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Die Kompressionswärmepumpe nutzt den physikalischen
Effekt der Verdampfungswärme. Hier zirkuliert ein Kältemittel
in einem Kreislauf. Das Kältemittel wird durch einen Kompressor angetrieben und ändert dabei abwechselnd seinen Aggregatzustände
von flüssig-gasförmig und gasförmig-flüssig. |
Prinzip - Luft-Wasser-Wärmepumpe
Quelle:
OCHSNER Wärmepumpen GmbH
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In Ein- und Zweifamilienhäusern werden meistens
Kompressionswärmepumpen mit elektromotorischem Antrieb eingebaut.
Sie arbeiten alle nach dem Prinzip, dass aus der Umgebungswärme (Luft, Sole) auf
niedrigem Temperaturniveau im Wärmetauscher (Verdampfer) aufgenommen wird. Dieser wird von einem
Kältemittel durchströmt, welches bereits bei niedrigen Temperaturen verdampft. Ein Kompressor komprimiert den
Kältemitteldampf, wodurch dieser auf ein höheres Temperaturniveau gebracht wird (ähnlich der Erwärmung einer
Luftpumpe). Der Kompressor benötigt Antriebsenergie in Form von elektrischem Strom, Gas oder Dieselkraftstoff.
In einem zweiten Wärmetauscher (Kondensator), gibt der nun heiße Kältemitteldampf Wärme an die
Heizung oder an die Trinkwassererwärmung ab. Die Abkühlung führt zum Kondensieren des
Kältemitteldampfes. In einem Expansionsventil wird das noch unter Druck stehende Kältemittel entspannt, wobei es
wieder abkühlt. Der Kreislauf beginnt jetzt von neuem.
Bei diesem Prozess (Kältekreislauf) werden in Abhängigkeit von Wärmequelle und
Wärmeverteilsystem Jahresarbeitszahlen (COP) von 3 bis 5 erreicht, d. h. nur 1/3 bis 1/5 der gewonnenen
Wärme muss als Antriebsenergie bereitgestellt werden, 2/3 bis 4/5 werden aus der Umgebungswärme aufgenommen.
Die Kältemittel sind heute ausschließlich FCKW-freie Kältemittel.
Zum Einsatz kommen R410a, R134a, R407c, usw. und Propan (R290).
Kompressionswärmepumpen erreichen aufgrund der eingesetzten Kältemittel maximale
Heizwassertemperaturen von ca. 55 °C (Höhere Temperaturen, speziell zur Trinkwarmwasserbereitung, sind mit
R134a und R290 erreichbar). Bei dem Heizbetrieb sollten 35 °C möglichst nicht überschritten
werden, was Niedertemperaturheizsysteme (Fußboden-, Wand- und/oder Deckenheizungen) voraussetzt. |
Kältemittel-Verordnung: Vorschriften, Alternativen und Betreiberpflichten
- Dirk Blank, MVV Energie AG
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Funktionsweise Wärmepumpe - Max Weishaupt GmbH
Funktionweise Wärmepumpe- Wolf GmbH
Aufstellung-Wärmepumpen |
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Kompressor-Kühlschrank
Auch der
Kühlschrank und ein Gefriergerät
ist eine "Wärmepumpe"
Ein Kühlschrank ist ein dezentrales steckerfertiges Kühlgerät,
in dem alle Komponenten (Verdichter, Verflüssiger, Expansionsventil [Drosselorgan] und Verdampfer) integriert sind.
Der Kältemittelkreislauf ist ein hermetisch geschlossenes System, das mit einem Kältemittel
(Kohlenwasserstoffe [R290, R600a, R1270, R170 und R1150], Kohlendioxid [R744] und Ammoniak [R717]) befüllt wird. Sie werden hauptsächlich
für die Lagerung von Lebensmitteln, Medikamenten und Chemikalien verwendet. In den meisten Geräten sind alle Verbindungen
der kältemittelführenden Bauteile gelötet teilweise auch geschweißt. Einfache Geräte
werden ohne Serviceventile hergestellt. Hochwertige Geräte haben in der Regel Serviceventile. Diese können
bei einer Störung oder bei einem Kältemittelverlust (z. B. durch einen Transportschaden) gewartet
werden. Die Geräte mit oder ohne Serviceventil werden mit der für den ordnungsgemäßen Betrieb erforderlichen Kältemittelfüllmenge
geliefert. So muss der Kältemittelkreislauf zur Inbetriebnahme nicht geöffnet werden. |
Aufbau und Kältemittelkreislauf eines Kühlschranks
Aufbau und Kältemittelkreislauf einer Gefriertruhe
Quelle: HEA – Fachgemeinschaft für effiziente Energieanwendung e.V.
Funktionsweise eines Kühlschranks (Kompressorkühlschrank) - Video - Thomas Schwenke |
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Raumklimagerät |
Splitgerät
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Fenster- bzw. Wandgerät
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1
Kondensator |
2
Kondensatorlüfter |
3
Kompressor |
4
Verdampfer |
5
Verdampferlüfter |
6
Kondenswasserwanne |
7
Kapillareinspritzung oder Expansionsventil |
8
Lüftermotor |
| 9
Filtertrockner |
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Raumkühlung |
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Inverter-Raumklimagerät |
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Außengerät |
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Regelgeräte |
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Innengeräte |
Quelle:
Stulz GmbH / MITSUBISHI Heavy Industries |
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In Häusern mit niedriger Heizlast (Passivhaus,
Nullenergiehaus) kann es sinnvoll sein, die notwendige Wärme über gesplitete Inverter-Raumklimageräte in die Räume
zu geben. Richtig geplant, sind solche Geräte in das Konzept einer kontrollierten Wohnungslüftung (KWL) zu integrieren. |
Diese Multisplit-Klimasysteme sind für eine Komfort-Klimatisierung mit kleinen Leistungen im
Kühl- und Heizbetrieb konzipiert. Die Außengeräte sind wintertauglich und erlauben einen Einsatz
in Technikräumen mit einem Betrieb bis -15 °C Außentemperatur. |
Die energiesparenden Multisplit-Klimasysteme mit Inverter-Technologie erreichen die Energieeffizienzklasse A.
Die Innengeräte arbeiten flüsterleise und sind mit einem luftreinigendem Enzym-Filter ausgestattet. Alle Innengeräte sind über eine
Infrarotfernbedienung oder alternativ mit einer Kabelfernbedienung zu bedienen. |
Alle Geräte bieten zusätzliche Funktionen zur Anbindung an zentrale
Leittechnik.STULZ Comptrol |
Klimasystem der Zukunft - die Luft-Luft-Wärmepumpe - Stulz GmbH |
Kälte-Klima-Fachbetrieb in meiner Nähe - VDKF
Verband Deutscher Kälte-Klima-Fachbetriebe e.V. |
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Zubadan-Technologie |
Jede Übertragung
von Wärme unterliegt den gleichen Voraussetzungen.
Das Medium, das Wärme aufnimmt muss eine geringere
Temperatur aufweisen als das Medium, das Wärme abgibt.
Bei Luft-/Wasser-Wärmepumpen muss die
Verdampfungstemperatur des Kältemittels deswegen einige Grad unterhalb der
Außenlufttemperatur liegen. Je kälter es draußen
ist, desto tiefer muss also auch die Verdampfungstemperatur
des Kältemittels sein, um überhaupt Wärme
aufnehmen zu können. Je tiefer aber die Verdampfungstemperatur
des Kältemittels ist, desto größer wird
sein Volumen und umso geringer seine Dichte. Dadurch steht
dem Verdichtungsprozess immer weniger Kältemittel zur
Verfügung. Herkömmliche Inverter-Verdichter regeln
nun zum Schutz vor Überhitzung die Drehzahl herunter.
Dadurch sinkt die Heizleistung der Wärmepumpe erheblich. |
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Fließschema
- Zubadan-Technologie |
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Zubadan-Technologie |
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Split-Wärmepumpe |
Quelle:
Mitsubishi Electric |
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Mit der patentierten Zubadan-Technologie (Mitsubishi Electric)
ist es möglich, den Kältemittelmassenstrom und
somit die Verdichterdrehzahl und die Heizleistung eines
speziellen Kältemittelkreislaufs konstant zu halten.
Dies wird dadurch erreicht, dass direkt in den Verdichtungsprozess
ein Zwei-Phasengemisch auf den Verdichterkopf gespritzt wird. |
Die Zubadan-Technologie
setzt hier mit einer technisch weiterentwickelten Zwischeneinspritzung
von Kältemittel in den Verdichtungsprozess an. Im Flash-Injection-Kreislauf
des Zubadan-Verdichters kann so bei tiefen Außentemperaturen
mit einer höheren Drehzahl gearbeitet werden und die
zirkulierende Kältemittelmenge im System konstant gehalten
werden. Dieser speziell angepasste Kältekreislauf der
ecodan-Wärmepumpe mit Zubadan-Technik erzeugt so selbst
bei -15 °C noch 100 % Leistung im
monovalenten System. |
Die Wärmepumpe
mit Zubadan-Technologie fährt einen kompletten Betriebsbereich
von -25 °C bis 35 °C. Als weiteren Vorteil dieser
Technologie führen Mitsubishis technische Spezialisten
die insbesondere für den Privatsektor wichtige kompakte
Bauweise an. Besonders aber hervorzuheben sind ein optimiertes
Abtauverhalten und eine verkürzte Aufheizphase, welches
für den Endkunden bedeutet, dass stabile und effektive
Betriebszustände sehr schnell erreicht werden. Ein
weiterer deutlicher Pluspunkt der Zubadan-Technologie ist
die mögliche Vorlauftemperatur bis 60 °C. Selbst
bei -15 °C Außentemperaturen kann man noch eine
Vorlauftemperatur von 55 °C bieten.
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Zubadan & Power Inverter Technologie |
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Betriebsweisen
von Wärmepumpen |
Da die Außentemperaturen
in den Übergangszeiten und im Winter in unseren Breiten relativ
kalt sind, ist die Wärmequelle "Luft"
für Wärmepumpen nur in begrenztem Rahmen voll einsetzbar.
Anders sieht es bei den Wärmequellen "Grundwasser"
und "Erdreich" aus. |
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Immer
wieder oder noch wird die britische Wärmeeinheit
"BTU" (British Thermal Unit)
als Maßeinheit für die Energie
bei der Strom- und Dampferzeugung und
für die Kühlleistung einer Wärmepumpe
verwendet, obwohl diese Einheit seit der gesetzlichen Einführung
der SI-Einheiten (Internationale Einheitensystem [Système
international d’unités]) im Jahre 1978 des letzten Jahrhunderts
nicht mehr verwendet werden "darf" und durch die Einheit "Joule"
(J) ersetzt wurde. Dabei entspricht die britische Wärmeeinheit
"BTU" der Energiemenge, die für die Erwärmung von
einem Pfund Wasser um ein Grad Fahrenheit benötigt wird. |
| Umrechnungsfaktoren |
1 BTU = 1,055 kJ
1 BTU/h = 0,293 W
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Einen entscheidenden
Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit hat die Betriebsweise
einer Wärmepumpenanlage. Bei der Auslegung der Wärmepumpe
wird die Temperatur ermittelt, ab wann eine zweite Wärmequelle
(E-Heizstab, Öl, Gas, Holz, Solar, Geothermie, Mini-KWK) zugeschaltet
werden muss, um die Heizlast des Gebäudes bei den entsprechenden
Außentemperaturen zu gewährleisten und die Anlage mit einer
guten Jahresaufwandszahl zu betreiben. Diese Temperatur
wird als Bivalenzpunkt oder Dimensionierungspunkt bezeichnet. |
Es gibt folgende Betriebsweisen
- Monovalenter Betrieb
- Monoenergetischer
Betrieb
- Bivalenter Betrieb
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Monovalenter Betrieb |
Quelle: © Novelan |
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Monovalenter Betrieb |
Ein monovalenter
Betrieb einer Wärmepumpenanlage setzt voraus, dass
der Wärmeerzeuger die notwendige Heizlast des Gebäudes
und die Trinkwassererwärmung ohne einen zusätzlichen
Wärmeerzeuger abdecken kann. Dies ist nur dann gewährleistet,
wenn eine konstante Wärmequelle mit gleichmäßigen
Temperaturen zur Verfügung steht. |
Das Erdreich oder das Grundwasser mit entsprechend richtig
ausgelegten Wärmetauschern (Erdkollektor, Erdsonde)
ist die Grundlage für einen monovalenten Betrieb (Sole/Wasser-
und Wasser/ Wasser-Wärmepumpe). Außerdem sollte
ein Heizsystem vorhanden sein, das mit Flächenheizungen (Fußboden-, Wandflächen) und/oder Ventilatorkonvektoren,
WP-Heizkörper und geringen Vorlauftemperaturen bis
ca. 40 Grad arbeiten. |
Die Außenluft eignet sich als Wärmequelle für einen
monovalenten Betrieb unter wirtschaftlichen Betrachtungen
nicht, da die schwankende und auch zeitweise zu niedrige
Temperatur nur bis zu dem Bivalenzpunkt (Dimensionierungspunkt)
eine ausreichende Jahresaufwandzahl erreichen lässt.
Hier ist nur ein monoenergetischer oder bivalenter Betrieb möglich. |
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Wärmepumpe und Heizstab |
Quelle:
© Novelan |
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| Monoenergetischer Betrieb |
Bei dem monoenergetischer
Betrieb wird ab dem Bivalenzpunkt (Dimensionierungspunkt)
einer Luft-Wärmepumpenanlage mit der gleichen
Energie zugeheizt. Die Beheizung erfolgt also
über eine elektrische Widerstandsheizung inform eines
Elektroheizstabes im Pufferspeicher oder
sie ist in der Wärmepumpe integriert. |
Diese Zuheizung ist nur wenigen Tagen in der Heizperiode (ca. 5 %) notwendig.
Hier kann die Jahresaufwandszahl noch im hinnehmbaren
Rahmen liegen. Die Praxis hat gezeigt, dass der Heizstabbetrieb
bei richtiger Anlagenplanung teilweise überhaupt
nicht notwendig wird.
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Bivalenter
Betrieb |
Quelle:
© Novelan |
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Bivalenter Betrieb |
Bei dem bivalenten
Betrieb einer Wärmepumpenanlage übernimmt ab dem Bivalenzpunkt (Dimensionierungspunkt) ein
zweiter Wärmeerzeuger (Öl, Gas, Holz, Geothermie,
Mini-KWK) die Beheizung der Anlage oder sie arbeiten im bivalent-parallelen Betrieb. |
Die Übernahme
der Beheizung ab dem Bivalenzpunkt durch den zweiten
Wärmeerzeugers wird meistens bei der Sanierung von
bestehenden Gebäuden in Altanlagen eingesetzt, wenn
höherere Systemtemperaturen benötigt
werden. |
Ein bivalenter Betrieb wird in der Regel nur in Luft-Wärmepumpenanlagen
und in Anlagen mit Trinkwassererwärmung in Mehrfamilienhäusern (60° C Wassertemperatur) eingesetzt. |
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 Quelle: Elcotherm AG |
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Bivalenzpunkt / Dimensionierungspunkt |
Bei der Auslegung
einer Luftwärmepumpe wird der Bivalenzpunkt
(Dimensionierungspunkt) festgelegt, da mit dem Absinken
der Außentemperaturen die Heizlast des Gebäudes
steigt und die Wärmepumpenleistung geringer wird. Je
nach der Heizlast des Hauses liegt dieser Punkt im Temperaturbereich
zwischen -4 °C und -8 °C. Ab dieser Temperatur ist
ein effizienter Betrieb einer Luftwärmepumpe nicht
mehr möglich. Deshalb werden solche Anlagen als bivalente
Heizung (Hybrid-Heizung)
betrieben. Hier gibt es die verschiedensten Kombinationsmöglichkeiten
(Öl, Gas, Holz, Solar, Geothermie, Mini-KWK). |
Unter bestimmten
Bedingungen kann ein Heizstab die fehlende
Wärme liefern. Ob der Einsatz einer direkten Stromheizung
(Trinkwassererwärmung) sinnvoll ist, muss der Fachplaner
vor Ort nach den Gewohnheiten des Betreibers ermitteln. |
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Bei einer monoenergetisch betriebenen Luft-Wasser-Wärmepumpe
wird der Heizbedarf bis zum Bivalenzpunkt gedeckt. Darunter wird eine Zusatzheizung notwendig. Hier
kann ein Heizstab oder auch ein noch vorhandener Wärmeerzeuger (Gasgerät, Ölkessel, Festbrennstoffkessel)
eingesetzt werden. Bei einem bivalenten Betrieb wird besonders bei höheren Systemtemperaturen der
Bivalenzpunkt höher angesetzt. |
Der Deckungsanteil der Wärmepumpe sollte möglichst hoch sein,
damit die Betriebskosten möglichst gering sind und die Jahresarbeitszahl möglichst
hoch ist. In der Regel sind die Anzahl der Tage mit Außentemperaturen unter -5 °C sehr gering und deshalb
wird der Bivalenzpunkt um diese Temperatur festgelegt bzw. ermittelt. So ist dann z. B. der Anteil der Zusatzheizung
bei -10 °C AT ca. 1 % und bei -16 °C ca. 4 % der gesamten Wärmemenge. |
Deckungsanteil
der Wärmepumpe ( % ) |
Klimazone
/ Auslegungstemperatur
( °C ) |
Bivalenzpunkt
/ Dimensionierungspunkt ( °C ) |
-12 |
-11 |
-10 |
-9 |
-8 |
-7 |
-6 |
-5 |
-4 |
-3 |
-2 |
-1 |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
-10 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
99 |
99 |
99 |
99 |
98 |
98 |
97 |
96 |
94 |
92 |
90 |
87 |
84 |
81 |
-12 |
100 |
100 |
100 |
99 |
99 |
99 |
99 |
98 |
98 |
97 |
96 |
95 |
93 |
90 |
88 |
86 |
83 |
80 |
77 |
-14 |
100 |
100 |
99 |
98 |
98 |
98 |
98 |
97 |
97 |
96 |
94 |
92 |
90 |
88 |
85 |
82 |
79 |
75 |
72 |
-16 |
99 |
99 |
98 |
98 |
97 |
97 |
97 |
96 |
95 |
94 |
92 |
90 |
87 |
84 |
81 |
78 |
74 |
71 |
67 |
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Aquarea Club - Effiziente Betriebsweise - Wärmepumpen-Heizung - Manfred Adler |
Planungshilfe Wärmepumpen - Solarbayer® GmbH |
Erdwärmepumpe:
Funktion und Preise |
Dimensionierung von Wärmepumpen +
Betriebskosten für Wärmepumpen - Glen Dimplex Deutschland GmbH |
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Aquarea Club - Effiziente Betriebsweise - Wärmepumpen-Heizung - Manfred Adler
Wärmepumpen Verbrauchsübersicht |
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Absorptionswärmepumpe |
Die Absorptionswärmepumpe nutzt den physikalischen
Effekt der Reaktionswärme bei Mischung zweier Flüssigkeiten bzw. Gase. Sie verfügt über einen
Lösungsmittelkreis und einen Kältemittelkreis. Das Lösungsmittel wird im Kältemittel
wiederholt gelöst bzw. ausgetrieben. |
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Ein "thermischer Kompressor" treibt die Absorptionswärmepumpe an.
Diese Wärmepumpenart wird auch als Camping- oder Appartement-Absorberkühlschrank eingesetzt. Die
Absorptionswärmepumpen haben kaum bewegliche Teile. Dadurch haben sie eine hohe Lebensdauer. Als Antriebsenergie bei
Absorptionswärmepumpen wird kein Strom, sondern Erdgas zur Erzeugung der thermischen Antriebsenergie verwendet.
Der Wärmepumpenprozess wird durch die Verbrennung auf hohem Temperaturniveau aufrechterhalten.
Das kältemittelarme Absorptionsmittel (Ammoniak/Wasser- oder Lithium/Bromid/Wasser-Gemisch) und Kältemittel
kommen im Absorber zusammen, dabei löst sich des Kältemittel im Lösungsmittel auf. Die dabei entstehende Kondensations- und
Lösungswärme wird vom Heizungswasser aufgenommen. Die mit dem Kältemittel angereicherte Lösung wird von einer kleinen
Lösungsmittelpumpe im flüssigen Zustand auf das höhere Druckniveau des Kondensators gebracht und in den Austreiber
gefördert. Hier wird die angereicherte Lösung "ausgekocht" und das Kältemittel wird wieder freigesetzt. Das Heizungswasser nimmt auch die
Kondensationswärme auf. In einem Expansionsventil wird die "arme" Lösung auf einen geringeren Druck entspannt, nimmt im Verdampfer
wieder Wärme aus der Umwelt bei einem geringeren Temperaturniveau auf und fließt erneut dem Absorber zurück.
Als Kältemittel werden Ammoniak (R 717) und Lithium/Bromid verwendet: Da Ammoniak
toxisch wirkt, sind besondere Sicherheitsanforderungen an den Wärmepumpenaufstellraum und an die Sicherheitsvorkehrungen während des
Betriebes und für Wartungsarbeiten gestellt. Es sind die UVV VBG 20 sowie DIN 8901, Ausgabe Februar 2002, DIN 8975 T1-T8, Ausgabe Februar 1989, EN 378, Ausgabe September
2000 zu beachten.
Das Verhältnis aus der abgegebenen Nutzwärmeleistung für die Heizung und Trinkwassererwämung zur Brennerbelastung
des Austreibers (Gasverbrauch) wird bei Absorptionswärmepumpen als Heizzahl bezeichnet. Bei den Gas-Absorptionswärmepumpen ist eine
Abgaskondensation möglich, so wie es von Brennwertgeräten bekannt ist.
Absorptionskühlschrank
Der Camping- oder Appartement-Absorberkühlschrank arbeitet mit einem Kältemittel
(Ammoniak - NH3) nach dem Absorptionsprinzip.
Das Kältemittel gelangt in einem Verdampfer. Dort verdampft das Kältemittel und entzieht dem Raum (Kühlschrank) Wärme,
die über das Ammoniakgas in den Absorber geleitet wird. Im Absorber befindet sich Wasser, welches das gasförmige Ammoniak aufnimmt (Absorption).
Das ammoniakhaltige Wasser wird nun in den Kocher geleitet, wo es mit Hilfe einer elektrischen Heizung erhitzt wird. Dadurch wird der
Druck erhöht und das Ammoniak wird als Dampf freigesetzt, der dann in den Kondensator weiter geleitet wird. Das nun ammoniakfreie Wasser fließt durch einen Nebenkreislauf in den
Absorber zurück. In dem Kondensator gibt das Gas seine Wärme an die Umgebung ab. Dies geschieht über die Lamellen des Kondensators hinter dem Gerät. Daraufhin verflüssigt sich das
Ammoniak und es gelangt anschließend wieder in den Verdampfer und der Kreislauf beginnt von vorne.
Der Absorberkühlschrank arbeitet geräuschlos und kann mit unterschiedlichen Energiearten betreiben werden,
so z. B. mit 230 V Gleich- oder Wechselspannung, 12 V Gleichspannung, mit dem Kfz-Bordnetz oder Propangas. |
So funktioniert der Absorberkühlschrank im Caravan
- Caravaning.de - Motor Presse Stuttgart GmbH & Co. KG |
Schema-IcyBall
IcyBall
Quelle: Crosley
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Die Grundlage eines Absorptionskühlschranks wurde mit der Erfindung
von Ferdinand Carré, der 1859 das Patent auf die Ammoniak-Absorptionsmaschine anmeldete, gelegt. Diese Technik
wurde 1927 durch ein Patent des IcyBalls von David Forbes Keith anmeldet.
Der Crosley Icyball hat keine beweglichen
Teile und arbeitet nicht ununterbrochen, sondern muss manuell betrieben werden.
Bei diesem System wird Wärme aus einem Raum in einen anderen Raum mit der Hilfe eines Wasser/Ammoniak-Gemisch
als Kältemittel transportiert. Das Gerät besteht aus zwei Metallkugeln. Einer heißen (warmen) Kugel, mit Wasser
und eine kalte Kugel mit flüssigem Ammoniak. Diese sind durch ein umgekehrtes U-Rohr verbunden. So kann sich das
Ammoniakgas in beiden Richtungen bewegen. Die kalte Kugel hat eine Öffnung, in die eine Eiswürfelschale platziert werden kann, was als
"Gefrierfach" bezeichnet werden kann. |
Crosley Icyball - knowledger.de
Einstein Kühlschrank - knowledger.de |
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DIN EN 378-1:2017-03 - Kälteanlagen und Wärmepumpen -
Sicherheitstechnische und umweltrelevante Anforderungen |
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Adsorptionswärmepumpe |
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Die Adsorptionswärmepumpe bzw. Adsorptionskältemaschine arbeitet mit einem festen
Lösungsmittel, dem "Adsorbens", an dem das Kältemittel ad- bzw. desorbiert
wird. Dem Prozess wird Wärme bei der Desorption zugeführt und bei der Adsorption entnommen. Da das Adsorbens
nicht in einem Kreislauf umgewälzt werden kann, kann der Prozess nur diskontinuierlich ablaufen, indem zwischen Ad- und Desorption
zyklisch gewechselt wird. |
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Bei einer Adsorptionswärmepumpe oder Adsorptionskältemaschine ad- bzw.
desorbiert das Kältemittel an einem festen Lösungsmittel (Adsorbens). Dabei wird Wärme bei der
Desorption zugeführt und bei der Adsorption entnommen. Das Adsorbens kann im Kreislauf nicht umgewälzt werden, deshalb
kann der Prozess nur mit Unterbrechungen ablaufen, es wird ständig zwischen Ad- und Desorption gewechselt. |
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Adsorptionskältemaschine
Quelle: Nishiyodo Mfg
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Die Adsorptionswärmepumpe besteht aus einem unter Vakuum stehenden
Behälter, der in vier untereinander verbundene Kammern unterteilt ist:
• der Verdampfer
• der Austreiber
• der Sammler
• der Verflüssiger
Im Verdampfer verdampft Wasser bei niedriger Temperatur im Vakuum. Dem Kaltwasser wird die
benötigte Verdampfungswärme entzogen und kühlt damit ab. Der Wasserdampf wird im Sammler aufgenommen. Dabei wird
Adsorptionswärme frei, die zum Heizen genutzt wird. Gleichzeitig zu dem Ablauf wird im Austreiber Wasserdampf ausgetrieben. Dieser Wasserdampf
wird dann im Kondensator mit Hilfe von Heizungswasser kondensiert und steht zur erneuten Verdampfung zur Verfügung. Bei diesem Kreislaufprozess
werden der Austreiber und der Sammler wechselweise in ihrer Funktion betrieben. So kann die Anlage dauerhaft arbeiten. |
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Funktionsprinzip einer Adsorptionskältemaschine
Eine Adsorptionskältemaschine besteht aus zwei mit Sorptionsmittel (Zeolithe, Silikagel, Aktivkohle) gefüllten
Arbeitskammern, einem Kondensator und einem Verdampfer. Als Sorptionsmittel wird Silicagel und als Kältemittel
Wasser eingesetzt. Der Prozeß arbeitet mit Unterbrechungen und geschlossen.
Ein Arbeitszeitraum hat folgende Arbeitstakte:
1. Das an das Silicagel angelagerte Wasser wird im Wärmeübertrager unter Wärmezufuhr ausgetrieben.
2. Das Wasser wird im Kondensator verflüssigt und Wärme an das Kühlwasser abgeführt.
3. Das Kondensat wird in den Verdampfer eingesprüht und bei starkem Unterdruck verdampft. Dabei wird Wärme aus dem Kaltwasser entnommen und dieses
dabei auf die für die Anlage erforderliche Temperatur abgekühlt.
4. Im Wärmeübertrager wird der Wasserdampf adsorbiert und die entstehende Wärme an das Kühlwasser abgeführt.
Durch einfaches Umkehren des Heiz- und Kühlwasserkreislaufs zwischen den Wärmeübertragern werden
die Funktionen Austreiber und Adsorber am Ende eines Arbeitszeitraumes vertauscht und der Prozess beginnt von neuem. Im Auslegungszustand
dauert ein Arbeitszeitraum 400 Sekunden.
Zwischen zwei Arbeitszeiträumen liegt noch eine Umschaltphase von 20 Sekunden, so dass der Gesamtzeitraum sieben
Minuten dauert. Während der Umschaltphase werden beide Kammmern in Reihe durchströmt, so dass auch noch Wärme zurückgewonnen wird.
Im Normalfall wird hierbei nur die sensible Wärme für die Kammeraufheizung zurückgewonnen. Wenn jedoch nur ein geringer Temperaturhub
erforderlich ist, beginnt die Adsorption bereits in der Umschaltphase, so daß nicht nur sensible Wärme, sondern auch Adsorptionsenthalpie zurückgewonnen werden kann. |
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