Wärmepumpen in der Geothermie: Theoretische Grundlagen

'Dampf kann mechanische Arbeit erzeugen!' 'Mechanische Arbeit kann Dampf erzeugen'

Gliederung : 1.Einführung – kurzer Einblick in Thermodynamik 2.Erde – Wärmequelle für die Wärmepumpen 3.Wärmepumpen 3.1. Kältemittel 3.2. Funktion 3.2. Systematik 3.3. Vergleich verschiedene Arten Wärmepumpensysteme 4. Rolle der Wärmepumpe in der Energieversorgung

Erster Haupsatz der Thermodynamik: Aussagen: Perpetuum Mobile erster Art ist unmöglich Maschine mit Wirkungsgrad von über 100 Prozent die zu ihrem Betrieb notwendige Energie und zusätzlich Nutzenergie liefern würde Zum Beispiel: Ein Wasserrad pumpt Wasser nach oben, ein Teil des Wassers fließt wieder nach unten und treibt das Wasserrad an. Ein Akkumulator bringt eine Lampe zum Leuchten, das Licht erzeugt durch ein Fotoelement elektrischen Strom, der den Akkumulator wieder auflädt. kein System verrichtet Arbeit ohne Zufuhr einer anderen Energieform und/oder ohne Verringerung seiner inneren Energie

Zweiter Haupsatz der Thermodynamik: Aussagen: Perpetuum Mobile zweiter Art ist unmöglich Arbeit aus der Umgebungswärme gewinnen, mittels lokaler Abkühlung gewonnene Wärme vollständig in mechanische Arbeit zurück umsetzen. Die vollständige Umwandlung von Arbeit in Wärme ist irreversibel Wärme kann nicht von selbst von einem Körper niedriger Temperatur auf einen Körper höherer Temperatur übergehen Es gibt keine Wärmekraftmaschine, die bei gegebenen mittleren Temperaturen der Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr einen höheren Wirkungsgrad hat als der aus diesen Temperaturen gebildete Carnot-Wirkungsgrad

Wärmeleitung (Konduktion) Fouriersches Gesetz: q – Wärmestromdichte, W/m² Q - übertragene Wärmelesitung, W T1 - Temperatur der wärmeren Wandoberfläche , K T2 - Temperatur der kälteren Wandoberfläche , K A - Fläche, durch die die Wärme strömt , m² λ - Wärmeleitkoeffizient, W/mK δ - die Dicke der Wand, m R – thermischer Widerstand, m²K/W

Wärmeleitung (Konduktion) Baustoffe Stoff Wärmeleitfähigkeit λ [W / (m · K)] Kupfer 401 Aluminium 237 Messing 120 Zink 110 Stahl unlegiert 50 Edelstahl 15 Blei 35 Granit 2,8 Beton 2,1 Glas 1,0 Kalkzement-Putz Ziegelmauerwerk (Vollziegel) 0,5 - 1,4 Holz 0,13 - 0,18 Gummi 0,16 Poroton-Ziegelmauerwerk 0,09 - 0,45 Porenbeton-Mauerwerk 0,08 - 0,25 Schaumglas 0,040 Glaswolle 0,04 - 0,05 Polystyroldämmstoffe 0,035 - 0,050 Polyurethandämmstoffe 0,024 - 0,035 Luft 0,024 Wärmeleitung (Konduktion)

Wärmeübergang Newtonsches Gesetz: α=f(λ,ρ,μ,cp….) Q - übergebene Wärmelesitung, W Tf - mittlere Temperatur des Fluides, K Tw - mittlere Temperatur der Wand, K A - Fläche, m² α - Wärmeübergangskoeffizient, W/m²K δ - die Dicke der Wand, m α=f(λ,ρ,μ,cp….)

Wärmedurchgang = Wärmeübergang + Wärmeleitung + Wärmeübergang Q - übergebene Wärmelesitung, W Tf1 - Temperatur des warmen Fluides, K Tf2 - Temperatur des kalten Fluides, K A - Fläche, m² u - Wärmedurchgangskoeffizient, W/m²K δ - die Dicke der Wand, m λ - Wärmeleitkoeffizient, W/mK

Wärmequelle Wärmestromdichte: Mittelwert 0,063 W/m² (63 mW/m²) Physikalische Eigenschaften Äquator – Poldurchmesser* 12.756 – 12.714 km Masse 5,974 · 1024 kg Mittlere Dichte 5,515 g/cm3 Hauptbestandteile Sauerstoff: 32,44 % Eisen: 28,18 % Silicium: 17,22 % Magnesium: 15,87 % Kalzium: 1,61 % Nickel: 1,61 % Aluminium: 1,51 % Fallbeschleunigung* 9,807 m/s2 Fluchtgeschwindigkeit 11,186 km/s Rotationsperiode 23 h 56 min 4 s Neigung der Rotationsachse 23,44° Albedo 0,367 Wärmestromdichte: Mittelwert 0,063 W/m² (63 mW/m²) vorwiegend zur dezentralen Nutzung In anomalen Gebieten, vulkanisch Vielfaches größer * bezogen auf das Nullniveau des Planeten

Schalenaufbau der Erde Dreidimensionale Darstellung

Einfluss der Jahreszeiten auf die Temperatur der obersten Erdschichten

Wärmepumpen Wärmekraftmaschine – umwandelt Wärme in mechanische Energie in einem Kreisprozess Kraftwärmemaschine – liefert Wärmeenergie unter Einsatz mechanischer Energie

Kältemittel Nach DIN EN 378-1 Abs. 3.7.1 ist das Kältemittel definiert als "Fluid, das zur Wärmeübertragung in einer Kälteanlage eingesetzt wird, und das bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck Wärme aufnimmt und bei höherer Temperatur und höherem Druck Wärme abgibt, wobei üblicherweise Zustandsänderungen des Fluids erfolgen." nach DIN 8960 Abs. 3.1 als "Arbeitsmedium, das in einem Kältemaschinenprozess bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck Wärme aufnimmt und bei höherer Temperatur und höherem Druck Wärme abgibt."

Begriffsdefinition FCKW

Umweltrelevante Eigenschaften von Wärmepumpen-Arbeitsmitteln

lg p h-Diagramm für Solkane 22

Funktion

p - v Diagramm

logp - h Diagramm

Für die beide Isobaren Prozesse 2-3 und 4-1 gilt : Bei Kenntnis der Temperaturen und Absolutdrücke sind die spezifischen Wärmemengen q1 und q2 , sowie die spezifische Arbeit w unmittelbar zu entnehmen Für die beide Isobaren Prozesse 2-3 und 4-1 gilt : Wärmeleistung QWP = m.(h2-h3) Kälteleistung Q0 = m.(h1-h4) Verdichterleistung P = m.(h2-h1)

Wichtige Kennwerte von Wärmepumpe

Leistungszahl (Coefficient Of Performance - COP) -begrenzt durch den Kehrwert des Carnotwirkungsgrads -technisch realisierte Carnotwirkungsgrad ηcWP einer Wärmepumpe -praktische Carnotwirkungsgrade ηcWP um 0,45 technisch erreicht

Systematik von Wärmepumpen : • Wärmequellen – Luft – Erdreich – Wasser – Abwärme • Erdreich – Erdsonde – Flächenverdampfer – Geothermische Quellen

Erdreichwärmepumpe mit Erdreichlanzen Wärmestromdichte 50 bis 100 W/m Tiefe 30 bis 100 m

Erdreichwärmepumpe mit Flächenverdampfer

Erforderliche Erdreichfläche

Systematik von Wärmepumpen : • Wärmequelle/Wärmeträger Luft/Wasser- Wärmepumpe Luft/Luft- Wärmepumpe Wasser/Wasser-Wärmepumpe Wasser/Luft- Wärmepumpe Sole/Wasser-Wärmepumpe Sole/Luft-Wärmepumpe Bezeichnungen: Wärmequelle: · B (BIRNE): Soleleitungen in Erdboden · W (WATER): Wasser (Grundwasser) · A (AIR): Umgebungsluft als Wärmequelle Wärmeträger (im Heizungssystem) · W: Wasser (Heizungswasser) · A: Wärmeeintrag über Lüftungssystem B0/W35 Wärmequelle bis 0 °C Heizungsvorlauft 35 °C

Systematik von Wärmepumpen : • Nach Energiebedarfsdeckung – Monovalente Wärmepumpe • Geringere mittlere Leistungszahl • Größerer Aufwand für Wärmeaufnehmendes System – Bivalente Wärmepumpe • Zusatzaufwand für Spitzenheizung • Hohe Leistungszahl • großer Einsatzbereich

Monovalente Wärmepumpe

Monovalente Wärmepumpe mit Speicher

Bivalente Wärmepumpe

Bivalente Wärmepumpe

Vergleich verschiedener Wärmepumpetypen

Vergleich verschiedener Wärmepumpetypen

Jährlich neu installierte Wärmepumpenheizungen in Deutschland Jahr Installierte Wärmepumpen 2007 55.000* 2006 44.000 2005 18.900 2004 12.900 2003 9.890 2002 8.300 2001 8.200 2000 5.700 1999 4.800 1998 4.400 1997 3.600 1996 2.300 1995 1.200 * = Prognose Quelle: Stiebel-Eltron

Quelle : Vortrag „Energieversorgung im Niedrigstenergiebau: Von der Abluftwärmepumpe mit Solarkopplung zum Brennstoffzellen-Heizgerät

• Umweltfreundlich (5 Einheiten Wärme werden zu 4 Teilen aus der Sonne und zu 1 Teil aus Elektrizität gewonnen) • Emissionsfrei im Gegensatz zu Verbrennungsheizungen Schadstoffemissionen sparen, besseren Luftqualität beitragen • Komfortabel keinen eigenen Aufstell- oder Lagerraum • vielseitig einsetzbar mit einer Wärmepumpe heizen, kühlen, lüften und Warmwasser bereiten

Quellen : 1. „Wärmepumpen“ von Burkhard Sanner 2. Grundlagen zur Nutzung Regenerativer Energien, Fachhochschule Köln Institut für Landmaschinentechnik und Regenerative Energien 3. Wärmepumpen, BINE 4. Laborscript, Otto von Guericke Unversität 5.Vortrag „Energieversorgung im Niedrigstenergiebau: Von der Abluftwärmepumpe mit Solarkopplung zum Brennstoffzellen-Heizgerät“ Dr.-Ing. Andreas Bühring, Dr. Angelika Heinzel, Prof. Joachim Luther Ing. VDI Hans-Lorenz Fritz 6. http://de.wikipedia.org/wiki/W%C3%A4rmepumpe

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