Zuerst mal zum Wesentlichen und Einfachen: Um was geht es bei einer Wärmepumpe? Welcher Vorgang ist Grundlage dieses offensichtlichen Energieraubs aus der Umgebung? Bei diesem offenen Geheimnis staunt man schon nicht schlecht und durchblickt sehr schnell das eigentliche System und die naturgesetzlichen Grenzen.
Zufälle auf dieser Welt
Die Temperaturen und Luftdrücke auf unserem Planeten sind glücklicherweise meist angenehm für uns Menschen. Bei diesen Umgebungsbedingungen ist beispielsweise Butan gasförmig. Dabei tanzen die Moleküle, zusammengesetzt aus Kohlenstoff und Wasserstoff, wild hin und her. Presst man dieses Gas jedoch zusammen, nimmt man den Molekülen diesen Platz zum Tanzen. Gleiches gilt, wenn man es stark abkühlt. Dieses Tanzverbot lässt sich so weit treiben, dass diese Moleküle nicht mehr gasförmig bleiben, sondern flüssig werden. Sperrt man die abgekühlte oder unter Druck gesetzte Flüssigkeit ein, so lässt sich Butan als solches in Feuerzeugen umhertragen, wie im Titelfoto gezeigt. Zwei Chancen bestehen also, will man dieses Gas als Flüssigkeit transportieren:
Entweder den Überdruck auf Butan auf mehr als zwei Bar erhöhen oder die Temperatur auf unter –0,5 °C senken – dann einsperren und fertig. Bleibt der Behälter, also das Feuerzeug, unter Druck, bleibt auch das enthaltene Butan flüssig. Lässt man Butan jedoch austreten, also sich entspannen, so wird es wieder gasförmig. Zumindest dann, wenn die Umgebungstemperatur über –0,5 °C liegt. Der springende Punkt ist, dass wir bei diesem Vorgang, also der Entspannung des ehemals flüssigen Butans, mitten in der Wärmepumpentechnik baden. Butan siedet, oder umgangssprachlich: beginnt zu kochen, bei Umgebungstemperaturen.
Das Sieden von Wasser in unserer Standardumgebung läuft nur unter Zugabe von Energie. Diese Energie liefert üblicherweise die Herdplatte beim Kochen. Das Sieden von Butan läuft ebenfalls nur unter Zugabe von Energie. Die Tatsache, dass wir dazu keine Herdplatte benötigen, liegt an dem Umstand, dass Butan eben schon bei –0,5 °C siedet, also bei sommerlicher Umgebung vor Tanzfreude fast schon quiekt. Es nimmt beim Sieden aber zwingend Energie aus der Umgebung auf. Die Umgebung wird bei diesem Vorgang zwangsläufig kühler.
Also der Zufall wollte es so, dass auf unserem Planeten Wasser erst bei 100 °C siedet, andere Flüssigkeiten aber schon bei geringeren Temperaturen. Zum Sieden wird zwingend Energie benötigt. Die Umgebung einer siedenden Flüssigkeit wird also gekühlt.
Bild: Held
Von 1 nach 2: Verdampfer
Von 2 nach 3: Verdichter
Von 3 nach 4: Verflüssiger
Von 4 nach 1: Expansionsventil
Scherz beiseite
Im Sommer könnte man sich also eine Batterie von Feuerzeugen um den Kopf pflastern und bei Ablassen des Butans würde man eine angenehme Kühle empfinden.
Aber: Nicht nur, dass das bescheuert aussehen würde. Man würde auch irgendwann ein zündfähiges Gemisch um sich herum sammeln und liefe Gefahr, sich das Haupthaar abzufackeln. Eigentlich möchte man also diesen Kühlprozess laufen lassen, die zwischenzeitlich siedende Flüssigkeit aber dann doch besser zurückgewinnen und, wenn möglich, in einem Kreisprozess zirkulieren lassen.
Genau das passiert bei einer Wärmepumpe.
Eine leicht siedende Flüssigkeit wird durch Entspannung verdampft und nimmt dabei zwangsläufig eine Menge Energie auf. Um den Kreisprozess zu schließen, setzt ein Kompressor das dann gasförmige Medium wieder unter Druck. Er nimmt dem Fluid gewissermaßen die soeben gewonnene Bewegungsfreiheit wieder ab. Statt der Bewegung von Molekülen äußert sich der immer noch hohe Energiegehalt des Fluids dann als hohe Temperatur, also als Wärmeenergie. Wild tanzen oder verdammt heiß sein ist das Wechselspiel in diesem Kreisprozess.
Der Kompressor muss natürlich mit Energie von außen angetrieben werden – meistens mit elektrischer Energie. Aber das Großartige an diesem Prozess ist, dass zwar die hohe Temperatur durch die Kompression herbeigeführt wird, aber der Energiezuwachs während des Siedevorgangs am größten ist. Es kann also gut sein, dass man, obwohl man nur eine elektrische Leistung von 1 Kilowatt [kW] anlegt, sagenhafte 5 kW Wärmeenergie abnehmen kann. Ein tolles Geschäft, wie auch die vielen Wärmepumpen als attraktive Wärmeerzeuger in Deutschland beweisen.
Zu den harten Fakten
Diagramme vereinfachen oft die Sicht der Dinge, so auch das log(p)- h-Diagramm. Man sollte in diesem Zusammenhang zuerst einmal die Bedenken ablegen, man könnte diese Sammlung von Kurven niemals durchblicken. Es bleiben am Ende einige wenige Gedankengänge übrig, um das Wesentliche einer Wärmepumpe erfassen zu können. Daher bitte schön weiterackern, durch die nächsten Zeilen.
Bild: IBH
log(p)
Um den Durchblick zu behalten, haben die Menschen Zahlen entwickelt. Die Naturwissenschaften lassen sich so deutlich besser erfassen, als wenn man beispielsweise nur die Eigenschaften „viel“ oder „wenig“ benutzen würde. Unser Zahlensystem kann man dabei grafisch an einem Zahlenstrahl auftragen. Der Abstand von der Zahl Eins zur Zwei und dann zur Drei ist immer gleich groß. Das hilft, wenn man sich den Abstand zwischen zwei Städten in Kilometern vorstellen möchte. Aber Prozesse laufen nicht immer so schlicht ab wie die Wanderung von Dortmund nach Köln. Beispielsweise der Druck auf ein verdampfendes Kältemittel hat einen komplizierten Einfluss auf den Energiegehalt dieses Kältemittels. Daher verlässt man zur besseren Darstellung dieses Zusammenhangs das gewohnte Zahlensystem und bedient sich des Logarithmus einer Zahl. Einige technische Diagramme verwenden diesen Trick.
Es hilft ein wenig, wenn man weiß, der Logarithmus von 10 ist 1, der von 100 ist 2, der von 1000 ist 3 usw. Obwohl sich also die Werte von Zahlen erheblich unterscheiden, kann der Logarithmus dieser Zahlen auf einem Zahlenstrahl überraschend nah beieinander liegen. So ist jedenfalls die senkrechte Achse, also die y-Achse des Diagramms, aufgebaut. Sie stellt den Druck mit logarithmischer Teilung dar und steigt wie gewohnt von unten nach oben an. log(p) steht also für logarithmisch aufgetragenen Druck.
h für Enthalpie
Die Enthalpie wird mit dem Buchstaben „H“ abgekürzt und ist aus dem Englischen für „heat content“ abgeleitet. Am einfachsten lässt es sich also mit dem Begriff Wärmeinhalt übersetzen und wird in der Einheit Joule (J) angegeben. Und die spezifische Enthalpie „h“ meint dann den Wärmeinhalt bezogen auf eine Masse, spezifisch eben. Der Wärmeinhalt bezogen auf eine Masse erhält dann in der Regel die Einheit Kilojoule pro Kilogramm (kJ/kg). Waagerecht nimmt also der Wärmeinhalt von links nach rechts zu.
Bild: Vaillant
Bild: nikomsolftwaer - stock.adobe.com
Ablesebeispiel
Das skizzierte Diagramm dieses Berichts gilt nur für ein bestimmtes Kältemittel, nämlich R407C. Das R in R407C steht übrigens für Refrigerant, also Kältemittel, weshalb man schlicht von R407C sprechen kann und allen Wissenden ist dann klar, dass es sich um ein Kältemittel handelt. Das abgebildete log(p)-h-Diagramm beinhaltet ein Ablesebeispiel im Punkt (1). In diesem Diagramm sind die Informationen für einen Zustand des Kältemittels bei einem Druck (p) von 3,0 bar und einer Enthalpie (h) von 220 kJ/kg abzulesen. Rein optisch fällt sofort auf, dass dieser Punkt unterhalb der erkennbaren Glocke liegt. Es handelt sich daher ganz klar um das bereits siedende Kältemittel. Die Eingeweihten wissen nämlich, links von der Glocke ist alles flüssig, rechts davon existiert überhitzter Dampf. Der Dampfanteil im Punkt (1) liegt bei genau 0,2, also 20 Prozent. Der Rest, also noch 80 Prozent des Kältemittels, ist flüssig. Die Temperatur des Kältemittels liegt bei –17 °C. Solange jetzt die Umgebung auch nur ein wenig wärmer ist als minus 17 °C, verdampft dieses Kältemittel und der Zustand verändert sich bei ansonsten gleichem Druck auf der waagerechten Drucklinie nach rechts. Die Enthalpie, also der Wärmeinhalt, nimmt dabei kontinuierlich zu. Irgendwie unheimlich, nicht wahr? Minus 17 °C und die siedende Flüssigkeit nimmt tüchtig Energie auf und verdampft dabei. In einem Glasbehälter würde man tatsächlich eine blubbernde Flüssigkeit sehen, ähnlich wie in einem Kochtopf mit Wasser.
Folgen für den Kreislauf
Im Kältekreislauf würde der Ablesepunkt (1) eine Stelle im Verdampfer der Wärmepumpe markieren. Dort würde vom Kältemittel die Energie aus der Umgebung aufgenommen, sei es das an der Außeneinheit einer Wasser-Luft-Wärmepumpe oder aus dem Erdreich bei einer Sole-Wasser-Wärmepumpe. Für dieses Kältemittel und bei genau 3,0 Bar Druck würde die Verdampfung fortlaufend bis zum Punkt (2) beobachtbar sein. Dann wäre das Kältemittel vollständig verdampft. In dem Kreisprozess einer Kältemaschine würde sicherheitshalber noch etwas „gewartet“, um das Kältemittel ganz sicher in Dampf zu verwandeln. Die so genannte Überhitzung würde erzwungen, der Punkt (2b) wird besetzt. Es darf nämlich für den dann in Aktion tretenden Kompressor keine noch so geringe Flüssigkeitsmenge vorhanden sein, der Kompressor könnte sonst zerstört werden. Wie auch immer, der Enthalpiegehalt beträgt nun 432 kJ/kg und ist damit um 212 kJ/kg angestiegen. Nur durch Umgebungswärme wohlgemerkt.
Kompressor
Ein Kompressor muss tun, was ein Kompressor tun muss, er komprimiert. Häufig werden die skurril anmutenden Scrollverdichter in der Kältetechnik eingesetzt. Im Ablesebeispiel schafft der Kompressor eine Verdichtung auf 20 bar und damit auf den Punkt (3) im Diagramm. Man kann jetzt ablesen, welche Temperatur das R407C angenommen hat, nämlich annähernd 100 °C bei einer Enthalpie von dann 488 kJ/kg. Während der Kompression hat die Enthalpie ja nochmals ein wenig zugelegt, nämlich 56 kJ/kg). Der Hauptanteil zur Enthalpieerhöhung, also 212 kJ/kg, stammt allerding aus der Verdampfung.
Verflüssigung
Wer den Kältekreislauf kennt, erwartet jetzt bereits den nächsten Schritt im Diagramm. Denn auf dem hohen Temperaturniveau kann an dieser Stelle Wärme an die Umgebung abgegeben werden. Dabei wird ganz normal der Taupunkt unterschritten und mit weiter abnehmender Temperatur verflüssigen sich immer größere Anteile des Kältemittels. Bei konstantem Druck wandert also der Zustand von Punkt (3) zu (4). Die Enthalpie nimmt erheblich ab. Klar, die Energie wird im Falle einer Wärmepumpe beispielsweise an eine Fußbodenheizung abgegeben.
Drucksenkung
Senkt man jetzt den Druck, so wäre es, als würde man Feuerzeuggas urplötzlich freisetzen, sprich entspannen. Der Zustand vom R407C wird mittels eines Expansionsventils von Punkt (4) zu (1) verändert und ist damit wieder in Ausgangsposition. Dieser Kreisprozess lässt sich also eindeutig einzelnen Komponenten zuordnen und im log(p)-h-Diagramm nachzeichnen. Über den Zusammenhang des Massenstroms eines eingesetzten Kältemittels kann auch die Leistung genau vorausgesagt werden. Der Zusammenhang ist sehr schlicht.
Während im normalen Sprachgebrauch die Energie in Kilowattstunden (kWh) und die Leistung in Kilowatt (kW) benannt wird, zeigt das log(p)-h-Diagramm bei der Enthalpie den Energiegehalt in Kilojoule pro Kilogramm (kJ/kg).
Der Bezug ist dann
1 Joule = 1 Wattsekunde
oder
1 J = 1 Ws
und dann gilt natürlich auch
1 J/s = 1 W
Bei einer Enthalpiedifferenz von insgesamt 268 kJ/kg kann man annehmen, dass, wenn man ein Kilogramm pro Sekunde (kg/s) unter diesen Umständen einsetzen würde, eine Wärmepumpe mit ca. 268 kW Leistung betreibt.
Reale Prozesse mit realen Kältemitteln
Die hier geschilderten Fakten lassen nicht nur den Eindruck entstehen, dass in der Praxis auch eine echte Kälteanlage mit Butan betrieben werden könnte. Es ist tatsächlich so, dass auch Butan oder Methan eingesetzt werden, um effiziente Wärmepumpenprozesse ablaufen zu lassen. Die Kältemittel werden seit vielen Jahren weiterentwickelt und der Wärmepumpenprozess wird optimiert. Immer höhere Temperaturen werden auf diese Weise ermöglicht. Die Tatsache, dass viele Wärmepumpenhersteller ihre neueste Generation für hohe Vorlauftemperaturen jenseits der 60 °C anbieten, spricht für sich. Ein faszinierender Prozess, der sich uns Anlagenmechanikern anbietet.
Übrigens, wenn man diesen Prozess versteht, dann erkennt man auch gleichzeitig den Kälteprozess beispielsweise im Kühlschrank. Denken Sie mal drüber nach.
Bild: Alexander Mirokhin - stock.adobe.com
Film zum Thema
Ein aufschlussreicher Film zeigt den Wärmepumpenprozess.
