Luftwärmepumpen – Wikipedia

Ein Luftwärmepumpe (ASHP) ist ein System, das Wärme von außen nach innen oder umgekehrt überträgt. Nach den Prinzipien der Dampfkompressionskühlung verwendet ein ASHP ein Kältemittelsystem mit einem Kompressor und einem Kondensator, um Wärme an einer Stelle zu absorbieren und an einer anderen abzugeben. Sie können als Raumheizung oder -kühler verwendet werden und werden manchmal als „Umkehrklimaanlagen“ bezeichnet.

Bei der Verwendung von Haushaltsheizungen nimmt ein ASHP Wärme von der Außenluft auf und gibt sie im Inneren des Gebäudes als Heißluft, mit heißem Wasser gefüllte Heizkörper, Fußbodenheizung und / oder Warmwasserversorgung ab. Das gleiche System kann im Sommer oft das Gegenteil bewirken und das Innere des Hauses kühlen. Bei korrekter Angabe kann ein ASHP eine vollständige Zentralheizungslösung und Warmwasser bis zu 80 ° C anbieten.[citation needed]

Beschreibung[edit]

Luft mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt enthält etwas Energie. Eine Luftwärmepumpe überträgt einen Teil dieser Energie als Wärme von einem Ort zum anderen, beispielsweise zwischen der Außenseite und der Innenseite eines Gebäudes. Dies kann Raumheizung und Warmwasser liefern. Ein einziges System kann so ausgelegt werden, dass Wärme in beide Richtungen übertragen wird, um das Innere des Gebäudes im Winter bzw. Sommer zu heizen oder zu kühlen. Der Einfachheit halber konzentriert sich die folgende Beschreibung auf die Verwendung für die Innenheizung.

Die Technologie ähnelt einem Kühl- oder Gefrierschrank oder einer Klimaanlage: Der unterschiedliche Effekt ist auf den physischen Standort der verschiedenen Systemkomponenten zurückzuführen. So wie die Rohre auf der Rückseite eines Kühlschranks beim Abkühlen des Innenraums warm werden, erwärmt ein ASHP das Innere eines Gebäudes, während die Außenluft gekühlt wird.

Die Hauptkomponenten einer Luftwärmepumpe sind:

  • Eine Wärmetauscherspule im Freien, die der Umgebungsluft Wärme entzieht
  • Eine Innenwärmetauscherspule, die die Wärme in Heißluftkanäle überträgt, ein Innenheizungssystem wie wassergefüllte Heizkörper oder Unterflurkreisläufe und ein Warmwasserspeicher.

Luftwärmepumpen können eine relativ kostengünstige Raumheizung bereitstellen. Eine hocheffiziente Wärmepumpe kann mit der gleichen Strommenge bis zu viermal so viel Wärme liefern wie eine elektrische Widerstandsheizung.[1] Die Lebensdauerkosten einer Luftwärmepumpe werden durch den Strompreis im Vergleich zu Gas (sofern verfügbar) beeinflusst. Beim Verbrennen von Gas oder Öl werden Kohlendioxid und Stickstoffdioxid freigesetzt, die gesundheitsschädlich sein können. Eine Luftwärmepumpe gibt kein Kohlendioxid, Stickoxid oder andere Gase ab. Es verbraucht eine kleine Menge Strom, um eine große Menge Wärme zu übertragen: Der Strom kann aus erneuerbaren Quellen stammen oder aus Kraftwerken, die fossile Brennstoffe verbrennen.

Eine „normale“ Haushaltsluftquellen-Wärmepumpe kann Nutzwärme bis zu etwa –15 ° C (5 ° F) abführen.[2] Bei kälteren Außentemperaturen ist die Wärmepumpe weniger effizient; Es könnte ausgeschaltet und die Räumlichkeiten nur mit zusätzlicher Wärme (oder Notwärme) beheizt werden, wenn das zusätzliche Heizsystem groß genug ist. Es gibt speziell entwickelte Wärmepumpen, die zwar im Kühlmodus auf Leistung verzichten, aber eine nützliche Wärmeextraktion für noch niedrigere Außentemperaturen bieten.

In kalten Klimazonen[edit]

Eine Luftwärmepumpe, die speziell für sehr kaltes Klima entwickelt wurde, kann der Umgebungsluft nützliche Wärme als Kälte von –30 ° C (–22 ° F) entziehen. Zu den Herstellern zählen Mitsubishi und Fujitsu.[3] Ein Mitsubishi-Modell liefert Wärme bei –35 ° C, aber der Leistungskoeffizient (COP) sinkt auf 0,9, was darauf hinweist, dass die Widerstandsheizung bei dieser Temperatur effizienter wäre. Bei –30 ° C beträgt der COP nach Angaben des Herstellers 1,1,[4] In der Marketingliteratur des Herstellers wird jedoch auch ein Mindest-COP von 1,4 und eine Leistung von –30 ° C angegeben.[5] Obwohl Luftwärmepumpen unter kalten Bedingungen weniger effizient sind als gut installierte Erdwärmepumpen, haben Luftwärmepumpen geringere Anfangskosten und sind möglicherweise die wirtschaftlichste oder praktischste Wahl.[6] Eine Studie von Natural Resources Canada ergab, dass Luftwärmepumpen (CC-ASHPs) mit kaltem Klima in kanadischen Wintern funktionieren, basierend auf Tests in Ottawa, Ontario Ende Dezember 2012 bis Anfang Januar 2013 mit einem CC-ASHP-Kanal. (In dem Bericht wird nicht ausdrücklich angegeben, ob Ersatzwärmequellen für Temperaturen unter –30 ° C in Betracht gezogen werden sollten. Das Rekordtief für Ottawa liegt bei –36 ° C.) Der CC-ASHP lieferte im Vergleich zu 60% Energieeinsparungen (jedoch keine Energiekosten) zu Erdgas,[7] wenn man nur die Energieeffizienz im Haushalt betrachtet. Bei der Betrachtung der Energieeffizienz bei der Stromerzeugung würde der CC-ASHP jedoch im Vergleich zur Erdgasheizung in Provinzen oder Territorien (Alberta, Nova Scotia und den Nordwest-Territorien), in denen die Kohleverbrennung die vorherrschende Methode war, mehr Energie verbrauchen der Stromerzeugung. (Die Energieeinsparungen in Saskatchewan waren gering. Andere Provinzen nutzen hauptsächlich Wasserkraft und / oder Atomkraft.) Trotz der erheblichen Energieeinsparungen im Vergleich zu Gas in Provinzen, die nicht hauptsächlich auf Kohle angewiesen sind, sind die Stromkosten im Vergleich zu Erdgas höher (unter Verwendung des Einzelhandels 2012) Die Preise in Ottawa, Ontario) machten Erdgas zur kostengünstigeren Energiequelle. (Der Bericht berechnete weder die Betriebskosten in der Provinz Quebec mit niedrigeren Stromtarifen noch die Auswirkungen der Stromtarife für die Nutzungsdauer.) Die Studie ergab, dass ein CC-ASHP in Ottawa 124% mehr kostete zu betreiben als das Erdgassystem. In Gebieten, in denen Hausbesitzern kein Erdgas zur Verfügung steht, können 59% Energiekosten im Vergleich zum Heizen mit Heizöl eingespart werden. In dem Bericht wurde festgestellt, dass in Kanada immer noch etwa 1 Million Wohnungen (8%) mit Heizöl beheizt werden. Der Bericht zeigt 54% Energiekosteneinsparungen für CC-ASHPs im Vergleich zur Widerstandsheizung für elektrische Fußleisten. Basierend auf diesen Einsparungen ergab der Bericht eine Amortisation von fünf Jahren für die Umstellung von Heizöl oder elektrischer Fußleistenwiderstandsheizung auf CC-ASHP. (In dem Bericht wurde nicht angegeben, ob bei dieser Berechnung die mögliche Notwendigkeit einer Aufrüstung der elektrischen Versorgung bei der Umstellung von Heizöl berücksichtigt wurde. Vermutlich wäre keine Aufrüstung der elektrischen Versorgung bei der Umstellung von elektrischer Widerstandswärme erforderlich.) In dem Bericht wurden größere Schwankungen in festgestellt Raumtemperatur mit der Wärmepumpe aufgrund ihrer Abtauzyklen.[8]

Langlebigkeit[edit]

Luftwärmepumpen halten bei geringem Wartungsaufwand über 20 Jahre.[citation needed] In den USA gibt es zahlreiche Wärmepumpen aus den 1970er und 1980er Jahren, die 2012 noch in Betrieb sind[citation needed], auch an Orten, an denen die Winter extrem kalt sind. Nur wenige bewegliche Teile reduzieren den Wartungsaufwand. Der Außenwärmetauscher und der Lüfter müssen jedoch frei von Blättern und Schmutz sein. Wärmepumpen haben mehr bewegliche Teile als eine äquivalente elektrische Widerstandsheizung oder Brennstoffheizung.[citation needed] Erdwärmepumpen haben weniger bewegliche Teile als Luftwärmepumpen, da sie keine Lüfter oder Abtaumechanismen benötigen und sich in Innenräumen befinden. Das Erdungsarray für eine Erdquelleninstallation sollte über 100 Jahre halten.

Luftwärmepumpen werden verwendet, um den Innenraum auch in kälteren Klimazonen zu heizen und zu kühlen, und können in milderen Klimazonen effizient zur Warmwasserbereitung eingesetzt werden. Ein Hauptvorteil einiger ASHPs besteht darin, dass dasselbe System zum Heizen im Winter und zum Kühlen im Sommer verwendet werden kann. Obwohl die Installationskosten im Allgemeinen hoch sind, sind sie geringer als die Kosten für a Bodenquelle Wärmepumpe, da eine Erdwärmepumpe zur Installation ihres Erdungskreislaufs Aushub benötigt. Der Vorteil einer Erdwärmepumpe besteht darin, dass sie Zugang zur Wärmespeicherkapazität des Bodens hat, wodurch sie unter kalten Bedingungen mehr Wärme für weniger Strom erzeugen kann.

ASHPs werden häufig mit Hilfs- oder Notwärmesystemen kombiniert, um Ersatzwärme bereitzustellen, wenn die Außentemperaturen zu niedrig sind, um effizient zu arbeiten, oder wenn die Pumpe ausfällt. Da ASHPs hohe Kapitalkosten haben und der Wirkungsgrad mit sinkender Temperatur sinkt, ist dies im Allgemeinen der Fall[vague] Es ist nicht kostengünstig, ein System für das kälteste Temperaturszenario zu dimensionieren, selbst wenn ein ASHP den gesamten Wärmebedarf bei den kältesten erwarteten Temperaturen decken könnte. Propan-, Erdgas-, Öl- oder Pelletbrennstofföfen können diese zusätzliche Wärme liefern.

Vollelektrische Wärmepumpensysteme haben einen Elektroofen oder eine elektrische Widerstandswärme oder Streifenwärme, die typischerweise aus Reihen von elektrischen Spulen besteht, die sich erwärmen. Ein Ventilator bläst über die beheizten Spulen und zirkuliert warme Luft im ganzen Haus. Dies dient als ausreichende Heizquelle, aber mit sinkenden Temperaturen steigen die Stromkosten. Stromausfälle stellen die gleiche Bedrohung dar wie zentrale Druckluftsysteme und Pumpenkessel, aber Holzöfen und nicht elektrische Kamineinsätze können dieses Risiko mindern. Einige ASHPs können als Primärenergiequelle an Solarmodule gekoppelt werden, wobei ein herkömmliches Stromnetz als Backup-Quelle dient.

Wärmespeicherlösungen mit Widerstandsheizung können in Verbindung mit ASHPs verwendet werden. Die Speicherung kann kostengünstiger sein, wenn Stromtarife für die Nutzungsdauer verfügbar sind. Die Wärme wird in Keramiksteinen hoher Dichte gespeichert, die in einem wärmeisolierten Gehäuse enthalten sind.[9] ASHPs können auch mit passiver Solarheizung kombiniert werden. Thermische Masse (wie Beton oder Steine), die durch passive Sonnenwärme erwärmt wird, kann dazu beitragen, die Innentemperatur zu stabilisieren, tagsüber Wärme zu absorbieren und nachts Wärme abzugeben, wenn die Außentemperaturen kälter sind und der Wirkungsgrad der Wärmepumpe geringer ist.

Der Außenbereich einiger Geräte kann bei ausreichender Luftfeuchtigkeit und einer Außentemperatur zwischen 0 ° C und 5 ° C (32 ° F bis 41 ° F) „einfrieren“.[citation needed]. Dies schränkt den Luftstrom über die Außenspule ein. Diese Einheiten verwenden einen Abtauzyklus, bei dem das System vorübergehend in den Kühlmodus wechselt, um Wärme vom Haus zur Außenspule zu leiten und das Eis zu schmelzen. Dazu muss die Zusatzheizung (elektrischer oder gasförmiger Widerstand) aktiviert werden. Der Abtauzyklus verringert den Wirkungsgrad der Wärmepumpe erheblich, obwohl die neueren (Bedarfs-) Systeme intelligenter sind und weniger abtauen müssen. Wenn die Temperaturen unter den Gefrierpunkt fallen, nimmt die Neigung zum Frost des Außenbereichs aufgrund der verringerten Luftfeuchtigkeit ab.

Es ist schwierig, herkömmliche Heizsysteme, die Heizkörper / Strahlungspaneele, Warmwasser-Fußleistenheizungen oder Leitungen mit noch kleinerem Durchmesser verwenden, mit Wärme aus ASHP-Quellen nachzurüsten. Die niedrigeren Ausgangstemperaturen der Wärmepumpe würden bedeuten, dass die Heizkörper vergrößert werden müssten oder stattdessen ein Niedertemperatur-Fußbodenheizungssystem installiert werden müsste. Alternativ kann eine Hochtemperatur-Wärmepumpe installiert und vorhandene Wärmestrahler beibehalten werden.[citation needed]

Technologie[edit]

A: Innenfach, B: Außenfach, I: Isolierung, 1: Kondensator, 2: Expansionsventil, 3: Verdampfer, 4: Kompressor

Das Heizen und Kühlen erfolgt durch Pumpen eines Kältemittels durch die Innen- und Außenspulen der Wärmepumpe. Wie in einem Kühlschrank werden ein Kompressor, ein Kondensator, ein Expansionsventil und ein Verdampfer verwendet, um den Zustand des Kältemittels zwischen kälteren flüssigen und heißeren Gaszuständen zu ändern.

Wenn das flüssige Kältemittel bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck durch die Wärmetauscherspulen im Freien strömt, führt Umgebungswärme dazu, dass die Flüssigkeit kocht (Umwandlung in Gas oder Dampf): Wärmeenergie aus der Außenluft wurde absorbiert und als Kältemittel im Kältemittel gespeichert Hitze. Das Gas wird dann unter Verwendung einer elektrischen Pumpe komprimiert; Die Kompression erhöht die Temperatur des Gases.

Im Inneren des Gebäudes gelangt das Gas durch ein Druckventil in Wärmetauscherspulen. Dort kondensiert das heiße Kältemittelgas zu einer Flüssigkeit zurück und überträgt die gespeicherte latente Wärme an die Innenluft, die Warmwasserbereitung oder das Warmwassersystem. Die Innenluft oder das Heizwasser wird von einer elektrischen Pumpe oder einem Ventilator über den Wärmetauscher gepumpt.

Das kühle flüssige Kältemittel tritt dann wieder in die Außenwärmetauscherspulen ein, um einen neuen Zyklus zu beginnen.

Die meisten Wärmepumpen können auch in einem Kühlmodus betrieben werden, in dem das kalte Kältemittel durch die Innenspulen geleitet wird, um die Raumluft zu kühlen.

Effizienzbewertungen[edit]

Der Wirkungsgrad von Luftwärmepumpen wird anhand des Leistungskoeffizienten (COP) gemessen. Ein COP von 3 bedeutet, dass die Wärmepumpe 3 Einheiten Wärmeenergie pro 1 Einheit Strom erzeugt, die sie verbraucht. Innerhalb von Temperaturbereichen von –3 ° C bis 10 ° C ist der COP für viele Maschinen mit 3–3,5 ziemlich stabil.

Bei sehr mildem Wetter kann der COP einer Luftwärmepumpe bis zu 4 betragen. An einem kalten Wintertag ist jedoch mehr Arbeit erforderlich, um die gleiche Wärmemenge in Innenräumen zu transportieren als an einem milden Tag.[10] Die Leistung der Wärmepumpe wird durch den Carnot-Zyklus begrenzt und nähert sich 1,0, wenn der Temperaturunterschied zwischen Außen- und Innentemperatur zunimmt. Dies tritt bei den meisten Luftwärmepumpen auf, wenn sich die Außentemperaturen –18 ° C / 0 ° F nähern. Die Wärmepumpenkonstruktion, die Kohlendioxid als Kältemittel ermöglicht, kann einen COP von mehr als 2 sogar bis zu –20 ° C aufweisen, wodurch die Gewinnschwelle auf –30 ° C (–22 ° F) nach unten gedrückt wird. Eine Erdwärmepumpe hat eine vergleichsweise geringere Änderung des COP, wenn sich die Außentemperaturen ändern, da der Boden, dem sie Wärme entzieht, eine konstantere Temperatur aufweist als die Außenluft.

Das Design einer Wärmepumpe hat einen erheblichen Einfluss auf ihren Wirkungsgrad. Viele Luftwärmepumpen sind hauptsächlich als Klimaanlagen konzipiert, hauptsächlich für den Einsatz bei Sommertemperaturen. Durch die Entwicklung einer Wärmepumpe speziell zum Zweck des Wärmeaustauschs kann ein höherer COP und ein verlängerter Lebenszyklus erreicht werden. Die Hauptänderungen betreffen den Maßstab und den Typ des Kompressors und Verdampfers.

Saisonbereinigte Heiz- und Kühleffizienzen werden durch den saisonalen Heizleistungsfaktor (HSPF) bzw. das saisonale Energieeffizienzverhältnis (SEER) angegeben.

In Einheiten, die mit HFKW-Kältemitteln gefüllt sind, wird der COP reduziert, wenn Wärmepumpen verwendet werden, um Brauchwasser auf über 60 ° C zu erwärmen oder um herkömmliche Zentralheizungssysteme zu heizen, die Heizkörper zur Wärmeverteilung verwenden (anstelle einer Fußbodenheizung).

Risiken und Vorsichtsmaßnahmen[edit]

  • Herkömmliche Luftwärmepumpen verlieren ihre Kapazität, wenn die Außentemperaturen unter 5 Grad Celsius fallen. CC-ASHPs (siehe oben) arbeiten möglicherweise effizient bei Temperaturen von bis zu –30 ° C, obwohl sie während der Sommersaison möglicherweise nicht so effizient kühlen wie herkömmliche Luftwärmepumpen. Wenn eine konventionelle Luftwärmepumpe in kälteren Klimazonen verwendet wird, benötigt das System eine zusätzliche Wärmequelle, um die Wärmepumpe bei extrem kalten Temperaturen oder wenn es einfach zu kalt ist, damit die Wärmepumpe überhaupt funktioniert, zu ergänzen.
  • Ein Zusatzwärme- / Notwärmesystem, beispielsweise ein herkömmlicher Ofen, ist auch wichtig, wenn die Wärmepumpe fehlerhaft funktioniert oder repariert wird. In kälteren Klimazonen funktionieren Wärmepumpen mit geteiltem System, die auf Gas-, Öl- oder Pelletbrennstofföfen abgestimmt sind, auch bei extrem kalten Temperaturen.

Kontroverse[edit]

Mit HFKW-Kältemitteln beladene Geräte werden häufig als energiearme oder nachhaltige Technologie vermarktet. Wenn der HFKW jedoch aus dem System austritt, besteht das Potenzial, zur globalen Erwärmung beizutragen, gemessen am globalen Erwärmungspotenzial (GWP) und am Ozonabbaupotential (ODP) ). In den jüngsten Regierungsmandaten wurde das Kältemittel R-22 aus dem Verkehr gezogen und durch umweltfreundlicheres Kältemittel R-410A ersetzt.[11]

Auswirkungen auf Elektrizitätsversorger[edit]

Während Wärmepumpen mit anderen Backup-Systemen als der elektrischen Widerstandsheizung häufig von Elektrizitätsversorgern empfohlen werden, sind Luftwärmepumpen ein Problem für Winterversorgungsunternehmen, wenn die elektrische Widerstandsheizung als zusätzliche oder Ersatzwärmequelle verwendet wird, wenn die Temperatur unter den Punkt fällt dass die Wärmepumpe den gesamten Wärmebedarf des Hauses decken kann. Selbst wenn es ein nicht elektrisches Backup-System gibt, ist die Tatsache, dass die Effizienz von ASHPs mit den Außentemperaturen abnimmt, ein Problem für die Elektrizitätsversorger. Der Wirkungsgradabfall bedeutet, dass ihre elektrische Last mit sinkenden Temperaturen stark ansteigt. In einer Studie im kanadischen Yukon-Territorium, in der Dieselgeneratoren für Spitzenleistungen eingesetzt werden, wurde festgestellt, dass die weit verbreitete Einführung von Luftwärmepumpen zu einem erhöhten Dieselverbrauch führen kann, wenn der aufgrund des ASHP-Einsatzes erhöhte Strombedarf die verfügbare Wasserkraftkapazität übersteigt.[12] Ungeachtet dieser Bedenken kam die Studie zu dem Schluss, dass ASHPs eine kostengünstige Heizungsalternative für Yukon-Bewohner sind. Da Windparks zunehmend zur Stromversorgung des Stromnetzes verwendet werden, passt die erhöhte Winterlast gut zur erhöhten Wintererzeugung aus Windkraftanlagen, und ruhigere Tage führen bei den meisten Häusern zu einer verringerten Heizlast, selbst wenn die Lufttemperatur niedrig ist.

Verweise[edit]

Literatur[edit]

Summer, John A. (1976). Haushaltswärmepumpen. PRISM Drücken Sie. ISBN 0-904727-10-6.