Funktionsweise einer Wärmepumpenanlage

Die Schülerinnen und Schüler setzen sich intensiv mit den Arten von Wärmepumpen, mit Energiebilanzen und Kennwerten dieser Bilanzen auseinander.

Arten von Wärmepumpen

Wärmepumpenanlagen sind Wärmekraftmaschinen, die zur Raumbeheizung, zur Warmwasserbereitung und in der Verfahrenstechnik eingesetzt werden. Hierbei wird die in der Umgebung (Erdreich, Grundwasser, Umgebungsluft) zwischengespeicherte Sonnenenergie oder Abwärme aus Produktionsprozessen genutzt. Neben der Umgebungsenergie benötigt die Wärmepumpe elektrische Energie, Verbrennungsenergie (Kompressionswärmepumpen) oder thermische Energie (Absorptionswärmepumpen). Der größte Anteil der in Deutschland installierten Wärmepumpenanlagen fällt auf elektrische Wärmepumpenanlagen zur Wohnraumbeheizung und auf Kleinstanlagen zur Warmwasserbereitung. Meistens werden Wärmepumpen mit monovalenter Betriebsweise installiert. Monovalente Anlagen decken als alleiniger Wärmeerzeuger den gesamten Wärmebedarf des Gebäudes.

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Ökologische Gesichtspunkte

In den letzten Jahren ist die Zahl neu installierter Wärmepumpen zur Wohnraumbeheizung deutlich gestiegen. Grund für diesen Marktaufschwung sind die steigenden Energiepreise und vor allem die Diskussion bezüglich der ökologischen Nebenwirkungen von Anlagen zur Raumheizung. Die Raumheizung ist in Deutschland besonders in der Diskussion, da auf sie ca. 30 % des Primärenergieverbrauchs fällt und somit entsprechend hohe Minderungspotentiale der C02-Emissionen bestehen. Impulse erhielt der Wärmepumpenmarkt durch die Energieeinsparverordnung von 2002 und Fördermaßnahmen von Bund, Ländern, Kommunen und Energieversorgungsunternehmen.

  • bmvbw.de
    Die Energiesparverordnung können Sie auf der Seite des Bundesministeriums für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen nachlesen.

Perspektiven

Die Anzahl der Niedrigenergie- und Passivhäuser wird durch die Klimaschutzbemühungen weiter wachsen und damit auch die Anwendungsmöglichkeiten von Wärmepumpen. Insbesondere bei Niedrigenergie- und Passivhäusern hat die Wärmepumpe günstige Einsatzbedingungen. Ob der Einsatz einer Wärmepumpe zur Raumheizung sinnvoll ist, muss im Einzelfall entschieden werden. Mehr Anwendungsfelder könnten mit dem zunehmenden Einsatz kohlenstoffärmerer Brennstoffe in der Stromerzeugung und damit einer besseren ökologischen Bilanz der Wärmepumpe ergeben.

Didaktische Reduktion

Die Warmwasserversorgung wird in die unterrichtliche Betrachtung nicht mit einbezogen. Einerseits um die Komplexität zu verringern, andererseits, da empfohlen wird, die Warmwasserversorgung möglichst nicht mit der Heizungswärmepumpe sicherzustellen. Als Systemgrenze wird die Wärmepumpenanlage (mit den Komponenten Wärmezuführung, Wärmepumpe, Wärmeverteilsystem) einschließlich Wohnraum festgelegt. Die Wärmepumpe selbst besteht aus den Wärmetauschern, dem Kompressor und dem Expansionsventil. Die Umwälzpumpen, der Motorschutz, eine Anlaufstrombegrenzung, der Tonfrequenz-Rundsteuerempfänger und andere "Details" werden nicht betrachtet. Das so abgegrenzte und reduzierte System wird in den vier Schritten der Analysemethode von den Schülerinnen und Schülern analysiert.

Kennzahlen

Wichtig für das Verständnis einer Wärmepumpe ist, dass neben elektrischer Energie Umgebungsenergie zur Raumerwärmung beziehungsweise zur Wassererwärmung genutzt wird. Die Unterrichtseinheit soll technisches Basiswissen vermitteln, um eine Diskursfähigkeit in Hinblick auf das Minderungspotential von C02-Emissionen und der Wirtschaftlichkeit zu ermöglichen. Die Leistungsziffer und die Jahresarbeitszahl als Kennwerte der ökologischen Bilanz einer Wärmepumpenanlage sind Unterrichtsinhalt.

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Autor
Avatar Markus Asmuth

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In Kooperation mit

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Dieser Beitrag wird im Rahmen der Ausstellung "MS Wissenschaft" angeboten.