Gut, dann kommen wir jetzt zum zweiten Teil,
nämlich zu besonderen Kältekreisen,
und zu Bezeichnungen von Wärmepumpen.
Zunächst, die besonderen Prozesse:
ein Beispiel ist dieser
Enhanced-Vapour-Injection-Prozess,
abgekürzt: EVI.
Sie sehen hier den klassischen Wärmepumpen-Prozess
mit Verdampfer, Verdichter, Kondensator, Drossel. Jetzt aber
zweigt man hier links (Punkt 6) einen Teilstrom des Kältemittels ab,
drosselt den auch, aber nicht so tief
wie die Haupt-Drossel das tut,
sondern auf einen mittleren Druck,
hat dann Flüssigkeits-Dampf-Gemisch.
Das wird verdampft bei diesem mittleren Druck
und wird auf diesem mittleren Druck (Punkt 4)
dem Verdichter zugeführt und dadurch
wird dieser Verdichter gekühlt.
Der EVi-Prozeß ist vor allem interessant
bei Außenluftwärmepumpen,
wenn die Außenlufttemperatur niedrig ist,
die profitieren vor allem.
Die Vorteile von EVI sind
dass man kann einen größeren Temperaturhub erzielen kann
trotz dieser nach oben begrenzten Spitzentemperatur des Kältemittels
was sich ansonsten thermisch zersetzen würde.
Und der zweite Vorteil ist, man hat auch
eine stärkere Unterkühlung des Kondensats,
weil hier wird ja Wärme aufgenommen,
beziehungsweise das Fluid,
das hier zirkuliert, wird gekühlt, sodass
das stärker unterkühlt in den Verdampfer kommt
und dadurch der Wirkungsgrad steigt.
Das ist der EVI-Prozess.
Ein vergleichsweise trivialer anderer Prozess
gegenüber dem einfachen Wärmepumpen-Prozeß ist,
wenn Sie zwei Wärmepumpen-Prozesse hintereinander schalten,
wenn also der Kondensator des ersten Prozesses
gleich der Verdampfer des zweiten Prozesses ist.
Dann können Sie natürlich auch
deutlich größere Temperaturhube erzielen,
wenn Sie das so hintereinander schalten.
Gegebenenfalls können Sie sogar mit
zwei verschiedenen Kältemitteln arbeiten und damit
diesen Vorteil des großen Temperaturhubs
für sich nutzbar machen.
Letzte Folie in diesem Abschnitt:
die Bezeichnung von Wärmepumpen.
Erster Punkt ist, man spricht über eine Außenluft,
eine Luft/Luft-Wärmepumpe zum Beispiel
wenn Außenluft über den Verdampfer strömt
und Raumluft über den Kondensator.
Also Wärmequelle ist Außenluft und
Nutzmedium ist Raumluft, die erwärmt werden soll.
Das wäre eine Luft/Luft-Wärmepumpe.
An erster Stelle steht das Medium,
das im Verdampfer Wärme abgibt und
an zweiter Stelle das Medium
das im Kondensator Wärme aufnimmt.
Ein zweites Beispiel (Sole/Wasser) ist hier angeführt,
dabei strömt Sole über den Verdampfer.
Dieses Sole-Wasser-Glykol-Gemisch würde
zum Beispiel durch
Kunststoffrohre im Erdreich strömen,
dort Wärme aufnehmen und diese Wärme
dann im Kondensator abgeben.
Entschuldigung, nicht im Kondensator,
im Verdampfer abgeben und
eine Sole/Wasser-Wärmepumpe wäre dann
zum Beispiel eine Wärmepumpe,
die dann ihre Nutzwärme
an das Heizungs-Wasser abgibt.
Zweiter Aspekt bei der Bezeichnung
sind die Datenblattangaben
zu Leistungen und Leistungsziffern.
Die Leistungsziffer und auch
die Heizleistung der Wärmepumpe ist sehr stark
abhängig von diesen Temperaturen.
Quellentemperatur, Senkentemperatur,
den Temperaturhub und
deshalb muss man angeben,
bei welchem Betriebspunkt diese Leistung
oder dieser Wirkungsgrad gemessen worden ist.
Und das macht man über solche Abkürzungen.
An der ersten Stelle steht
die Eintrittstemperatur des Wärmequellenmediums
vor dem Verdampfer.
Und an der zweiten Stelle steht
die Austrittstemperatur
des Nutzmediums nach dem Kondensator.
Und die Abkürzungen für die Medien sind
A wie air (Luft), B wie brine (Sole)
und W wie water (Wasser).
Und wenn Sie dann in einem Prospekt
die Angaben finden,
Wirkungsgrad gleich 4,0 bei A7/W50, dann wissen Sie,
aha, der Wirkungsgrad gilt,
wenn die Luft (weil A)
mit 7 Grad Celsius
in den Verdampfer einströmt,
also über den Verdampfer eintritt,
wird dann abgekühlt,
aber die Austrittstemperatur steht da nicht
nur die Eintrittstemperatur,
also die aktuelle Außenlufttemperatur wäre das dann.
Und das Heizungswasser
wird auf 50 Grad erwärmt,
Austrittstemperatur des Wassers.
Und dritter Aspekt, was Bezeichnung anbelangt,
sind die monovalenten, die monoenergetischen
und die bivalenten Wärmepumpen.
Was ist damit gemeint?
Mit monovalent meint man,
es gibt nur einen Wärmeerzeuger,
nämlich nur die Wärmepumpe.
Monoenergetisch heißt,
in der Wärmepumpe,
also es gibt auch nur die Wärmepumpe,
aber in der Wärmepumpe ist noch ein Elektroheizstab verbaut
für die ganz kalten Tage,
also quasi eine elektrische Direktheizung
als Notheizung, wenn es
mal ganz kalt wird.
Und bivalent heißt, es gibt zwei Wärmeerzeuger,
nämlich die Wärmepumpe plus (z.B.) ein Gasheizgerät,
was vielleicht schon vorhanden ist.
Die Wärmepumpe arbeitet dann zum Beispiel
bis zu einer Außentemperatur
der sogenannten Bivalenztemperatur
von 4 Grad Celsius alleine.
Dann wäre es eine bivalent-parallele
Verschaltung, wenn das zweite Heizgerät
unter diesen 4 Grad Celsius
mit unterstützt. Also die Wärmepumpe läuft weiter
auch bei 0 Grad, auch bei -4 Grad
und das zweite Heizgerät kommt dazu,
dann ist das ein bivalent-paralleler Betrieb.
Wenn die Wärmepumpe aber bei 4 Grad Celsius
abschalten würde, dann wäre es
ein bivalent alternativer Betrieb.
Solche Bezeichnungen liest man immer wieder,
so dass Sie jetzt noch wissen,
was das bedeutet.
Dann kommen wir zum nächsten Teil,
nämlich zu den energetischen Kennzahlen
einer Wärmepumpe und zu Wirkungsgraden.
Den Prozess kennen Sie schon.
Und das Erste, was man energetisch tun kann,
ist immer den ersten Hauptsatz zu bilden,
die Energiebilanz. Und da ist es so,
dass die eintretenden Energiemengen
gleich den Austretenden sein müssen.
Also eintretend ist hier erstens
die Umgebungsenergie
(oder auch Kälteenergie bei einer Kältemaschine)
Q0 abgekürzt, also die zugeführte Energie
aus der Wärmequelle niedriger Temperatur.
zweitens wird Antriebsarbeit
beziehungsweise Leistung zugeführt,
abgekürzt mit W oder die Leistung mit P.
Abgeführt werden die Abwärme
beziehungsweise die Nutzwärme Q
bei der Wärmepumpe auf dem höheren Temperaturniveau
und es können Verluste auftreten, also Wärme,
die an den Aufstellraum, an die Umgebung
wo das Gerät steht, abgegeben wird.
Ja, und damit können wir schon
die Leistungszahl berechnen.
Die Leistungszahl, abgekürzt Epsilon(ε),
ist der Begriff bei der Wärmepumpe
für den Wirkungsgrad.
Aus dem Englischen kommend wird auch häufig COP,
der Coefficient of Performance verwendet.
Alles das gleiche, COP, Epsilon, Wirkungsgrad.
Alles das Gleiche.
Gebildet wie das Epsilon wie Sie das kennen, nämlich
mit Q Punkt durch P, in der Regel P elektrisch,
also die Nutzwärme Q Punkt dividiert
durch die zugeführte elektrische Leistung.
Und bei der Wärmepumpe ist es sehr schön -
man kann nämlich ganz einfach ausrechnen,
wie hoch der Wirkungsgrad maximal sein kann.
Das ist nämlich über diese Gleichung hier definiert,
über die sogenannte Carnot Leistungsziffer
Das ist ein einfaches Temperaturverhältnis
T durch T-T0, also Temperatur der Wärmesenke
dividiert durch die Temperaturdifferenz
zwischen Senke und Quelle.
Und wenn hier zum Beispiel 300 Kelvin stünden,
das heißt 27 Grad Celsius
(0 Grad sind ja 273 Kelvin).
Wenn also hier 300 Kelvin stünden,
27 Grad Celsius und die Temperaturdifferenz wäre 30,
dann hätten Sie eine Leistungsziffer von 10,
gleich 1.000%.
Das hört sich jetzt sehr viel an.
Wärmepumpen können sehr leistungsfähig sein.
Aber wir werden gleich noch aufklären,
dass das kein Perpetuum Mobile ist.
Also Sie stecken eine Kilowattstunde Strom rein
und kriegen (maximal, im Idealfall) 10 Kilowattstunden Wärme raus.
Das geht ja so ein bisschen
in Richtung Perpetuum Mobile.
Wir stecken eine Kilowattstunde Strom rein
und 9 Kilowattstunden Wärme aus der Umgebung
und können hier 10 Kilowattstunden abführen,
wenn das hier (die Verluste) nahe 0 sind,
was wir im ersten Schritt bei einem
idealen Prozess annehmen können.
Also das ist das Maximum.
Das erreicht man in realen Maschinen nicht.
Das kann man festmachen am Gütegrad,
dem Exergetischen Gütegrad, da haben wir
gleich noch eine Folie, wo ich Ihnen zeige,
wie hoch diese Werte sind bei realen Maschinen.
Der Gütergrad ist in jedem Fall kleiner als 1.
Er ist (im realen Fall) kleiner als 1, im idealen Fall gleich 1.
Grösser als 1 kann er nicht sein.
Ja, und schon
mit gesunden Menschenverstand
kann man sich vorstellen,
je grösser der Temperaturhub ist,
desto geringer sind diese Wirkungsgrade,
das ergibt sich aus dieser Formel,
wenn der Temperaturhub, diese Temperaturdifferenz T - To
grösser wird, dann wird Epsilon Carnot kleiner.
Das Pendant zum Nutzungsgrad
von fossil betriebenen Heizgeräten ist
bei der Wärmepumpe die Arbeitszahl.
Die Arbeitszahl wird mit den Energiemengen gebildet,
die über einen bestimmten Zeitraum kumuliert sind,
nämlich die Nutzwärme
über zum Beispiel ein Jahr aufaddiert
und die elektrische Energiemenge, der Stromverbrauch,
der sich in diesem Jahr ergibt und
den Quotient aus den beiden nennt man dann Jahresarbeitszahl
oder abgekürzt JAZ.
Man findet im englischsprachigen Raum
oder auch in deutscher Literatur alternativ auch den Begriff
Seasonal Coefficient of Performance,
abgekürzt SCOP und sicherlich auch andere Bezeichnungen,
das wären so zwei gängige.