsgrad. Grundsätzlich kann die Leistungszahl nach DIN EN 255-3 oder DIN EN 14511 ermittelt werden, die jeweils von unterschiedlichen Spreizungen bei der Vorlauftemperatur ausgehen, so dass auch unterschiedliche Leistungszahlen entstehen. Um vergleichbare Werte verschiedener Systeme gegenüberstellen zu können, müssen also die sowohl die Norm als auch die Rahmenbedingungen übereinstimmen, unter denen die Werte unter Laborbedingungen ermittelt wurden. Hierzu werden folgende genormte Prüfkurzzeichen verwendet, die den Betriebszustand der Prüfung beschreiben: W= Water, Wasser B= engl. Brine (=Sole) S= Sole A= engl. Air (=Luft) E= Erdreich Beispiel: A0/W35 = 3,0 Die Kennzeichnung bedeutet, dass eine Luftwärmepumpe bei einer Außenlufttemperatur von 0°C (A0) und einer Vorlauftemperatur von 35°C (W35) aus einem Kilowatt elektrischer Antriebsleistung 3,0 kW Heizleistung erwirtschaftet. Die Leistungszahl bzw. der COP ist in diesem Beispiel 3,0. Grundsätzlich ist beim Vergleich der Leistungszahlen genau darauf zu achten, nach welcher Norm und welchen Betriebspunkten die Werte ermittelt wurden. Dagegen sind die Ergebnisse aus den unabhängigen Prüfungen des EHPA (European Heat Pump Association) nach normierten Bedingungen entstanden, so dass die dort veröffentlichten Werte immer vergleichbar sind. Formel: COP = Heizleistung / elektr. Antriebsleistung Einheit: keine
Eine Überschlagrechnung sagt mir, dass bei einem kWh-Preis fuer elektr. Strom von ca. 27 ct. (Stand 12/2021) und einem kWh-Preis bei Gas von ca. 6 ct (Stand 12/2021) muesste eine Waermepumpe unter allen Betriebsbedingungen (Sommer, Winter, ...) mindestens einen COP von 4,5 haben, dass sich eine Waermepumpe gegenueber einer Gasheizung lohnt und da ist der hoehere Anschaffungspreis noch nicht beruecksichtigt. Viele technische Informationsblaetter der WP-Hersteller bleiben einen "Durchschnitts-COP" schuldig. Gerne wird mit einem maximalen COP geworben, der in der Regel aber nur unter Idealbedingungen erreichbar ist. Da man (leider) sein Gas nicht selbst produzieren kann, bleibt eigentlich nur noch die Moeglichkeit an der Stromschraube zu drehen. Mit meiner PV-(Insel)Anlage habe ich zur Zeit Gestehungskosten von 8 ct/kWh und mit Speicher von etwa 17 ct/kWh. Dann sieht die Rechnung schon deutlich besser aus. Dann auch wieder eine Waermepumpe mit PV-Strom als Poolheizung ideal, im Winter braucht man aber doch recht viel Flaeche fuer eine PV-Anlage, die auch im Winter genuegend Strom zur Verfuegung stellt, um eine Waermepumpe (moeglicht keine Luft) zu betreiben und die E-Autos wollen im Winter ja auch noch voll geladen werden. Da kommen einem die "neuen" PV-Module aus China mit 600 Wp gerade recht. Damit ist der Flaechenbedarf nicht mehr ganz so grosz wie noch vor einigen Jahren. Hier im Saarland liegt der Ertrag im Winter im Dezember dann doch bei schlappen 20 kWh/Wp. Ich runde mal groszzuegig für Nov, Dez und Jan auf je 30 kWh/Wp auf, damit es sich besser rechnen laesst. Das sind also 1kWh pro Wp. Um den Pool auf Temperatur zu halten ist eine kWh schnell aufgebraucht. Ein E-Auto benoetigt etwa 10 kwh auf 100 km. Um z.B. Pool und Auto zu unterhalten sind schnell 5 kWh pro Tag notwendig. Was mit einer 5 kWp-Anlage nach erreichbar scheint. (Messungen folgen ...). Eine 5 kWp-Anlage hat etwa einen Flaechenbedarf (10 Module) 17 qm. Diese Zahl erscheint mir recht niedrig. Ich werde in Q1/2022 mit einen 60 qm Anlage eine Testreihe beginnen. Bericht folgt.
Technische Daten
- Modell:BP-39WS-B Mini
- Artikelnummer:049273
- Gesamtgewicht (netto/brutto):19kg / 21kg
- Abmessungen (B x H x T):365mm × 370mm x 320mm
- Heizleistung *:3,9kW
- Eingangsleistung Heizung *:0,65kW
- Bewertung der Eingangsleistung0,85kW
- Eingangsstrom Heizung *:3,3A
- Betriebsspannung und -frequenz **:220-240V~, 50Hz
- Leistungsziffer COP6,0
- Schutzklasse:I
- Schutzart:IPX4
- Schallleistungspegel:47 dB(A)
- Material Wärmeübertrager:Titan in PVC
- Durchsatz Wasser:3m3/h - 4m3/h
- Durchsatz Luft:1200m3/h
- Arbeitsdruck Niederdruckseite:0,7MPa
- Max. BetriebsdruckNiederdruckseite:1,5MPa
- Arbeitsdruck Hochdruckseite:3,0MPa
- Max. Betriebsdruck Hochdruckseite:4,3MPa
- Kältemittel:R32Masse Kältemittel:280g
- Treibhauspotential GWP:675CO2-Äquivalent:0,19kg/t
- Temperaturanstieg Poolwasser***(Außentemp.=Wassertemp.=26°C)
- 10m³ 0,3°C/h
- 20m³ 0,2°C/h
- 30m³ 0,1°C/h
- 40m³ 0,1°C/h
- 50m³ 0,1°C/h
* variabel - in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen. ** Einphasenwechselstrom *** Wärmeverlust wurde nicht berücksichtigt (z.B.: mit oder ohne Abdeckung, Isolierung, ...)
Faustformeln
TODO
Weiterfuehrende Quellen
Ein wirklich tolles Dokument kommt von der Firma Siemens (siemens.de/buildingtechnologies) mit dem Namen Kältetechnik (Siemens-Kaeltetechnik.pdf). Leider kann ich aufgrund von Copyright-Bestimmung das Dokument hier nicht zum Download anbieten, das Kundenbetreuungscenter von Siemens hilft aber bestimmt gerne weiter.
Siemens AG Building Technologies Division Lyoner Straße 27 60528 Frankfurt am MainKundenbetreuungs-Center Tel. 0800 100 76 39 info.de.sbt@siemens.comArtikel-Nr. E10003-A38-H214 (Stand 04/2017)
https://www.amberger-kuehltechnik.de/wp-content/uploads/Grundlagen-Kaelte.pdf
http://www.andreasjahnke.de/index_htm_files/Schulung%20Kaeltetechnik%20Grundlagen.pdf
https://www.gunt.de/images/download/Cat3a_german.pdf
https://docplayer.org/67215201-Fachwissen-kaeltetechnik.html