Absorption: Wie funktioniert eine Gas-Absorptionswärmepumpe?

Wie funktioniert eine Gas-Absorptionswärmepumpe?

Absorption ist der Vorgang, bei dem ein Stoff einen anderen Stoff aufnimmt oder absorbiert. Im Zusammenhang mit Wärmepumpen bezieht sich Absorption auf den Prozess, bei dem eine Flüssigkeit Wärme aufnimmt und verdampft, um in einem anderen Zustand wieder zu kondensieren und Wärme abzugeben.

Absorption als wichtiger Bestandteil der Funktionsweise von Wärmepumpen (Bildquelle: Studio Harmony – stock.adobe.com)

Die Absorption ist ein wichtiger Prozess bei der Installation und dem Betrieb einer Wärmepumpe. Es handelt sich dabei um die Aufnahme von Wärmeenergie aus der Umgebung durch das Kältemittel der Wärmepumpe. Dies geschieht durch den Einsatz von Absorptionsmitteln wie Wasser oder Lithiumbromid, die in einem geschlossenen Kreislauf zirkulieren.

Während des Betriebs der Wärmepumpe wird das Absorptionsmittel durch eine Wärmequelle wie die Umgebungsluft oder das Grundwasser erwärmt. Dadurch verdampft das Kältemittel und gelangt in den Verdampfer. Dort wird es durch einen Kompressor weiter erhitzt und in den Kondensator geleitet, wo es seine Wärmeenergie an das Heizsystem abgibt.

Dieser Prozess ist wichtig, da er eine hohe Effizienz der Wärmepumpe ermöglicht. Durch die Nutzung erneuerbarer Energiequellen wie der Umgebungsluft oder des Grundwassers kann die Wärmepumpe umweltfreundlich und kostengünstig betrieben werden.

Was ist Absorption im Zusammenhang mit einer Wärmepumpe?

Im Zusammenhang mit Wärmepumpen bezieht sich der Begriff „Absorption“ auf ein spezielles Verfahren, das bei bestimmten Wärmepumpentypen zur Wärmeübertragung eingesetzt wird. Eine Absorptionswärmepumpe nutzt den physikalischen Prozess der Absorption, um Wärme von einem kalten an einen warmen Ort zu übertragen.

Eine Absorptionswärmepumpe besteht aus zwei Hauptkomponenten: dem Absorber und dem Desorber. Der Absorber enthält ein Lösungsmittel (normalerweise eine Mischung aus Wasser und einem Kältemittel), während der Desorber dem System Wärme zuführt. Das Lösungsmittel im Absorber hat die Fähigkeit, ein Kältemittel aufzunehmen.

Der Prozess beginnt damit, dass das Lösungsmittel im Absorber das Kältemittel (typischerweise Ammoniak) absorbiert. Dies findet bei niedrigen Temperaturen statt, um die Wärmeaufnahme zu fördern.

Die Lösung wird dann in den Desorber gepumpt, wo sie erwärmt wird. Die Wärmequelle, die dem Desorber zugeführt wird, kann verschiedene Formen annehmen, z. B. Abgase, Solarwärme oder Abwärme aus industriellen Prozessen. Durch die Erwärmung des Lösungsmittels im Desorber wird das Kältemittel von der Lösung getrennt und liegt nun wieder in gasförmiger Form vor.

Das gasförmige Kältemittel wird in den Kondensator geleitet, wo es durch Wärmeabgabe an die Umgebung abkühlt und kondensiert. Dabei wird das Kältemittel wieder verflüssigt und unter hohen Druck gesetzt. Durch den Druck wird das Kältemittel in den Verdampfer geleitet, wo es sich ausdehnt und dabei stark abkühlt. Dieser Prozess ermöglicht die Aufnahme von Wärme aus dem kalten Ort, den die Wärmepumpe kühlen soll, z. B. einem Raum oder einer Umgebung.

Der Zyklus beginnt von neuem, wenn das Kältemittel in gasförmiger Form in den Absorber gelangt, wo es erneut vom Lösungsmittel absorbiert wird. Durch wiederholte Zyklen des Absorptions- und Desorptionsprozesses kann die Absorptionswärmepumpe kontinuierlich Wärme von einem kälteren an einen wärmeren Ort übertragen.

Absorptionswärmepumpen haben eine Reihe von Vorteilen, wie z. B. die Möglichkeit, mit verschiedenen Wärmequellen, einschließlich erneuerbarer Energiequellen, zu arbeiten. Sie können auch bei niedrigen Temperaturen effizienter sein als herkömmliche Kompressionswärmepumpen. Allerdings sind Absorptionswärmepumpen in der Regel größer und teurer als herkömmliche Systeme, was ihren Einsatz auf bestimmte Anwendungsbereiche beschränken kann.

Was ist der Unterschied zwischen einer Absorptionswärmepumpe und einer Kompressionswärmepumpe?

Eine Absorptionswärmepumpe und eine Kompressionswärmepumpe sind zwei verschiedene Arten von Wärmepumpen, die beide zur Übertragung von Wärmeenergie eingesetzt werden. Der Hauptunterschied zwischen beiden besteht in den Mechanismen und physikalischen Prozessen, die verwendet werden, um Wärme von einem kälteren zu einem wärmeren Ort zu transportieren.

Die Kompressionswärmepumpe ist der am häufigsten verwendete Wärmepumpentyp. Sie arbeitet nach dem physikalischen Prinzip der Kompression und Expansion eines Kältemittels. Die Kompressionswärmepumpe besteht aus einem Verdichter, einem Kondensator, einem Expansionsventil und einem Verdampfer. Im Verdampfer wird das Kältemittel verdampft, indem es Wärme aus dem zu kühlenden Raum aufnimmt. Der Verdichter saugt das gasförmige Kältemittel an und verdichtet es, wodurch sich seine Temperatur und sein Druck erhöhen. Das erhitzte und komprimierte Kältemittel strömt dann in den Kondensator, wo es Wärme an die Umgebung abgibt und kondensiert. Das kondensierte Kältemittel wird durch das Expansionsventil geleitet, wodurch sich sein Druck verringert und es wieder in den Verdampfer gelangt, um den Zyklus erneut zu durchlaufen.

Im Gegensatz dazu nutzt die Absorptionswärmepumpe den physikalischen Prozess der Absorption zur Wärmeübertragung. Anstelle eines Verdichters verwendet sie einen Absorber und einen Desorber. Der Absorber enthält ein Lösungsmittel, das in der Lage ist, ein Kältemittel aufzunehmen. Das Kältemittel wird dem Absorber in gasförmiger Form zugeführt und vom Lösungsmittel absorbiert, wodurch eine Lösung entsteht. Die Lösung wird dann in den Desorber gepumpt und erwärmt. Durch die Erwärmung trennt sich das Kältemittel von der Lösung und liegt wieder in gasförmiger Form vor. Das gasförmige Kältemittel wird dann kondensiert und durch Expansion abgekühlt, um Wärme aus dem zu kühlenden Bereich aufzunehmen. Der Zyklus beginnt von neuem, wenn das Kältemittel wieder vom Lösungsmittel im Absorber absorbiert wird.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der wesentliche Unterschied zwischen den beiden Systemen darin besteht, dass die Kompressionswärmepumpe mechanisch arbeitet, indem sie das Kältemittel komprimiert und wieder entspannt, um den Temperatur- und Druckunterschied für die Wärmeübertragung zu erzeugen. Die Absorptionswärmepumpe hingegen nutzt die chemische Absorption, um das Kältemittel in einem Lösungsmittel zu lösen und wieder freizusetzen. Dieser Unterschied führt zu unterschiedlichen Eigenschaften und Anwendungen. Kompressionswärmepumpen sind in der Regel bei höheren Temperaturen effizienter, während Absorptionswärmepumpen bei niedrigeren Temperaturen effizienter sein können. Absorptionswärmepumpen haben außerdem den Vorteil, dass sie mit verschiedenen Wärmequellen betrieben werden können, einschließlich erneuerbarer Energiequellen wie Solarwärme oder Abwärme.

Welche Vorteile hat eine Absorptionswärmepumpe?

Nachfolgend sind einige der wichtigsten Vorteile von Absorptionswärmepumpen im Detail aufgeführt:

Nutzung unterschiedlicher Wärmequellen: Eine der herausragenden Eigenschaften von Absorptionswärmepumpen ist ihre Flexibilität bei der Wahl der Wärmequelle. Sie können mit verschiedenen Wärmequellen betrieben werden, einschließlich erneuerbarer Energien wie Solarwärme, Abwärme aus industriellen Prozessen oder Verbrennungsabgasen. Dadurch sind Absorptionswärmepumpen vielseitig einsetzbar und können ein breites Anwendungsspektrum abdecken.

Effizienz bei niedrigen Temperaturen: Absorptionswärmepumpen können bei niedrigen Temperaturen effizienter arbeiten als konventionelle Kompressionswärmepumpen. Dies ist besonders bei Anwendungen, wie z. B. bei der Gebäudeklimatisierung oder der Prozesskühlung von Bedeutung. Bei geringen Temperaturdifferenzen zwischen Wärmequelle und Wärmesenke können Absorptionswärmepumpen einen höheren Wirkungsgrad aufweisen.

Umweltfreundlichkeit: Im Vergleich zu herkömmlichen Kompressionswärmepumpen, haben Absorptionswärmepumpen ein geringeres Umweltauswirkungspotenzial. Da sie keine mechanische Kompression verwenden, reduzieren sie den Bedarf an elektrischer Energie und können somit den CO2-Ausstoß verringern. Darüber hinaus können Absorptionswärmepumpen mit umweltfreundlichen Kältemitteln betrieben werden, die die Ozonschicht nicht schädigen und nur geringe Treibhausgasemissionen verursachen.

Geräuscharmer Betrieb: Absorptionswärmepumpen sind oft geräuscharm, da sie keinen Kompressor verwenden, der normalerweise die Hauptlärmquelle bei Kompressionswärmepumpen darstellt. Dies macht sie ideal für Anwendungen, bei denen ein geräuscharmer Betrieb erforderlich ist, z. B. in Wohngebäuden oder Büros.

Langfristige Betriebskosten: Obwohl die Anschaffungskosten für Absorptionswärmepumpen in der Regel höher sind als für Kompressionswärmepumpen, können sie langfristig zu Kosteneinsparungen führen. Da sie weniger elektrische Energie benötigen, um Wärme zu übertragen, können die Betriebskosten im Vergleich zu herkömmlichen Systemen gesenkt werden, insbesondere wenn kostengünstige oder kostenlose Wärmequellen wie Abwärme genutzt werden.

Diese Vorteile machen Absorptionswärmepumpen zu einer attraktiven Option für spezifische Anwendungen, bei denen niedrigere Temperaturen, Flexibilität bei der Wärmequelle und Energieeffizienz eine wichtige Rolle spielen. Es ist jedoch zu beachten, dass Absorptionswärmepumpen aufgrund der komplexeren Technologie und der höheren Anschaffungskosten nicht immer die beste Wahl für alle Anwendungen sind, insbesondere wenn höhere Temperaturen und eine größere Kühlleistung erforderlich sind.

Wie effizient sind Absorptionswärmepumpen im Vergleich zu anderen Arten von Wärmepumpen?

Die Effizienz von Absorptionswärmepumpen im Vergleich zu anderen Wärmepumpentypen wie Kompressionswärmepumpen hängt von verschiedenen Faktoren ab, einschließlich der Betriebsbedingungen, der Temperaturdifferenz, der Art der Wärmequelle und der gewünschten Heiz- oder Kühlleistung. Im Allgemeinen können Absorptionswärmepumpen bei niedrigeren Temperaturen effizienter arbeiten als Kompressionswärmepumpen.

Bei geringen Temperaturdifferenzen zwischen Wärmequelle und Wärmesenke können Absorptionswärmepumpen aufgrund ihres Funktionsprinzips der chemischen Absorption und Desorption einen höheren Wirkungsgrad aufweisen. Dies liegt daran, dass sie im Gegensatz zu Kompressionswärmepumpen weniger mechanische Energie für die Kompression und Expansion des Kältemittels benötigen. Dadurch können Absorptionswärmepumpen die Wärmeenergie effizienter übertragen.

Ein weiterer Faktor, der die Effizienz von Absorptionswärmepumpen beeinflusst, ist die Art der Wärmequelle. Absorptionswärmepumpen können mit verschiedenen Wärmequellen betrieben werden, einschließlich erneuerbarer Energien wie Solarwärme oder Abwärme. Die Verwendung einer kostengünstigen oder kostenlosen Wärmequelle kann die Gesamteffizienz des Systems erhöhen.

Es ist wichtig zu beachten, dass die Effizienz von Absorptionswärmepumpen stark von der spezifischen Auslegung des Systems und den Betriebsbedingungen abhängt. Um eine hohe Effizienz zu gewährleisten, ist eine sorgfältige Auslegung und Dimensionierung erforderlich, um unter den gegebenen Bedingungen die besten Ergebnisse zu erzielen. Andere Faktoren wie Wärmeübertragung, Wärmedämmung und Regelalgorithmus können die Effizienz ebenfalls beeinflussen.

Welche Wärmequellen kann eine Absorptionswärmepumpe nutzen?

Eine Absorptionswärmepumpe kann verschiedene Wärmequellen nutzen, um thermische Energie zu gewinnen. Einige der am häufigsten verwendeten Wärmequellen sind:

Solarwärme: Solarkollektoren, die Sonnenstrahlung absorbieren und in Wärme umwandeln, können als primäre Wärmequelle dienen. Die Sonnenwärme wird dann genutzt, um das Lösungsmittel im Absorber zu erwärmen und den Absorptionsprozess zu ermöglichen.

Abwärme: Auch Abwärme aus verschiedenen Quellen wie industriellen Prozessen, Kraftwerken oder Abgasen können als kostenlose oder kostengünstige Wärmequelle genutzt werden, um die Lösung im Absorber zu erwärmen und den Desorptionsprozess zu ermöglichen. Durch die Nutzung von Abwärme können Absorptionswärmepumpen gleichzeitig zur Wärmerückgewinnung und zur Senkung des Energieverbrauchs beitragen.

Geothermische Energie: Erdwärme aus dem Erdinneren kann als Wärmequelle für Absorptionswärmepumpen genutzt werden. Durch die Nutzung von Erdwärme kann eine konstante und relativ hohe Wärmequelle für den Betrieb der Wärmepumpe bereitgestellt werden.

Biomasse: Absorptionswärmepumpen können auch mit Biomasse als Wärmequelle betrieben werden. Unter Biomasse versteht man organische Stoffe wie Holzpellets, Holzhackschnitzel oder landwirtschaftliche Abfälle, die bei der Verbrennung Wärme erzeugen.

Abgase: Abgase, die bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Erdgas, Heizöl oder Flüssiggas entstehen, können als Wärmequelle für Absorptionswärmepumpen dienen. Die Wärme der Abgase wird genutzt, um das Lösungsmittel im Absorber zu erhitzen und den Absorptionsprozess zu ermöglichen.

Es ist wichtig zu beachten, dass die Wahl der Wärmequelle von verschiedenen Faktoren wie Verfügbarkeit, Kosten und den spezifischen Anforderungen der Anwendung abhängt. Effizienz und Leistung der Absorptionswärmepumpe hängen auch von der Art und Qualität der verwendeten Wärmequelle ab. Daher ist eine sorgfältige Planung und Auslegung erforderlich, um die beste Kombination aus Wärmequelle und Absorptionswärmepumpensystem für die jeweilige Anwendung zu erhalten.

Welche Anforderungen sind an die Installation und Wartung einer Absorptionswärmepumpe zu stellen?

Die Installation und Wartung einer Absorptionswärmepumpe erfordert einige spezifische Anforderungen, um sicherzustellen, dass das System effizient arbeitet und eine lange Lebensdauer hat. Nachfolgend sind einige der wichtigsten Aspekte aufgeführt:

Standortwahl: Der Standort der Absorptionswärmepumpe ist wichtig für eine optimale Leistung. Der Raum sollte gut belüftet sein, um eine ausreichende Luftzirkulation und eine effiziente Abfuhr der Abwärme zu gewährleisten. Der Zugang zur Wärmequelle und zur Wärmesenke sollte ebenfalls berücksichtigt werden. Eine sorgfältige Planung des Standortes und ggf. die Beratung durch einen Fachmann werden empfohlen.

Dimensionierung: Die Absorptionswärmepumpe sollte entsprechend den spezifischen Anforderungen der Anwendung dimensioniert werden. Dies beinhaltet die Berücksichtigung der erforderlichen Heiz- oder Kühlleistung, der Temperaturdifferenz, der Wärmequelle und der Wärmesenke.

Installation: Die Installation der Absorptionswärmepumpe erfordert Fachkenntnisse und sollte von geschultem Personal oder einem erfahrenen Installateur durchgeführt werden. Es ist wichtig, alle Komponenten gemäß den Herstelleranweisungen zu installieren und sicherzustellen, dass alle Verbindungen dicht sind. Außerdem sollte das System ordnungsgemäß an die Wärmequellen und Wärmesenken angeschlossen werden.

Wartung: Eine regelmäßige Wartung ist wichtig, um die optimale Leistung und Effizienz der Absorptionswärmepumpe zu erhalten. Dazu gehört die Überprüfung und Reinigung von Wärmetauschern, Filtern und Ventilen, um eine einwandfreie Funktion zu gewährleisten. Außerdem sollten die Betriebsparameter überwacht und bei Bedarf angepasst werden. Es wird empfohlen, die Wartungsvorschriften des Herstellers einzuhalten und für die regelmäßige Wartung einen Fachmann zu konsultieren.

Schulung und Dokumentation: Das Betriebspersonal sollte über ausreichende Schulung und Kenntnisse verfügen, um das System ordnungsgemäß bedienen und warten zu können. Darüber hinaus ist es wichtig, die Installation, Inbetriebnahme und Wartung der Absorptionswärmepumpe genau zu dokumentieren. Dies erleichtert zukünftige Inspektionen, Wartungsarbeiten und Fehlersuche.

Die Einhaltung dieser Anforderungen für die Installation und Wartung einer Absorptionswärmepumpe trägt dazu bei, die Effizienz des Systems zu maximieren, seine Lebensdauer zu verlängern und mögliche Störungen zu minimieren. Es wird empfohlen, die spezifischen Richtlinien und Empfehlungen des Herstellers zu befolgen und bei Bedarf Fachleute oder Installateure hinzuzuziehen.

Gibt es Nachteile oder Einschränkungen beim Einsatz von Absorptionswärmepumpen?

Ja, es gibt einige Nachteile und Einschränkungen beim Einsatz von Absorptionswärmepumpen, die berücksichtigt werden müssen. Hier sind einige wichtige Aspekte:

Größe und Komplexität: Absorptionswärmepumpen sind in der Regel größer und komplexer als Kompressionswärmepumpen. Dies bedeutet, dass sie mehr Platz für die Installation benötigen und möglicherweise zusätzliche technische Einrichtungen wie einen separaten Raum für den Desorber und möglicherweise Pumpen oder Ventile für das Lösungsmittel erfordern. Die größere Größe und Komplexität kann die Installationskosten und den Installationsaufwand erhöhen.

Höhere Anschaffungskosten: Im Vergleich zu Kompressionswärmepumpen sind Absorptionswärmepumpen in der Regel teurer in der Anschaffung. Die zusätzlichen Komponenten, die für den Absorptionsprozess erforderlich sind, wie Absorber und Desorber, sowie der mögliche Bedarf an speziellen Materialien erhöhen die Kosten des Systems. Dies kann den wirtschaftlichen Nutzen und die Rentabilität des Projekts beeinflussen, insbesondere bei kleineren Anwendungen oder wenn die spezifischen Anforderungen der Absorptionswärmepumpe nicht gerechtfertigt sind.

Begrenzte Leistung bei hohen Temperaturen: Absorptionswärmepumpen haben typischerweise eine begrenzte Leistung bei hohen Temperaturen. Sie sind in der Regel effizienter bei niedrigeren Temperaturdifferenzen zwischen Wärmequelle und Wärmesenke. Bei Anwendungen, die hohe Temperaturen erfordern, wie z.B. Prozesswärme oder Warmwasserbereitung, kann eine Absorptionswärmepumpe die erforderliche Leistung möglicherweise nicht erbringen.

Begrenzte Kühlleistung: Die Art von Wärmepumpen ist zwar effizient bei der Bereitstellung von Heizleistung, hat aber im Vergleich zu Kompressionskältemaschinen in der Regel eine begrenzte Kühlleistung. Dies kann ihren Einsatz in Anwendungen wie Klimatisierung oder Kühlung, die eine hohe Kälteleistung erfordern, einschränken.

Aufwändigere Wartung: Aufgrund ihrer komplexeren Bauweise und der Verwendung von Lösungsmitteln erfordern Absorptionswärmepumpen häufig eine spezielle Wartung und regelmäßige Inspektionen, um eine optimale Leistung zu gewährleisten. Die Wartung kann komplexer sein und spezielle Fachkenntnisse erfordern. Es ist wichtig, dass geschultes Personal mit den spezifischen Anforderungen der Absorptionswärmepumpe vertraut ist und die entsprechenden Wartungsarbeiten durchführt.

Diese Nachteile und Einschränkungen bedeuten nicht, dass Absorptionswärmepumpen in allen Situationen ungeeignet sind. Sie sollten jedoch bei der Entscheidung für den Einsatz einer Absorptionswärmepumpe sorgfältig abgewogen und mit den spezifischen Anforderungen und Bedingungen der Anwendung verglichen werden. Es kann auch ratsam sein, einen Fachmann oder Experten zu konsultieren, um die bestmögliche Wärmepumpenlösung zu finden.

Fazit

Bei dem Betrieb einer Wärmepumpe stellt die Absorption einen wichtigen Aspekt dar. Unter dem Begriff versteht man die Aufnahme von Wärmeenergie aus der Umgebung durch das Kältemittel der Wärmepumpe. Dieser Vorgang spielt vor allem bei der sogenannten Absorptionswärmepumpe eine große Rolle. Sie besteht aus einem Absorber und einem Desorber. Die Vorteile einer Absorptionswärmepumpe liegen unter anderem in der Flexibilität bei der Wahl der Wärmequelle, zu der bspw. Solarwärme, Abwärme, Erdwärme, Biomasse und Abgase zählen. Absorptionswärmepumpen können besonders bei niedrigen Temperaturen effizient arbeiten und zeichnen sich durch einen geräuscharmen Betrieb aus. Auf lange Sicht können Absorptionswärmepumpen zu Kosteneinsparungen führen, obwohl ihre Anschaffungskosten höher sind als bei konventionellen Systemen. Bei der Installation und Wartung einer Absorptionswärmepumpe sind bestimmte Anforderungen zu beachten. Dazu gehören eine sorgfältige Standortwahl, eine genaue Dimensionierung, eine fachgerechte Installation, eine regelmäßige Wartung und die Schulung des Betriebspersonals. Es gibt auch einige Nachteile und Einschränkungen beim Einsatz von Absorptionswärmepumpen, wie z.B. ihre Größe und Komplexität, höhere Anschaffungskosten und begrenzte Leistung bei hohen Temperaturen. Diese Aspekte sollten bei der Entscheidung für den Einsatz einer Absorptionswärmepumpe berücksichtigt werden.