Kompressions-
wärmepumpe

Elektrokalorische
Wärmepumpe

Absorptions-
wärmepumpe

Adsorptions-
wärmepumpe

Geschichte der Wärmepumpe

Prinzip - Luft-Wasser-Wärmepumpe
Quelle: OCHSNER Wärmepumpen GmbH

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 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.

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 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.

Bewertung_von_Wärmepumpen

Heizkosten mit flexiblen Stromtarifen optimieren
David Grenda, GIEDORF UG

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

Funktionsweise Wärmepumpe - Max Weishaupt GmbH
Funktionweise Wärmepumpe- Wolf GmbH
Umsteigen auf die Wärmepumpe - Leitfaden für den Fachhandwerker
VdZ – Wirtschaftsvereinigung Gebäude und Energie e.V.
Was die Installation der Wärmepumpe so komplex macht
Barbara Oberst, Steffen Range - DHZ
Jahresarbeitszahl - JAZ-Rechner
Bundesverband Wärmepumpe (BWP) e.V. und BWP Marketing & Service GmbH

Aufstellung-Wärmepumpen

Elektrokalorische Wärmepumpe

Derzeit befindet sich die vielversprechende elektrokalorische Technik im Entwicklungsstadium. So arbeiten Forscher verschiedener Fraunhofer-Institute an Demonstratoren mit geringer Leistung, die bereits einen Temperaturhub von 30 Kelvin realisieren sollen. Die Zusammenarbeit läuft dabei im Forschungsprojekt elektrokalorische Wärmepumpen ("ElKaWe").
Die größten Unterschiede zu herkömmlichen Wärmepumpen bestehen darin, dass zum Betrieb der elektrokalorischen Wärmepumpen keine Kältemittel und keine Verdichter erforderlich sind.

.
Kalorik + Kreisprozess = Wärmepumpe:
Elektrokalorisches Material erwärmt sich beim Anlegen eines elektrischen Feldes. Führt man die Wärme an die Umgebung ab und entfernt dann das Feld, kühlt das Material ab; es kann nun Wärme aufnehmen. Zyklisch aufgebaut lässt sich der elektrokalorische Effekt für den Aufbau einer Wärmepumpe oder eines Kühlsystems nutzen.
Quelle: Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM

Konventionelle Wärmepumpen übertragen thermische Energie aus der Luft, dem Erdreich oder dem Grundwasser auf ein spezielles Kältemittel. Dieses verdampft. Es wird verdichtet, erhitzt, gibt Wärme ab und entspannt sich anschließend, um den Kreislauf zu schließen. Elektrokalorische Wärmepumpen funktionieren ähnlich, kommen allerdings ohne Kältemittel und Verdichter aus. Möglich ist das durch spezielle Materialien (Keramik oder bestimmte Kunststoffe). Beaufschlagen Anlagen diese mit einem elektrischen Feld, steigt die Temperatur der Materialien an. Geht das elektrische Feld zurück, kühlen sich die Stoffe wieder ab.

Elektrokalorische Wärmepumpen haben einige Vorteile gegenüber konventionellen Wärmepumpen. So bestehen sie zum Beispiel aus weniger beweglichen Teilen, was die Anfälligkeit und den Wartungsaufwand reduziert. Die Anlagen arbeiten ohne Verdichter besonders leise und stellen ohne Kältemittel eine deutlich geringere Gefahr für die Umwelt dar.
Ein weiterer Vorteil liegt in der Effizienz, die wesentlich höher sein soll als bei einer heute üblichen Wärmepumpe mit elektrischem Kompressor. Experten gehen sogar davon aus, dass die Wärmeerzeuger 85 Prozent des idealen Carnot-Wirkungsgrades erreichen. Konventionelle Wärmepumpenheizungen kommen bedingt durch Ihre Funktion hier auf etwa 50 Prozent.
Elektrokalorische Wärmepumpen erreichen höhere COPs und könnten bei gleicher Einbausituation geringere Heizkosten verursachen.
Vorteile:
• Höhere Effizienz als übliche Wärmepumpenlösungen
• Besonders leiser Betrieb, da kein Verdichter erforderlich ist
• Geringe Umweltgefahr, da kein Kältemittel erforderlich ist
• Zuverlässiger Betrieb mit weniger beweglichen Teilen
• Geringerer Wartungsaufwand durch einfacheren Aufbau
Zum Einsatz komme die Technik dabei grundsätzlich überall dort, wo Wärmepumpen und Klimaanlagen auch heute im Einsatz sind. Also bei der Beheizung und Kühlung von Gebäuden, Räumen, Behältern oder Fahrzeugen.

Die Forscher gehen also davon aus, dass die besondere Technik heute verfügbare Heizlösungen einmal komplett ersetzen kann. Bis die elektrokalorische Wärmepumpe Marktreife erlangt, wird es allerdings noch einige Jahre dauern.

Wärmepumpen ohne Kompressoren
bauen aktuell - WIN-Verlag GmbH & Co. KG
Elektrokalorische Wärmepumpe:
Das Effizienz-Wunder für normale Haushalte?
Christopher Grobe, Enpal B.V.
Elektrokalorische Wärmepumpe: Heizlösung der Zukunft?
Alexander Rosenkranz, Viessmann Holding International GmbH
Wärmepumpen ohne Kompressoren:
Fraunhofer erzielt Fortschritte in der Elektrokalorik
Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM
Leitprojekt ElKaWe (abgeschlossen)
Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM

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.

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

DIN EN 378-1:2017-03 - Kälteanlagen und Wärmepumpen -
Sicherheitstechnische und umweltrelevante Anforderungen

Adsorptionswärmepumpe

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.

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.

Das Arbeiten an kältemittelführenden Klimaanlagen darf nach der ChemKlimaschutzV § 5 nur durch zertifierte Personen (Sachkundebescheinigung), die in einem nach nach ChemKlimaschutzV § 6 zertifizierten Betrieb beschäftigt sind, durchgeführt werden.
Eine Klimaanlage installieren dürfen nur zertifizierte Fachleute. Kälte- und Klimatechniker als auch andere Mechatroniker mit einer entsprechenden Zertifizierung dürfen in den Kältekreislauf einer ortsfesten Kälte- oder Klimaanlage eingreifen.

Arbeiten an und in elektrotechnischen Anlagen dürfen nur von Installationsbetrieben durchgeführt werden, die in das Installateurverzeichnis eines Energieversorgerunternehmens (EVU) bzw. Verteilungsnetzbetreibers (VNB) eingetragen sind. Eine Elektrofachkraft (EFK) darf im eingeschränktem fachbezogenen Bereich Bauteile anschließen.

Die Errichtung einer Trinkwasserinstallation und wesentliche Änderungen an diesen dürfen nur von Installationsbetrieben durchgeführt werden, die in das Installateurverzeichnis eines WVU eingetragen sind.

Alle Arbeiten an Gasinstallationen dürfen nur von Vertrags-Installationsunternehmen (VIU) gemäß § 13 der NDAV (Verordnung über Allgemeine Bedingungen für den Netzanschluss und dessen Nutzung für die Gasversorgung in Niederdruck) durchgeführt werden.

.