Praktisch jeder von uns kennt die Außenluftwärmepumpe vom Sehen. Die Erdwärmepumpe ist schon eher nur Hörensagen, da diese gerade bei Einfamilienhäusern oft als ökologische Heizung eingesetzt wird. Wir wollen uns hier nur mit der Luftwärmepumpe tiefer beschäftigen da diese in einem ganzheitlichen Energiekonzept eine wichtige Rolle spielt. Dennoch wäre es absolute Dummheit und fahrlässig alle anderen Varianten nicht zu erwähnen.
Zu den bereits Erwähnten gesellen sich Varianten welche teils mehr als exotisch wirken. Eine sehr interessante Variante ist die paradox wirkende Eisspeicher-Wärmepumpe. Diese wie auch Co2-Wärmepumpen, Abwasserwärmepumpen, Kalorische Wärmepumpen und viele andere stellen wir kurz vor.
Die Eisspeicherheizung basiert auf einer Sole/Wasser-Wärmepumpe und dem Eisspeicher. Durch diese Kombination kann diese dem Erdreich, dem Wasser und der Umgebungsluft Wärme entziehen. Der Eisspeicher ist jedoch die wichtigste Wärmequelle. Diese Systeme kommen vor allem in Gebäuden mit hohem Wärme- und/oder Kältebedarf zum Einsatz. Damit stellt dies Lösung eine ökonomische als auch ökologische Alternative für gewerbliche und kommunale Anwendung dar.
Besteht aus einer Zisterne, welche unter der Erdoberfläche situiert ist. Dieser Speicher wird meist aus Beton ohne Dämmung gegen das Erdreich errichtet. Im Inneren werden große Spiralen als Zirkulationsleitung, in denen sich eine frostsichere Flüssigkeit, die sogenannte Sole befindet, montiert.
Diese Leitungen bilden einen Entzugs- und einen Regenerationswärmetauscher. Wenn alle Zu- und Abflussleitungen installiert sind wird der Speicher mit Wasser gefüllt. Aus diesem wird im Betrieb die Energie gewonnen.
Der erste Wärmetauscher entzieht dem flüssigen Wasser die Energie und leitet diese an die Wärmepumpe. Dort findet ein Verdichtungsprozess statt, bei dem ein Kältemittel zunächst verdampft und anschließend komprimiert wird. Die dabei entstehende Wärme wird für die Heizung als auch zur Warmwasserbereitung verwendet.
Durch den Wärmeentzug sinkt die Temperatur und es gefriert allmählich. Aus technischen Notwendigkeiten werden die Leitungen so verlegt, dass die Vereisung von innen nach außen erfolgt.
Der Regenerationswärmetauscher bringt Wärme von der Solarthermie oder einer anderen Wärmequelle in den Speicher ein.
Da der Betonbehälter nicht gedämmt ist, erwärmt sich der Eisspeicher durch das umgebende Erdreich und beschleunigt so den Auftauprozess. Durch das Verflüssigen des Wassers kann der Kreislauf beliebig oft wiederholt werden.
Ausgeklügelte CO2-Wärmepumpen nutzen das natürliche Kältemittel CO2 (R744), um Vorlauftemperaturen bis zu 90 °C für Wärme- und Prozesswärme zu generieren. Dank der einzigartigen Eigenschaften von CO2 als Kältemittel können auch aus Niedertemperaturquellen, wie industrieller Abwärme und Abwasser bis zu 35 °C, erhöhte Temperaturen erzeugt werden.
DIE RÜCKGEWINNUNG
von Energie aus Kühlwässern, Rückkühlern und Abwässern durch den Einsatz von CO2-Hochtemperaturwärmepumpen verringert den Primärenergiebedarf. Ein energetisch effizienter Weg, die Kälteerzeugung unter -10°C und die Rückgewinnung der Wärme über 90°C durch CO2-Hochtemperaturwärmepumpen zu kombinieren.
DER EINSATZ
von CO2 in Wärmepumpen bedingt einen höheren technischen Aufwand und damit verbundene Kosten. Daher wird CO2 im Allgemeinen für Großwärmepumpen (Heiz- und Kälteleistung von über 100 kW) verwendet. In dieser Größenordnung rechnen sich die Effizienzsteigerungen aufgrund des erhöhten Investitionsbedarfs. In der Regel sind die Kosten gegenüber Wärmepumpen mit synthetischen Kältemitteln innerhalb von 2 bis 5 Jahren amortisier
Aufgrund des hohen Isentropenexponenten des CO2 wird der durch den Verdichter austretende Gasdruck die Temperatur bis zu 150 °C anheben, was einer idealen Temperatur für die Warmwasserbereitung entspricht.
Erreichen lässt sich eine Warmwassertemperatur von rund 60 °C, bei einer bloßen Heizleistung von 15 Prozent der Kälteleistung – und das ohne eine zusätzliche Aufwendung an Energie. Wie bei Wärmepumpen mit dem Kältemittel R744 normal, wird die Effizienz des Gesamtsystems durch ein großes Delta-t zwischen der Vor- und Rücklauftemperatur des Wassers gesteigert.
Elektrokalorische Wärmepumpen weisen, im Vergleich zu Kompressoren-basierten Wärmepumpen, eine Reihe von Vorzügen auf und sind zu den festkörperbasierten Wärmepumpen zu rechnen.
Elektrokalorische Systeme arbeiten mit sicheren, unproblematischen Flüssigkeiten wie etwa Wasser.
Beim Anlegen eines elektrischen Feldes an elektrokalorische Stoffe richten sich die elektrischen Momente im Feld aus, wodurch das Material erwärmt wird. Die so entstandene Wärme wird über eine Wärmesenke abgeleitet, sodass die Ausgangs-Temperatur wieder erreicht wird.
Entfernt man das elektrische Feld, nimmt die Ordnung der elektrischen Momente ab und das Material kühlt sich ab. Dadurch kann es thermische Energie einer Wärmequelle aufnehmen.
Dieser Effekt ist reversibel, sodass ein Zyklus kreiert wird, der als effiziente Wärmepumpe fungieren kann, um zu kühlen oder zu heizen.
Forscher erhoffen sich ein hohes Potenzial von elektrokalorischen Wärmepumpen vor allem in Gebäudeklimatisierung, industriellen Kühlsystemen, Fahrzeugklimatisierung, Server- und Schaltschrankkühlung sowie Laborkühlschränken.
Auch für Kühlung von Haushaltgeräten gilt diese Technologie als vielversprechend. Hersteller entscheiden sich heute vermehrt für Isobutan oder Propan als natürliche Kältemittel. Obwohl sie nicht schädlich für die Umwelt sind, sind sie leicht entflammbar und stellen für sicherheitskritische Anwendungen keine geeignete Wahl dar.