Erklärung Bunker-Energietechnik: die Wärmepumpe

In den kommenden Monaten werden wir regelmäßig kleine Beiträge veröffentlichen um die Technik, die im Bunker errichtet werden soll, zu erklären. Dazu kommen noch weitere (hoffentlich) interessante Beiträge aus der Energiewelt. Start der Reihe ist ein Beitrag zum Thema Wärmepumpen:

Ziel der Anlagentechnik im Energie-Bunker ist das Erzeugen von Wärmeenergie in Form von Warmwasser, dieses wird in einem neu errichteten Nahwärmenetz verteilt und kann somit bei den AbnehmerInnen zum Heizen genutzt werden. Dabei sind die sogenannten Wärmepumpen die Hauptbestandteile der Anlagen zur Wärmeerzeugung.

Eine Wärmepumpe entnimmt Energie aus einer Wärmequelle und erzeugt daraus Wärme auf einer höheren Temperatur. Im Kebap sollen mehrere unterschiedliche Systeme zum Einsatz kommen, die verschiedene Wärmequellen nutzen: aus der Luft und dem Grundwasser. Die unterschiedlichen Systeme decken mehrere Leistungsbereiche ab: die Grundwasserwärmepumpe kommt nur bei geringeren Außentemperaturen zum Einsatz, die Luftwärmepumpe wird v.a. für die Sommer-Grundlast eingesetzt, wenn die Außentemperaturen höher sind. Die Grundwasserwärmepumpe besteht aus mehreren Brunnen, die warmes Grundwasser entnehmen, diesem einen Teil der Wärme entziehen und wieder an einer anderen Stelle ins Grundwasser zurückleiten.

Bekannt ist das Funktionsprinzip der Wärmepumpe aus einem Kühlschrank. Hier ist der gewollte Nutzen jedoch genau genau andersrum; im Kühlschrank wird Wärme aus dem Kühlschrankinneren entnommen und an die Umgebung abgegeben bzw. die Luft um den Kühlschrank erwärmt. Bei einer Wärmpumpe ist das Ziel die nach außen abgegebene Wärme zum Heizen zu nutzen. Die Anlage benötigt dafür nur Strom, um die Anlagenbestandteile anzutreiben.

Der Hauptbestandteil der Anlage ist ein thermischer Kreisprozess, in diesem zirkuliert ein Medium und durchläuft unterschiedliche Zustände. Der Prozess einer Wärmepumpe besteht grundsätzlich aus den folgenden Bauteilen:

• Verdichter (Druck wird erhöht; ähnlich eines Kompressors)
• Verflüssiger (Wärme wird an Heizkreislauf abgegeben, Fluid kondensiert aus)
• Entspanner (Druck wird reduziert, meist in Form einer sog. Drossel)
• Verdampfer (Wärme wird aufgenommen, Fluid verdampft)

Ein typisches Schema ist auf der folgenden Abbildung dargestellt:

Das zirkulierende Medium ist typischerweise ein Stoff mit einer geringen Verdampfungstemperatur, diese muss unterhalb der Temperatur der Wärmequelle liegen. (Bei einer Außentemperatur von z.B. 10°C muss das Fluid also bei einer Temperatur von 5°C verdampfen). Je nach Temperatur handelt es sich also meistens um Stoffe, die bei normalen Umgebungstemperaturen als Gas vorliegen. Zum Einsatz kommen können natürliche Kältemittel (verschiedene Kohlenwasserstoffe, CO2, Ammoniak) oder synthetische Fluide (R410A). Die Wahl des Kältemittels ist von der gewünschten Einsatzsituation abhängig (u.a. den vorliegenden Temperaturen), aber auch von den unterschiedlichen Treibhauspotentialen der Fluide. Einzelne Fluide haben z.B. für eine bestimmte Situation eine bessere technische Eignung, haben jedoch ein höheres Treibhauspotential, dadurch erhöht sich die Treibhauswirkung bei Leckagen und u.a. wird die Förderungshöhe eingeschränkt. Der Gesetzgeber verbietet zudem fortlaufend den Einsatz bestimmter Kältemittel, um den Einsatz umweltfreundlicher Stoffe voranzutreiben.

Die Wirksamkeit einer Wärmepumpe wird mit der Leistungszahl COP (Coefficient of Performance) beschrieben. Dieser Wert beschreibt das Verhältnis der Menge der Heizwärme (Q heiz) in Bezug auf die eingesetzte Strommenge (P elektrisch):

Typische Werte sind im Bereich 2-5, d.h. die Anlage erzeugt aus einem „Teil“ Strom eine 2 bzw. 5-fache Menge Heizenergie. Im Vergleich zur Nutzung des Stroms in einem Heizlüfter kann also ein deutlich größere Wärmemenge zur Verfügung gestellt werden. Die Energie kommt natürlich nicht aus dem Nichts, sondern wurde aus der Umgebung aufgenommen.