Die Animation zeigt den Kältekreislauf einer Wärmepumpe. Die vier Komponenten (Verdampfer, Verdichter, Verflüssiger und Drosselventil) werden mit farbcodierter Temperaturvisualisierung und animiertem Massenstrom dargestellt. Der thermodynamische Zustand wird im log p-h-Diagramm oder im T-s-Diagramm angezeigt.
Links
Beschreibung der Animation
Die linke Seite der Animation zeigt das Rohrsystem der Wärmepumpe. Das Kältemittel strömt durch vier Komponenten: den Verdampfer (bei −5 °C), den Verdichter, den Verflüssiger (bei 45 °C) und das Drosselventil. Die Rohrfarbe zeigt die Temperatur des Kältemittels an. Animierte Markierungen zeigen die Richtung des Massenstroms.
Die rechte Seite zeigt den thermodynamischen Kreisprozess im log p-h-Diagramm (Druck über Enthalpie) oder im T-s-Diagramm (Temperatur über Entropie). Die Sättigungskurve von Propan ist in beiden Diagrammen eingezeichnet. Der aktuelle Zustandspunkt bewegt sich entlang des Kreisprozesses, wenn der Schieberegler verschoben wird.
Die vier Prozessschritte sind farblich gekennzeichnet und in der Legende beschriftet: Verdichtung (1 → 2), Verflüssigung (2 → 3), Drosselung (3 → 4) und Verdampfung (4 → 1). Die Betriebsparameter sind: Überhitzung 6 K, Unterkühlung 4 K und isentroper Verdichterwirkungsgrad 0,7.
Interaktive Steuerung
Folgende Bedienelemente stehen zur Verfügung:
- Zeitpunkt im Kreisprozess (0–100 %): Verschiebt den Zustandspunkt durch die vier Schritte des Kältekreislaufs
- Diagrammauswahl: Schaltet zwischen log p-h-Diagramm und T-s-Diagramm um
- Pause / Play: Hält die Kreisprozessanimation an oder setzt sie fort
So funktioniert die Wärmepumpe
Eine Wärmepumpe überträgt thermische Energie von einer kalten Quelle (z. B. Außenluft oder Erdreich) auf eine warme Senke (z. B. eine Heizungsanlage). Diese Übertragung geht gegen die natürliche Richtung des Wärmeflusses und erfordert mechanische Arbeit, die der Verdichter liefert.
Der Prozess nutzt die Phasenübergänge eines Kältemittels. Verdampfung bei niedrigem Druck entzieht der Quelle Wärme. Verflüssigung bei hohem Druck gibt Wärme an die Senke ab. Der Verdichter sorgt für die Druckdifferenz, die diese Phasenübergänge auf unterschiedlichen Temperaturniveaus ermöglicht.
Die Energiebilanz folgt dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik:
\[ Q_H = Q_C + W \]
Die an die Senke abgegebene Wärme (\( Q_H \)) ist gleich der aus der Quelle aufgenommenen Wärme (\( Q_C \)) plus der Verdichterarbeit (\( W \)). Eine Wärmepumpe liefert daher mehr Wärme als sie an elektrischer Energie verbraucht.
Die vier Prozessschritte
1 → 2 Verdichtung
Der Verdichter saugt Niederdruckgas aus dem Verdampfer an und komprimiert es auf den Verflüssigungsdruck. Druck und Temperatur steigen. Bei einer idealen (isentropen) Verdichtung bleibt die Entropie konstant. Der isentrope Wirkungsgrad \( \eta_s = 0{,}7 \) in dieser Animation berücksichtigt Reibung und interne Verluste.
Im log p-h-Diagramm erscheint die Verdichtung als Linie von Zustandspunkt 1 nach 2, aufwärts und nach rechts verlaufend. Im T-s-Diagramm wäre eine ideale Verdichtung eine senkrechte Linie; die reale Verdichtung krümmt sich wegen der Entropiezunahme nach rechts.
2 → 3 Verflüssigung
Das heiße Gas tritt in den Verflüssiger ein und gibt Wärme an das Heizsystem ab. Das Kältemittel kühlt zunächst als überhitztes Gas ab (Enthitzung), kondensiert dann bei konstantem Druck und konstanter Temperatur und wird um 4 K unter die Sättigungstemperatur unterkühlt.
Im log p-h-Diagramm verläuft dieser Schritt waagerecht von rechts nach links beim Verflüssigungsdruck \( p_c \). Im T-s-Diagramm liegt der Verflüssigungsabschnitt entlang des oberen Teils der Sättigungskurve.
3 → 4 Drosselung
Das flüssige Kältemittel strömt durch das Drosselventil. Der Druck fällt vom Verflüssigungsdruck auf den Verdampfungsdruck, ohne dass Arbeit verrichtet wird. Es handelt sich um einen isenthalpen Prozess: Die Enthalpie vor und nach dem Ventil ist gleich.
Ein Teil der Flüssigkeit verdampft, und die Temperatur sinkt auf die Verdampfungstemperatur. Im log p-h-Diagramm erscheint die Drosselung als senkrechte Linie nach unten bei konstanter Enthalpie. Im T-s-Diagramm nimmt die Entropie zu, da der Prozess irreversibel ist.
4 → 1 Verdampfung
Das kalte, teilweise verdampfte Kältemittel tritt in den Verdampfer ein und nimmt bei konstantem Druck Wärme aus der Umgebung auf. Die Temperatur bleibt während des Phasenübergangs konstant. Nach vollständiger Verdampfung wird das Gas um 6 K überhitzt, um den Verdichter vor Flüssigkeitstropfen zu schützen.
Im log p-h-Diagramm verläuft die Verdampfung waagerecht beim Verdampfungsdruck \( p_0 \) von links nach rechts. Im T-s-Diagramm folgt der Prozess dem unteren Teil der Sättigungskurve und biegt bei der Überhitzung nach oben ab.
Leistungszahl
Die Effizienz einer Wärmepumpe wird als Leistungszahl (COP, Coefficient of Performance) ausgedrückt. Sie ist das Verhältnis der abgegebenen Nutzwärme zur aufgewendeten Arbeit:
\[ \text{COP} = \frac{Q_H}{W} \]
Da \( W = Q_H – Q_C \) (erster Hauptsatz), ist die Leistungszahl stets größer als 1. Eine Leistungszahl von 4 bedeutet: Für jede verbrauchte Kilowattstunde elektrischer Energie werden 4 Kilowattstunden Wärme geliefert.
Für eine ideale (Carnot) Wärmepumpe zwischen den Temperaturen \( T_C \) und \( T_H \) beträgt die maximale Leistungszahl:
\[ \text{COP}_{\text{Carnot}} = \frac{T_H}{T_H – T_C} \]
Mit den Temperaturen dieser Animation (\( T_C = 268{,}15 \) K, \( T_H = 318{,}15 \) K):
\[ \text{COP}_{\text{Carnot}} = \frac{318{,}15}{318{,}15 – 268{,}15} = \frac{318{,}15}{50} \approx 6{,}4 \]
Reale Wärmepumpen erreichen niedrigere Werte. Der isentrope Wirkungsgrad von 0,7 und die Irreversibilität der Drosselung reduzieren die Leistungszahl auf Werte zwischen 3 und 5.
Die Leistungszahl hängt von der Temperaturdifferenz zwischen Quelle und Senke ab. Je kleiner die Differenz, desto höher die Leistungszahl. Fußbodenheizung (niedrige Vorlauftemperatur) ist mit einer Wärmepumpe daher effizienter als Heizkörper (hohe Vorlauftemperatur).
Das Kältemittel: Propan (R290)
Die Animation verwendet Propan (R290) als Kältemittel. Propan ist ein natürliches Kältemittel mit einem Treibhauspotenzial (GWP) von 3. Synthetische Kältemittel wie R134a oder R410A haben GWP Werte über 1000. Die europäische Verordnung über fluorierte Treibhausgase schränkt den Einsatz von Kältemitteln mit hohem GWP schrittweise ein.
Propan hat einen niedrigen Siedepunkt (−42 °C bei Atmosphärendruck) und eine kritische Temperatur von 96,7 °C. Der Hauptnachteil ist die Brennbarkeit (Sicherheitsklasse A3), die Schutzmaßnahmen in der Anlagenauslegung erfordert.
Wärmepumpen in der Praxis
- Gebäudeheizung: Luftwärmepumpen entziehen der Außenluft Wärme, auch bei Temperaturen unter 0 °C. Erdwärmepumpen nutzen die konstante Temperatur des Erdreichs über Erdkollektoren oder Tiefenbohrungen.
- Warmwasserbereitung: Wärmepumpen erwärmen Trinkwasser auf 55–60 °C. Höhere Temperaturen verringern die Leistungszahl.
- Industrielle Prozesse: Großwärmepumpen liefern Prozesswärme in der Lebensmittelproduktion, Papierherstellung und chemischen Industrie bei Temperaturen bis 150 °C.
- Reversibler Betrieb: Viele Wärmepumpen können den Kreisprozess umkehren und im Sommer als Klimaanlage arbeiten. Der Verflüssiger wird zum Verdampfer und umgekehrt.
- Kühlung: Jeder Kühlschrank nutzt denselben Kreisprozess. Der Nutzen ist die am Verdampfer aufgenommene Wärme (Kühlung), nicht die am Verflüssiger abgegebene Wärme.
Historischer Hintergrund
Die theoretische Grundlage für die Wärmepumpe legte Sadi Carnot 1824. Seine Analyse idealer Wärmekraftmaschinen implizierte, dass der Prozess umkehrbar ist: Statt Wärme in Arbeit umzuwandeln, kann Arbeit genutzt werden, um Wärme von kalt nach warm zu transportieren.
William Thomson (Lord Kelvin) formulierte diese Idee 1852 explizit. Er schlug vor, eine umgekehrte Wärmekraftmaschine zur Gebäudeheizung zu nutzen, und berechnete, dass das Gerät mehr Wärme liefern würde als es an Energie verbraucht.
Die erste Wärmepumpe zur Gebäudeheizung baute Heinrich Zoelly 1938 in Zürich. Sie entzog der Limmat Wärme. Während der Ölkrisen der 1970er Jahre gewannen Wärmepumpen als Alternative zu fossilen Brennstoffen an Bedeutung.
Heute sind Wärmepumpen eine Schlüsseltechnologie zur Emissionsminderung im Gebäudesektor. Die Europäische Union strebt die Installation von 60 Millionen Wärmepumpen bis 2030 an. In Norwegen und Schweden decken Wärmepumpen bereits einen großen Teil der Wohnraumbeheizung.
Weiterführende Ressourcen
- Wärmepumpe – Wikipedia – Funktionsweise, Bauarten und Anwendungen
- Leistungszahl – Wikipedia – Definition und typische Werte
- IEA Heat Pumps Programme – heatpumpingtechnologies.org – Forschungskooperation zur Wärmepumpentechnik
Verwandte Animationen
Web Animationen
Überblick
| Titel | Wärmepumpe |
| Zielgruppe | Lehrer/innen und Vortragende |
| Features | Vollbildmodus verlustfreie Vergrößerung Großbildschirme und Leinwände unterstützt |
| Lizenz | MIT |