Artikel erstellt am 26.05.2023
von Boris Stippe | ca: 11 Min. zu lesen

Wärmetransport

Wie wird Wärmeenergie in der Wärmepumpe übertragen?

Der Begriff „Wärmetransport“ bezieht sich auf den Prozess der Übertragung von Wärmeenergie von einem Ort zu einem anderen, typischerweise von einem kälteren in einen wärmeren Bereich. Bei Wärmepumpen besteht der Wärmetransport in der Entnahme von Wärmeenergie aus einer Quelle, z. B. der Umgebungsluft oder dem Erdreich, und deren Abgabe an ein Heizsystem zur Erzeugung von Raumwärme.

Wärmepumpe
Wärmepumpe (Bildquelle: Hermann – stock.adobe.com)

Der Wärmetransport im Zusammenhang mit der Installation und dem Betrieb einer Wärmepumpe bezieht sich auf den grundlegenden Prozess der Übertragung von Wärmeenergie von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke. Eine Wärmepumpe nutzt den Wärmetransport, um Wärmeenergie von einer Quelle mit niedrigerer Temperatur zu einer Quelle mit höherer Temperatur für Heiz- oder Kühlzwecke zu übertragen.

Der Wärmetransport in einer Wärmepumpe erfolgt durch einen Kältemittelkreislauf. Das in der Anlage zirkulierende Kältemittel nimmt die Wärmeenergie aus der Wärmequelle auf, die aus der Luft, dem Erdreich oder dem Grundwasser stammen kann. Durch Kompression erhöht die Wärmepumpe den Druck und die Temperatur des Kältemittels, wodurch die Wärmeenergie für die Wärmeabgabe an das Heizsystem nutzbar wird. Das Kältemittel gibt dann die Wärmeenergie an den Wärmetauscher oder Heizkreislauf ab, der sie an das zu beheizende Gebäude weiterleitet.

Der Wärmetransport in einer Wärmepumpe ermöglicht eine hocheffiziente Wärmeerzeugung, da die Umgebungswärme genutzt und nicht direkt erzeugt wird. Durch den gezielten Einsatz des Wärmetransports kann eine Wärmepumpe das Verhältnis zwischen zugeführter Energie und erzeugter Heiz- oder Kühlleistung verbessern, was zu einer erheblichen Energieeinsparung führt.

Wie funktioniert der Wärmetransport in einer Wärmepumpe?

Der Wärmetransport in einer Wärmepumpe beruht auf dem Prinzip der Wärmeübertragung durch ein Kältemittel. Eine Wärmepumpe nutzt dieses Medium, um Wärmeenergie von einer Quelle mit niedrigerer Temperatur aufzunehmen und auf eine höhere Temperatur zu bringen, um ein Gebäude zu heizen oder zu kühlen.

Der Wärmetransportprozess in einer Wärmepumpe findet in einem geschlossenen Kältemittelkreislauf statt. Das Kältemittel, das als Medium für den Wärmetransport dient, ist ein Stoff mit speziellen thermodynamischen Eigenschaften. In einem geschlossenen Kreislauf durchströmt das Kältemittel verschiedene Komponenten der Wärmepumpe, um den Wärmetransport zu ermöglichen.

Der Prozess beginnt in einem Verdampfer, der sich in der Wärmequelle befindet, z. B. in einem Erdkollektor oder einem Verdampfer im Außengerät. Hier nimmt das Kältemittel die Wärmeenergie aus der Umgebung auf und verdampft bei niedriger Temperatur. Durch die Aufnahme der Wärmeenergie geht das Kältemittel von einem flüssigen in einen gasförmigen Zustand über.

Das gasförmige Kältemittel wird dann von einem Kompressor angesaugt und verdichtet. Durch die Verdichtung steigt sowohl der Druck als auch die Temperatur des Kältemittels stark an. Für diese Verdichtung wird Energie benötigt, die in der Regel von einem elektrisch betriebenen Kompressor geliefert wird.

Das hochverdichtete und erwärmte Kältemittel strömt nun in einen Kondensator, der sich im Gebäude oder in der Außeneinheit befindet. Im Verflüssiger gibt das Kältemittel die Wärmeenergie an das Heizsystem des Gebäudes ab, indem es Wärme an die Umgebungsluft, das Heizwasser oder den Heizkreislauf abgibt. Dabei kühlt das Kältemittel ab und kondensiert im flüssigen Zustand.

Das kondensierte Kältemittel fließt dann durch ein Expansionsventil oder eine Drosselvorrichtung, wo der Druck und die Temperatur des Kältemittels gesenkt werden. Durch diese Entspannung des Kältemittels wird es im Verdampfer wieder auf den ursprünglichen niedrigen Druck und die ursprüngliche niedrige Temperatur gebracht, um den Kreislauf von neuem zu beginnen.

Dieser kontinuierliche Kreislauf ermöglicht den Wärmetransport in einer Wärmepumpe. Indem das Kältemittel Wärmeenergie von einer Quelle mit niedrigerer Temperatur aufnimmt, sie verdichtet und an eine Wärmesenke mit höherer Temperatur abgibt, kann eine Wärmepumpe Wärmeenergie effizient übertragen und für Heizzwecke nutzen. Der Wärmetransportprozess in einer Wärmepumpe ermöglicht somit eine nachhaltige und energieeffiziente Raumheizung oder -kühlung.

Welche Quellen können als Wärmequelle für eine Wärmepumpe genutzt werden?

Eine Wärmepumpe kann verschiedene Wärmequellen nutzen, um thermische Energie zu entziehen. Die Wahl der geeigneten Wärmequelle hängt von verschiedenen Faktoren wie Standort, Verfügbarkeit, Umweltauswirkungen und Kosten ab. Nachfolgend sind einige häufig genutzte Wärmequellen für Wärmepumpen aufgeführt:

  • Umgebungsluft: Die Umgebungsluft ist eine der am leichtesten zugänglichen und am weitesten verbreiteten Wärmequellen für Wärmepumpen. Die Luftwärmepumpe entzieht der Umgebungsluft Wärmeenergie und nutzt diese zum Heizen oder Kühlen. Diese Art der Wärmequelle erfordert keinen besonderen Installationsaufwand, ist jedoch von Temperaturschwankungen und der Qualität der Umgebungsluft abhängig.
  • Erdreich: Erdwärmepumpen nutzen die im Erdreich gespeicherte Energie. Dazu werden Erdkollektoren oder Erdwärmesonden verwendet, um die Wärmeenergie aus dem Erdreich zu gewinnen. Erdkollektoren bestehen aus Rohren, die in flachen Gräben oder horizontalen Schleifen verlegt werden, während Erdwärmesonden tiefer in den Boden gebohrt werden. Die Erdwärme ist relativ konstant und weniger von äußeren Umwelteinflüssen abhängig.
  • Grundwasser: Bei ausreichendem Zugang zu einer Wasserquelle kann Grundwasser als Wärmequelle für eine Wärmepumpe genutzt werden. Dazu wird Wasser aus einem Brunnen entnommen und durch den Wärmetauscher der Wärmepumpe geleitet. Das Wasser gibt seine Wärmeenergie an das Kältemittel ab und wird anschließend über einen weiteren Brunnen oder eine Drainageleitung abgeleitet. Grundwasser als Wärmequelle bietet eine hohe Effizienz und konstante Temperaturen, erfordert aber eine entsprechende hydrogeologische Untersuchung und gegebenenfalls eine Genehmigung.
  • Abwärme: In einigen Fällen können Wärmepumpen Abwärme als Wärmequelle nutzen. Dabei kann es sich um Abwärme aus industriellen Prozessen, Abwärme aus Kühlsystemen oder auch Wärme aus Abwasserkanälen handeln. Durch die Nutzung dieser Abwärmequellen kann die Wärmepumpe die Energieeffizienz weiter verbessern und gleichzeitig Abwärme wiederverwenden, die sonst ungenutzt verloren gehen würde.

Wie effizient ist die Wärmeübertragung einer Wärmepumpe?

Die Effizienz der Wärmeübertragung einer Wärmepumpe wird durch die Leistungszahl (COP – Coefficient of Performance) ausgedrückt. Der COP gibt das Verhältnis zwischen der abgegebenen Wärmeenergie und der zugeführten elektrischen oder sonstigen Antriebsenergie an. Je höher der COP-Wert, desto effizienter ist die Wärmeübertragung.

Die Effizienz einer Wärmepumpe hängt von mehreren Faktoren ab, u.a:

  • Temperaturdifferenz: Je größer die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke ist, desto niedriger ist die Leistungszahl. Daher ist es effizienter, eine Wärmepumpe bei niedrigen Temperaturdifferenzen zu betreiben.
  • Wärmequellentemperatur: Die Effizienz der Wärmeübertragung einer Wärmepumpe steigt mit der Temperatur der Wärmequelle. Eine höhere Wärmequellentemperatur ermöglicht eine effizientere Wärmeübertragung und verbessert den COP-Wert der Wärmepumpe.
  • Systemauslegung und Komponenten: Ein gut konzipiertes System mit qualitativ hochwertigen Komponenten kann die Effizienz der Wärmeübertragung verbessern. Effiziente Kompressoren, Wärmetauscher und Expansionsventile können den Wärmetransport optimieren und die Leistung der Wärmepumpe maximieren.
  • Wärmedämmung: Eine gute Wärmedämmung des Gebäudes oder des Wärmeverteilsystems ist wichtig, um Wärmeverluste zu minimieren. Eine effektive Wärmedämmung reduziert den Wärmebedarf und ermöglicht es der Wärmepumpe, effizienter zu arbeiten.

Es ist wichtig zu beachten, dass die Leistungszahl einer Wärmepumpe nicht konstant ist, sondern von den oben genannten Faktoren sowie von äußeren Bedingungen wie der Außentemperatur abhängt. In der Regel erreichen moderne Wärmepumpen COP-Werte von 3 bis 5, d.h. sie geben 3 bis 5 mal mehr Wärmeenergie ab, als sie an elektrischer Energie aufnehmen.

Welche Faktoren beeinflussen den Wärmetransport und die Leistung einer Wärmepumpe?

Der Wärmetransport und die Leistung einer Wärmepumpe werden von verschiedenen Faktoren beeinflusst. Nachfolgend sind einige der wichtigsten Einflussfaktoren aufgeführt:

  • Temperaturdifferenz: Die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke ist ein entscheidender Faktor für den Wärmetransport und die Leistung einer Wärmepumpe. Je größer die Temperaturdifferenz ist, desto mehr Energie muss aufgewendet werden, um die gewünschte Wärme zu übertragen. Eine geringere Temperaturdifferenz führt zu einer effizienteren Leistung der Wärmepumpe.
  • Temperatur der Wärmequelle: Die Temperatur der Wärmequelle beeinflusst ebenfalls den Wärmetransport und die Leistung der Wärmepumpe. Eine höhere Wärmequellentemperatur ermöglicht eine effizientere Wärmeübertragung, da weniger Energie benötigt wird, um die Temperatur auf das gewünschte Niveau anzuheben. Eine niedrigere Wärmequellentemperatur kann zu einem geringeren Wirkungsgrad führen.
  • Systemauslegung und Komponenten: Ein gut konzipiertes System mit effizienten Komponenten wie Kompressoren, Wärmetauschern und Expansionsventilen kann den Wärmetransport optimieren und die Leistung verbessern. Im Gegensatz dazu können minderwertige oder ineffiziente Komponenten zu einem geringeren Wärmetransport und einer geringeren Leistung führen.
  • Betriebsbedingungen: Die Betriebsbedingungen, einschließlich der Außentemperatur und des Heiz- oder Kühlbedarfs, beeinflussen den Wärmetransport und die Leistung einer Wärmepumpe. Niedrige Außentemperaturen können die Leistung einer Luftwärmepumpe beeinträchtigen, während Erd- oder Grundwasserwärmepumpen bei konstanteren Temperaturen effizienter arbeiten können. Der Heiz- bzw. Kühlbedarf des Gebäudes wirkt sich ebenfalls auf den Wärmetransport aus, da bei höherem bzw. niedrigerem Bedarf mehr bzw. weniger Energie benötigt wird.
  • Wartung und Instandhaltung: Eine regelmäßige Wartung und Instandhaltung der Wärmepumpe ist entscheidend für einen effizienten Wärmetransport und eine optimale Leistung. Die regelmäßige Reinigung der Komponenten, die Kontrolle des Kältemittels und des Drucks sowie der ordnungsgemäße Betrieb sind wichtig, um den Wärmetransport nicht zu beeinträchtigen.

Gibt es besondere Anforderungen oder Voraussetzungen für den Wärmetransport bei der Installation einer Wärmepumpe?

Ja, es gibt spezielle Anforderungen und Voraussetzungen, die bei der Installation einer Wärmepumpe beachtet werden müssen, um einen effizienten Wärmetransport zu gewährleisten. Hier einige wichtige Aspekte:

  • Auswahl der Wärmequelle: Je nach Art der Wärmepumpe und den örtlichen Gegebenheiten muss eine geeignete Wärmequelle ausgewählt werden. Dies kann die Verfügbarkeit des Bodens für Erdkollektoren oder Erdwärmesonden, die Prüfung der Grundwasserqualität für eine Grundwasserwärmepumpe oder die Prüfung der Zugänglichkeit und Luftqualität für eine Luftwärmepumpe beinhalten. Die Wahl der richtigen Wärmequelle wirkt sich direkt auf den Wärmetransport und die Leistung der Wärmepumpe aus.
  • Größe und Leistung: Die richtige Dimensionierung der Wärmepumpe ist für einen effizienten Wärmetransport von entscheidender Bedeutung. Die Leistung der Wärmepumpe sollte auf den Heiz- oder Kühlbedarf des Gebäudes abgestimmt sein. Eine über- oder unterdimensionierte Wärmepumpe kann zu einem ineffizienten Betrieb führen und den Wärmetransport beeinträchtigen.
  • Hydraulisches System: Das hydraulische System, das den Wärmetransport innerhalb des Gebäudes ermöglicht, sollte sorgfältig geplant und installiert werden. Dazu gehört die Verlegung der Rohre, die den Wärmeaustausch zwischen der Wärmepumpe und dem Heiz- oder Kühlkreislauf ermöglichen. Die Wahl der richtigen Rohrdimensionen, die Minimierung von Wärmeübertragungsverlusten und die Vermeidung von Engpässen oder Strömungsproblemen sind wichtige Aspekte, die berücksichtigt werden müssen.
  • Dämmung und Abdichtung: Eine gute Dämmung der Rohre und des hydraulischen Systems ist entscheidend, um Wärmeübertragungsverluste zu minimieren und den Wärmetransport effizienter zu gestalten. Die Rohre sollten mit hochwertigem Dämmmaterial isoliert werden, um Wärmeverluste zu vermeiden. Außerdem ist es wichtig, das hydraulische System gut abzudichten, um Leckagen zu vermeiden, die den Wärmetransport und die Leistung der Wärmepumpe beeinträchtigen könnten.
  • Regelung und Steuerung: Eine präzise Regelung und Steuerung des Wärmetransports ist wichtig, um die Effizienz der Wärmepumpe zu maximieren. Eine intelligente Regelung ermöglicht die Optimierung des Wärmetransports entsprechend den aktuellen Bedingungen und Anforderungen. Eine gute Regelung berücksichtigt die Außentemperatur, die Innentemperatur, die Temperatur der Wärmequelle und andere relevante Faktoren, um den Wärmetransport und die Leistung der Wärmepumpe zu optimieren.

Fazit

Der Begriff „Wärmetransport“ bezeichnet den Prozess der Übertragung von Wärmeenergie von einem Ort zu einem anderen. Im Zusammenhang mit Wärmepumpen bedeutet Wärmetransport die Entnahme von Wärmeenergie aus einer Quelle mit niedrigerer Temperatur, wie z. B. der Umgebungsluft oder dem Erdreich, und ihre Abgabe an ein Heizsystem zur Erzeugung von Raumwärme. Dieser Prozess wird durch einen geschlossenen Kältemittelkreislauf ermöglicht, in dem das Kältemittel Wärmeenergie aufnimmt, verdichtet, abgibt und wieder entspannt. Die Effizienz des Wärmetransports hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie der Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke, der Temperatur der Wärmequelle, der Systemauslegung und den Komponenten der Wärmepumpe, den Betriebsbedingungen und der Wartung. Die Wahl der Wärmequelle für eine Wärmepumpe kann von der Verfügbarkeit und den Umweltauswirkungen abhängen. Häufig genutzte Wärmequellen sind die Umgebungsluft, das Erdreich, das Grundwasser und sogar Abwärme.

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