Wärmepumpe

Lösung: Klassenarbeit: Wärmepumpe – Technische Phänomene in Naturwissenschaft und Technik

Lösungen

Aufgabe 1: Funktionsprinzip der Wärmepumpe (20 Punkte)

Erklärung der vier Phasen:

Verdampfung (5 Punkte): Das Kältemittel nimmt bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck Wärme aus der Umgebung (z.B. Luft, Wasser oder Erdreich) auf und verdampft. Dies ist ein endothermer Prozess, bei dem das Kältemittel Energie speichert.
Kompression (5 Punkte): Der Kältemitteldampf wird im Kompressor verdichtet, was den Druck und die Temperatur des Kältemittels erhöht.
Kondensation (5 Punkte): Das heiße, komprimierte Kältemittel gibt Wärme an das Heizsystem ab und kühlt dabei ab. Es kondensiert zurück in den flüssigen Zustand.
Expansion (5 Punkte): Das flüssige Kältemittel passiert das Expansionsventil, wodurch Druck und Temperatur wieder gesenkt werden. Der Kreislauf beginnt von Neuem.

Aufgabe 2: Thermodynamik (20 Punkte)

Erklärung der beiden Hauptsätze der Thermodynamik:

Erster Hauptsatz der Thermodynamik (10 Punkte): Dieser Hauptsatz beschreibt die Energieerhaltung. Die Wärmepumpe verbraucht elektrische Energie, um thermische Energie von einem Bereich niedrigerer Temperatur auf einen höheren zu übertragen, ohne dass Energie verloren geht.
Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik (10 Punkte): Wärme fließt natürlicherweise von einem wärmeren zu einem kälteren Bereich. Die Wärmepumpe „überwindet“ dieses Prinzip, indem sie Arbeit verrichtet, um Wärme von einem kälteren Ort auf einen wärmeren zu transportieren.

Antwort auf die Frage: Die Wärmepumpe kann Wärme von einem kälteren zu einem wärmeren Bereich transportieren, weil sie Arbeit leistet (durch den Kompressor), um diesen natürlichen Prozess umzukehren. (5 Punkte)

Aufgabe 3: Kältemittel und Materialien (20 Punkte)

Erklärung der Kältemittel:

Eigenschaften von Kältemitteln (5 Punkte): Sie müssen bei niedrigen Temperaturen verdampfen und bei hohen kondensieren können, um den Kältekreislauf effizient zu ermöglichen. Sie sollten auch umweltfreundlich und ungiftig sein.
Natürliche vs. synthetische Kältemittel (5 Punkte): Natürliche Kältemittel wie Ammoniak und Kohlenstoffdioxid sind umweltfreundlicher (niedriges Treibhauspotenzial), jedoch oft giftiger oder schwieriger zu handhaben. Synthetische Kältemittel wie HFKW sind leichter zu handhaben, haben aber ein höheres Treibhauspotenzial.

Erklärung der Materialien:

Materialien wie Kupfer und Aluminium (10 Punkte): Diese Materialien werden für Wärmetauscher verwendet, weil sie eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen. Sie ermöglichen eine effiziente Übertragung von Wärme zwischen den Medien (z.B. zwischen Kältemittel und Heizwasser).

Aufgabe 4: Effizienz der Wärmepumpe (20 Punkte)

Erklärung der Leistungszahl (COP) (10 Punkte):

Die Leistungszahl (COP) beschreibt das Verhältnis von abgegebener Wärmeleistung zur verbrauchten elektrischen Energie. Ein höherer COP bedeutet eine effizientere Wärmepumpe.

Beispiele für Innovationen:

Inverter-Technologie (5 Punkte): Diese Technologie passt die Leistung des Kompressors an den tatsächlichen Wärmebedarf an, was den Energieverbrauch senkt und die Effizienz erhöht.
Geothermie und Tiefenbohrungen (3 Punkte): Durch die Nutzung der konstanten Temperaturen im Erdreich kann die Wärmepumpe effizient arbeiten, besonders bei kalten Außentemperaturen.
Intelligente Steuerungssysteme (2 Punkte): Diese optimieren den Betrieb der Wärmepumpe, indem sie sich automatisch an die Witterungsbedingungen anpassen und den Energieverbrauch minimieren.

Aufgabe 5: Technische Herausforderungen (10 Punkte)

Erklärung der technischen Herausforderungen:

Abnehmende Effizienz bei niedrigen Temperaturen (5 Punkte): Bei extrem niedrigen Außentemperaturen sinkt die Leistungsfähigkeit von Luftwärmepumpen. Dies liegt daran, dass die Differenz zwischen der Außen- und Innentemperatur zu groß ist und die Pumpe mehr Arbeit leisten muss.
Mögliche Innovationen (5 Punkte):
1. Verbesserte Kältemittel für extrem kalte Bedingungen.
2. Kombination von Luftwärmepumpen mit Elektroheizungen oder Speichersystemen.

Aufgabe 6: Physikalische Phänomene der Wärmeübertragung (10 Punkte)

Erklärung der drei grundlegenden Mechanismen:

Wärmeleitung (3 Punkte): Übertragung von Wärme durch direkte Interaktion zwischen Molekülen, z.B. durch Wärmetauscher.
Konvektion (3 Punkte): Übertragung von Wärme durch die Bewegung von Flüssigkeiten oder Gasen. In einer Luftwärmepumpe wird Luft bewegt, um die Wärme effizient an das Kältemittel zu übertragen.
Wärmestrahlung (2 Punkte): Wärmeübertragung durch elektromagnetische Strahlung. Zwar weniger prominent in Wärmepumpen, aber wichtig bei Strahlungssystemen wie Fußbodenheizung.

Beispiel für Erdwärmepumpe (2 Punkte): In einer Erdwärmepumpe wird Wärme durch Wärmeleitung vom Erdreich auf das Kältemittel übertragen, welches durch Rohre unter der Erde zirkuliert.