Wärmepumpe und Kältemaschine

Die Wärmepumpe

Unter einer Wärmepumpe versteht man eine in umgekehrter Reihenfolge betriebene Wärmekraftmaschine. Dabei wird Wärme entgegen der natürlichen Richtung eines Wärmestroms von einem kälteren Körper auf einen wärmeren übertragen. Der Kreisprozess läuft in entgegengesetzte Richtung zur Wärmekraftmaschine, also links herum, ab. Man spricht daher auch von einem linksdrehenden Kreisprozess:

Bei einer Wärmepumpe findet ein Kreisprozess mit folgenden vier Zustandsänderungen statt:

1. Ein Arbeitsmedium mit der Temperatur T₁ expandiert durch Wärmeaufnahme aus der Umgebung isotherm.

2. Das Arbeitsmedium wird annähernd adiabatisch komprimiert und erwärmt sich dabei auf die Temperatur T₂.

3. Das Arbeitsmedium gibt Wärme ab und wird weiter isotherm komprimiert.

4. Das Arbeitsmedium expandiert schlagartig und damit nahezu adiabatisch. Dabei kühlt es sich auf die Ausgangstemperatur T₁ ab.

Die hier beschriebenen Zustandsänderungen entsprechen denen des Carnot’schen Kreisprozesses in umgekehrter Richtung.

Die Effizienz einer Wärmepumpe wird charakterisiert mit der Leistungszahl (auch “Arbeitszahl” genannt) $\varepsilon$ :

$\varepsilon=\dfrac {Q_{1}}{W}$

Dabei ist $Q_{1}$ die abgegebene Wärme und $W$ die zum Betrieb der Wärmepumpe zugeführte mechanische Arbeit (durch einen Elektro- oder Verbrennungsmotor).

Gemäß dem Ersten Hauptsatz der Thermodynamik wird dem zu beheizenden Innenraum mit der Temperatur $T_{1}$ insgesamt die Wärmeenergie $Q_{1}=Q_{2}+W$ zugeführt.

Die Leistungszahl $\varepsilon$ ist also immer größer als 1.

Die ideale Leistungszahl lässt sich analog zum idealen Wirkungsgrad bei der Wärmekraftmaschine berechnen. Auch sie hängt nur von der Temperaturdifferenz zwischen $T_{1}$ und $T_{2}$ ab:

Ideale Leistungszahl $\varepsilon=\dfrac {T_{1}}{T_{1}-T_{2}}$

Die Leistungszahl realer Wärmepumpen ist stets kleiner als die ideale Leistungszahl.

Bei realen Wärmepumpen werden meist Arbeitsstoffe eingesetzt, die beim Verdichten kondensieren und beim Entspannen verdampfen. Dadurch lässt sich die Verdampfungswärme bzw. Kondensationswärme nutzen, so dass der Arbeitsstoff besonders viel Wärme aufnehmen bzw. abgeben kann.

Die Kreisprozesse in realen Wärmepumpen unterscheiden sich deshalb deutlich vom idealen Carnot-Prozess.

Die folgende Abbildung zeigt den Energiefluss bei einer Wärmepumpe:

Energiefluss bei einer Wärmepumpe

Einsatz von Wärmepumpen

Wärmepumpen können dazu genutzt werden, Gebäude zu beheizen. Sie nehmen aus der (kalten) Umgebung (Erdreich, Grundwasser oder Außenluft) Wärme auf und geben diese über das Heizwasser an den Innenraum ab. Die dazu notwendige mechanische Energie wird in der Regel aus elektrischer Energie (Elektromotor) gewonnen.

Da elektrische Energie in der Regel aus der Umwandlung von Wärme in mechanische Energie und schließlich in elektrische Energie stammt, die stets mit hohen Verlusten verbunden ist (vgl. zweiter Hauptsatz und thermischer Wirkungsgrad), ist der Betrieb nur dann wirtschaftlich, wenn die Leistungszahl deutlich über 3 liegt.

Kältemaschinen

Eine Kältemaschine arbeitet prinzipiell genau wie eine Wärmepumpe. Während eine Wärmepumpe jedoch dafür eingesetzt wird, einen Raum durch Aufnahme von Wärme aus einem kälteren Bereich (Umgebung) zu erwärmen, nimmt eine Kältemaschine Wärme aus einem zu kühlenden Raum auf und gibt sie nach außen ab.

Beim Kühlschrank wird die dem Innenraum entzogene Wärme über den Kompressor auf der Rückseite des Kühlschranks an den Raum abgegeben.

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