Gasmotor-Wärmepumpe Absorptions-Wärmepumpe Diffusions-Absorptions-Wärmepumpe

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1 Seite 1.1 Gasbetriebene Wärmepumpen Gaswärmepumpen werden unabhängig von ihrer Bauart hauptsächlich mit Erdgas angetrieben. Zusätzlich wird durch die Nutzung von Umgebungswärme der Wirkungsgrad im Vergleich zum kondensierenden Gaskessel (Brennwertkessel) weiter gesteigert. Es gibt dabei unterschiedliche Funktionstypen von Gaswärmepumpen: Gasmotor-Wärmepumpe Absorptions-Wärmepumpe Diffusions-Absorptions-Wärmepumpe Typen von Sorptionswärmepumpen Adsorptions-Wärmepumpe Tab.: -1: Primärenergievergleich von Wärmeerzeugern. (Quelle: AAsuE) Gasmotor-Wärmepumpe Die Gasmotor-Wärmepumpe ist der Elektrowärmepumpe sehr ähnlich. Die Bestandteile Verdampfer, Kondensator, Verdichter und Expansionsventil sind hier ebenso vorhanden, allerdings wird der Verdichter über einen Gasmotor und nicht durch einen Elektromotor angetrieben. Wie bei der Elektrowärmepumpe

2 Seite 2 wird die Umgebungswärme mithilfe eines Arbeitsmediums (auch Kältemittel genannt) im Verdampfer vom tieferen zum höheren Temperaturniveau gepumpt und auf der Kondensatorseite wieder abgegeben. Dabei wird zusätzlich die Wärmeabgabe des Gasmotors zum Heizen genutzt. Eine Gasmotorwärmepumpe kann daher ohne Effizienznachteil mit höheren Temperaturen betrieben werden als eine Kompressionswärmepumpe. Besonderheit: Thermischer Verdichter Bei den wird das Kältemittel nicht wie bei den Kompressionswärmepumpen durch einen mechanisch bzw. elektrisch getriebenen Kompressor verdichtet, sondern diese Funktion übernimmt ein thermischer Verdichter, welcher neben dem Kältemittel einen zweiten Arbeitsstoff enthält..2 Prinzip der Genau wie beim Kompressionsprinzip funktionieren auch Sorptionswärmepumpen und -kältemaschinen nach einem Kreisprozess-Prinzip. Allerdings nutzen sie als Antriebsenergie nicht Strom, sondern Wärme. Sorptionswärmepumpen und -kältemaschinen können nach den Grundprinzipien Absorption und Adsorption arbeiten. Absorptionswärmepumpe Bei der Absorption wird eine Flüssigkeit oder ein Gas von einer anderen Flüssigkeit aufgenommen. Ein Beispiel für dieses Prinzip ist in Mineralwasser absorbierte (gelöste) Kohlensäure. Absorptionswärmepumpen haben wie Kompressionswärmepumpen die Hauptbauteile Verdampfer, Kondensator und Expansionsventil. Die Verdichtung erfolgt jedoch über

3 Seite 3 einen sogenannten thermischen Verdichter, welcher mit Wärme als Antriebsenergie arbeitet. Absorptionswärmepumpen arbeiten immer mit zwei Stoffpaaren, Lithiumbromid/Wasser (Lösungsmittel LiBr, Kältemittel Wasser) oder Wasser/Ammoniak (Lösemittel Wasser, Kältemittel Ammoniak). Als Antriebsenergie können verschiedene Arten von Wärme genutzt werden, sofern sie eine bestimmte Temperatur erzeugen (i. d. R. mind. 75 C). Diese Antriebsenergie kann z. B. aus Abwärme, Fernwärme oder Solarenergie erzeugt werden. Abb. -1: Gas-Absorptions-Wärmepumpe. (Quelle: Fa. Robur) Das Kältemittel wird im Verdampfer verdampft und geht dann mit dem Lösungsmittel eine Verbindung ein (Absorption). Durch Wärmezufuhr wird es auf höherem Druckniveau wieder ausgetrieben und gibt danach die Wärme im Kondensator als Heizenergie wieder ab. Nur wenig Strom wird für die Lösemittelpumpe benötigt, welche das Gemisch vom Verdampfer in den Austreiber transportiert und für die Regelung der Anlage. Eine Sonderform ist die Diffusions-Absorptions-Wärmepumpe. Bei dieser Wärmepumpe handelt es sich

4 Seite 4 Keine mechanische Pumpe oder Kompressoren Bei Wärmezufuhr Diffusion von Ammoniak in Heliumatmosphäre um eine Maschine mit Ammoniak, Wasser und Helium als Arbeitsmedien. Das Wärmepumpenaggregat benötigt keine mechanische Pumpe oder Kompressoren. Der Diffusions-Absorptions-Prozess setzt sich bei Wärmezufuhr selbstständig in Bewegung. Durch Wärmezufuhr kommt es zu Dichte- und Konzentrationsunterschieden und die Arbeitsmedien zirkulieren in der Wärmepumpe. Das Kältemittel Ammoniak verdunstet im Verdampfer und diffundiert in eine Heliumatmosphäre. Dabei nimmt das Kältemittel gleichzeitig Energie aus der Umwelt mit auf. Nach Verlassen des Verdampfers strömt das Ammoniak-Helium-Dampfgemisch in den Absorber, wo Ammoniak und Helium wieder getrennt werden, indem eine wässrige Lösung in den Absorber geleitet wird. Das Kältemittel Ammoniak ist sehr gut wasserlöslich und wird daher vom Wasser absorbiert (aufgenommen). Die dabei frei werdende Energie wird dem Heizsystem zur Verfügung gestellt. Das vom Kältemittel gereinigte Helium wird wieder in den Verdampfer geleitet, wo es erneut Kältemittel aufnimmt. Die im Absorber mit Kältemittel angereicherte wässrige Lösung fließt in einen Austreiber. Dort wird Wärme über einen Gasgebläsebrenner in den Austreiber eingebracht, wodurch das Kältemittel verdampft und die verbleibende wässrige Lösung wird in den Absorber zurückgeleitet. Im Absorber wird die wässrige Lösung erneut mit Kältemittel angereichert. Der aus dem Austreiber aufsteigende Kältemitteldampf wird im Kondensator verflüssigt und die Kondensationswärme an das Heizsystem abgegeben. Danach gelangt das Kondensat wieder in den Verdampfer, wo der Kreisprozess erneut beginnt.

5 Seite 5 Abb. -2: Gas-Zeolith-Adsorptions-Wärmepumpe zeotherm. (Quelle: Fa. Vaillant) Bei der Adsorption wird eine Flüssigkeit an der Oberfläche eines Festkörpers adsorbiert (aufgesaugt), in Abhängigkeit bestimmter physikalischer Bedingungen wie Druck oder Temperatur. Beispiele dafür sind z. B. das Aufnehmen von Feuchtigkeit durch Salze oder das Filtern von Gerüchen und Schadstoffen aus der Atemluft durch Aktivkohle. Beide Arten von Sorptionsvorgängen sind reversibel (umkehrbar). Die Wärme- und Kälteerzeugung bei der Adsorp tions- Wärmepumpe bzw. -kältemaschine beruht hier auf der Wechselwirkung zwischen Adsorption und Desorption an porösen Feststoffen, wie z. B. Silikagel oder Zeolith. Dabei wird in einer Kammer mit Wasser angereichertes Adsorbens (z. B. Silikagel oder Zeolith) durch Wärmezufuhr (Verbrennung von Gas, Solarenergie, Abwärme) getrocknet, dabei wird Wasserdampf freigesetzt, welcher in den Kondensator strömt, dessen Wärmeenergie dann an das Heizsystem abgegeben wird (Desorption). Prinzip der Adsorptions-Wärmepumpe Adsorption und Desorption Analog der Kompressions-Wärmepumpe wird auch bei der Sorptions-Wärmepumpe eine Energiemenge (Wärme) von einem niedrigen Temperaturniveau auf ein höheres Temperaturniveau angehoben und der

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