Das Klima unseres Planeten ist ein empfindliches und sich stets veränderndes System, in das der Mensch zunehmend eingreift. Die anthropogenen Umweltbelastungen führen zu starken Klimaveränderungen, die den Menschen vermehrt schaden. Um dem entgegen zu wirken, kommt es zu Beratungen zwischen Staatsoberhäuptern verschiedenster Länder. Die Umweltpolitik soll entsprechend den Beschlüssen in den Umweltgipfeln vorangetrieben werden. So entstehen in Deutschland zum Beispiel Energiesparverordnungen, infolge deren die Eigenheimbauer auf eine Energieversorgung zurückgreifen sollen, die auf regenerativer Energieerzeugung basiert. In diesem Sinne werden häufig Energiesparhäuser (Passiv-, Niedrigenergie-, Plusenergiehäuser) thematisiert. Diese sind durch einen möglichst niedrigen Energieverbrauch, zumeist durch Nutzung regenerativer Energiequellen, charakterisiert.
Doch nicht nur innerhalb der Umweltpolitik sind die Energiesparhäuser von Bedeutung. Durch die mediale Aufarbeitung dieser Thematik zeigt sich, dass auch in der breiten Bevölkerung Interesse an Energiesparhäusern besteht. Es wird allerdings wenig darauf eingegangen, wie man Energie überhaupt sparen und so die Umwelt schonen kann. Manchmal werden Technologien, wie Wärmepumpen, Solaranlagen und Windkrafträder, genannt, ohne aber auf die genauen Funktionsweisen dieser einzugehen.
Die vorliegende Staatsexamensarbeit soll einen Überblick über die verschiedensten Maßnahmen zum Energiesparen im Wohnhaus schaffen. Dabei wird der Fokus auf die chemisch-technischen Grundlagen gelegt. So werden in dieser Arbeit aktuelle Tendenzen bzw. Technologien zum energieeffizienten Bauen gegeben. In Abgrenzung zur Staatsexamensarbeit von Hanna Maier, in der es um die Geo- und Solarthermie am Beispiel von einem Wohnhaus geht, wird gezeigt, dass die Chemie ebenso wie die Physik für diese Thematik von Bedeutung ist. Dafür werden zunächst grundlegende Begriffe der Thermodynamik und des Energiesparens erläutert. Dabei wird herausgearbeitet, dass der Energieeintrag, die Energiespeicherung und der Energieaustrag von zentralem Interesse sind, weshalb diese Aspekte in den darauf folgenden Kapiteln genauer untersucht werden. Daran anschließend soll die Frage erläutert werden, ob sich dieser Kontext für den Chemieunterricht als geeignet herausstellt, bestimmte Inhalte der physikalischen Chemie zu erarbeiten. Abschließend wird innerhalb des Fazits ein Ausblick auf aktuelle Forschungsschwerpunkte und mögliche Folgeuntersuchungen gegeben.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Grundlegende Begriffsbildung
2.1. Thermodynamische Systeme
2.2. Zustandsgrößen
2.3. Prozesse in thermodynamischen Systemen
2.4. Energie
2.4.1. Bindungsenergie
2.4.2. Thermische Energie
2.4.3. Strahlungsenergie
2.5. Hauptsätze der Thermodynamik
2.5.1. Nullter Hauptsatz der Thermodynamik
2.5.2. Erster Hauptsatz der Thermodynamik
2.5.3. Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik
2.5.4. Dritter Hauptsatz der Thermodynamik
2.6. Bedeutung des Energiesparens
2.6.1. Energiesparhäuser
2.6.1.1. Niedrigenergiehaus/Niedrigstenergiehaus
2.6.1.2. Passivhaus
2.6.1.3. Nullenergiehaus
2.6.1.4. Plusenergiehaus
2.6.1.5. Zusammenfassung
3. Energieeintrag
3.1. Wärmepumpen
3.1.1. Theoretische Grundlagen
3.1.1.1. Kreisprozesse
3.1.1.1.1. Realer Clausius- Rankine- Prozess
3.1.2. Bauarten und Funktionsweise der Wärmpepumpen - reale Kreisprozesse
3.1.2.1. Kompressionswärmepumpen
3.1.2.2. Absorptionswärmepumpen
3.1.2.3. Adsorptionswärmepumpen
3.1.3. Kältemittel
3.1.4. Wärmepumpen in der Anwendung
3.1.4.1. Luft als Energiequelle
3.1.4.2. Erdreich als Energiequelle
3.1.4.3. Grundwasser als Energiequelle
3.1.4.4. Eisheizung - Heizen mit Eis? - Eis als Energiequelle
4. Energiespeicherung
4.1. Speicherung thermischer Energie
4.1.1. Sensible Wärmespeicherung
4.1.1.1. Sensible Wärme
4.1.1.2. Wärmekapazität
4.1.1.3. Sensible Wärmespeicher
4.1.2. Latente Wärmespeicherung
4.1.2.1. Latente Wärme
4.1.2.2. Anforderungen an PCMs
4.1.2.3. Speicher für latente Wärme
4.1.2.3.1. Organische PCMs
4.1.2.3.2. Salzhydrate
4.1.2.3.3. PCMs in der Anwendung
4.1.3. Thermochemische Speicherung
4.1.3.1. Silicagel
4.1.3.2. Zeolith
4.1.3.3. Aktivkohle
4.1.3.4. Sorptionswärmespeicher
4.1.3.5. Metallhydridspeicher
4.1.3.6. Salzhydrate
4.1.3.7. Weitere chemische Reaktionen
4.1.4. Zusammenfassung
5. Energieaustrag
5.1. Wärmedämmung
5.1.1. Grundlegender Sachverhalt
5.1.2. Opake Wärmedämmung
5.1.3. Transparente Wärmedämmung
5.1.4. Gewöhnliche Fenster und optisch schaltbare Fenster
5.1.4.1. Glas
5.1.4.1.1. Elektrochrome Gläser
5.1.4.1.2. Thermochrome und thermotrope Gläser
5.1.4.1.3. Photochrome und phototrope Gläser
5.1.4.1.4. Gasochrome Gläser
5.2. Technologien für die Lüftung
5.2.1. Lüftung mit geöffneten Fenstern
5.2.2. Lüftungsanlagen bei Luftdichtheit des Gebäudes
5.2.2.1. Wärmetauscher
5.2.2.1.1. Luft- Luft- Wärmetauscher
5.2.2.1.2. Erd- Luft- Wärmetauscher
6. Fachdidaktische Aspekte dieser Thematik
7. Fazit und Ausblick
Anhang:
A 1: Physikalische Größen ausgewählter Stoffe
A 2: Kennwerte transparenter Wärmedammmaterialien
A 3: Auflistung von Versuchen für den naturwissenschaftlichen Unterricht
Literaturverzeichnis:
1. Einleitung
Das Klima unseres Planeten ist ein empfindliches und sich stets veränderndes System, in das der Mensch zunehmend eingreift. Die anthropogenen Umweltbelastungen führen zu starken Klimaveränderungen, die den Menschen vermehrt schaden. Um dem entgegen zu wirken, kommt es zu Beratungen zwischen Staatsoberhäuptern verschiedenster Länder. Die Umweltpolitik soll entsprechend den Beschlüssen in den Umweltgipfeln vorangetrieben werden. So entstehen in Deutschland zum Beispiel Energiesparverordnungen, infolge deren die Eigenheimbauer auf eine Energieversorgung zurückgreifen sollen, die auf regenerativer Energieerzeugung basiert [vgl. 22]. In diesem Sinne werden häufig Energiesparhäuser (Passiv-, Niedrigenergie-, Plusenergiehäuser) thematisiert [vgl. 52]. Diese sind durch einen möglichst niedrigen Energieverbrauch, zumeist durch Nutzung regenerativer Energiequellen, charakterisiert. Doch nicht nur innerhalb der Umweltpolitik sind die Energiesparhäuser von Bedeutung. Durch die mediale Aufarbeitung dieser Thematik [vgl. 52, 133] zeigt sich, dass auch in der breiten Bevölkerung Interesse an Energiesparhäusern besteht. Es wird allerdings wenig darauf eingegangen, wie man Energie überhaupt sparen und so die Umwelt schonen kann. Manchmal werden Technologien, wie Wärmepumpen, Solaranlagen und Windkrafträder, genannt, ohne aber auf die genauen Funktionsweisen dieser einzugehen. Die vorliegende Staatsexamensarbeit soll einen Überblick über die verschiedensten Maßnahmen zum Energiesparen im Wohnhaus schaffen. Dabei wird der Fokus auf die chemisch-technischen Grundlagen gelegt. So werden in dieser Arbeit aktuelle Tendenzen bzw. Technologien zum energieeffizienten Bauen gegeben. In Abgrenzung zur Staatsexamensarbeit von Hanna Maier [vgl. 65], in der es um die Geo- und Solarthermie am Beispiel von einem Wohnhaus geht, wird gezeigt, dass die Chemie ebenso wie die Physik für diese Thematik von Bedeutung ist. Dafür werden zunächst grundlegende Begriffe der Thermodynamik und des Energiesparens erläutert. Dabei wird herausgearbeitet, dass der Energieeintrag, die Energiespeicherung und der Energieaustrag von zentralem Interesse sind, weshalb diese Aspekte in den darauf folgenden Kapiteln genauer untersucht werden. Daran anschließend soll die Frage erläutert werden, ob sich dieser Kontext für den Chemieunterricht als geeignet herausstellt, bestimmte Inhalte der physikalischen Chemie zu erarbeiten. Abschließend wird innerhalb des Fazits ein Ausblick auf aktuelle Forschungsschwerpunkte und mögliche Folgeuntersuchungen gegeben.
2. Grundlegende Begriffsbildung
Dieses Kapitel dient der Definition grundlegender Begriffe, die für das Verständnis der folgenden Kapitel notwendig sind. Die Begriffe sollen nicht in jeder Einzelheit erklärt werden, da solch ein Vorgehen den Rahmen dieser Arbeit deutlich übersteigen würde. Stattdessen wird für den theoretischen Teil auf die angegebene Literatur verwiesen und eher der Fokus auf die Interpretation im Bezug zum eigentlichen Gegenstand, dem Haus, gelegt.
2.1. Thermodynamische Systeme
„ Einen abgegrenzten Bereich unserer Umwelt nennt man ein System. Das System ist von der Umgebung entweder durch eine gedachte Grenze oder durch einen materiellen Gegenstand getrennt. Man spricht von der Systemgrenze “ [147, S. 13]. Die Systemgrenzen trennen das System bzw. das Innere eines Systems von seiner Umgebung. Ein Raum oder ein Wohnhaus ist ein Bereich, der von seiner Umgebung durch Wände, Fenster und Türen abgegrenzt ist, und in dem man zum Beispiel die Temperatur beobachtet. Die thermodynamischen Systeme kann man bezüglich bestimmter Charakteristika klassifizieren. Man kann bspw. eine Gliederung nach Wechselwirkungen zwischen Umgebung und System über die Systemgrenze [vgl. 24, S. 10] vornehmen.
So bezeichnet man Systeme, in denen die Stoffmenge n konstant bleibt, aber Energie in Form von Wärme bspw. in das System hineingeführt oder über die Systemgrenzen abgeführt werden kann, als ein geschlossenes System. Ist neben der Stoffübertragung auch eine Energieübertragung nicht möglich, so nutzt man den Begriff des abgeschlossenen Systems. Demgegenüber stehen offene und halboffene Systeme. Bei Ersterem kann ein beliebiger Stoff- und Energieaustausch mit der Umgebung stattfinden. In halboffenen Systemen hingegen führt entweder ein Stoffstrom aus dem System oder ein Stoffstrom in das System [vgl. 24, S. 10f.]. Für eine Veranschaulichung ist folgende Abbildung angeführt:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 01:
Veranschaulichung des thermodynamischen Systembegriffes: A: offenes System; B und C: halboffene Systeme; D: geschlossenes System; E: abgeschlossenes System So sind ein offener Kühlschrank oder ein Raum mit geöffneten Fenstern und Türen offene Systeme. Geschlossene Systeme liegen vor, wenn man die Systemgrenzen verschließt, also die Türen und Fenster eines Raumes schließt. Allerdings sorgt ein Fenster in der Regel für eine gewisse Luftzirkulation, weshalb dies eine Vereinfachung darstellt. Abgeschlossene Systeme findet man im Alltag nicht, da sie idealisierte Systeme sind. Näherungsweise kann man solch einen Zustand zum Beispiel mit einer geschlossenen Thermoskanne oder einem Raum mit einer sehr guten Wärmeisolierung erreichen (siehe dazu Kapitel 5).
Eine weitere Einteilungsmöglichkeit bietet die Betrachtung der Eigenschaften der im System befindlichen Stoffe [vgl. 24, S. 10], ist für diese Arbeit aber nicht relevant und wird daher nicht weiter ausgeführt.
2.2. Zustandsgrößen
In der Thermodynamik gibt es eine Vielzahl von Zustandsgrößen für die Beschreibung des Zustandes eines Systems. Diese nehmen stets wieder denselben Wert an, „ wenn der Zustand des Systems wieder der gleiche ist “ [21, S. 4]. Der Druck p, die absolute Temperatur T, das Volumen V, die Teilchenzahl N bzw. die Stoffmenge n, die innere Energie U, die Enthalpie H und die Entropie S sind solche Zustandsgrößen. Befindet sich ein System in einem thermodynamischen Gleichgewicht, so bleiben diese Größen konstant. Die Zustandsgrößen werden in intensive und extensive unterteilt. Intensive Zustandsgrößen sind von der Stoffmenge unabhängig, also bspw. Druck und Temperatur. Extensive Zustandsgrößen sind von der Stoffmenge abhängig, wie bspw. Teilchenzahl und Volumen [vgl. 24, S. 15].
Spezifische Zustandsgrößen weisen einen Bezug zur Masse der betrachteten Stoffmenge auf. Bei molaren Zustandsgrößen findet eine Normierung auf 1 Mol statt. Diverse Experimente und auch die Gibbssche Phasenregel zeigen, dass Zustandsgrößen unabhängig voneinander geändert werden können. Einen Zusammenhang, sowohl inhaltlich als auch mathematisch, zwischen den Zustandsgrößen wird durch Zustandsgleichungen beschrieben. Viele reale Systeme können aber durch diese nicht beschrieben, sondern nur approximiert werden, da zwischen den einzelnen Beziehungen oft kein mathematischer Zusammenhang gefunden werden kann. Als Beispiel dafür dient die Zustandsgleichung für ideale Gase. Das Verhalten realer Gase kann über Van-der-Waals-Gleichungen abgeschätzt und verallgemeinert werden. Zustandsfunktionen, wie die innere Energie oder die Enthalpie eines Systems, sind aus den grundlegenden Zustandsgrößen abgeleitet, also auch wegunabhängig sind.
Den Zustandsgrößen stehen die Prozessgrößen gegenüber. Diese sind nicht wegunabhängig. Prozessgrößen treten bei Zustandsänderungen auf. Für diese Größen ist es wichtig, auf welchem Weg der Ausgangszustand zum Endzustand überführt wird. Ein thermodynamisches System erfährt durch Zufuhr oder Abfuhr von Energie eine Änderung des Zustands. Dabei wird Arbeit verrichtet und Wärme ausgetauscht. Arbeit und Wärme sind also Prozessgrößen.
2.3. Prozesse in thermodynamischen Systemen
Durch eine thermische oder mechanische Einwirkung über eine Systemgrenze hinweg wird ein Prozess ausgelöst. Dies führt zur Veränderungen des Systemzustandes [vgl. 24, S. 49]. Die vollständige Beschreibung eines thermodynamischen Vorgangs erfordert Angaben über die Wechselwirkungen zwischen System und Umgebung sowie über die Zustandsänderung des Systems [vgl. 24, S. 46]. Der Begriff der Zustandsänderung und der des Prozesses werden fälschlicherweise oft synonym verwendet. Während der Prozess das Geschehen genauer beschreibt, meint die Zustandsänderung nur einen Teil des Prozesses bzw. des Geschehens [vgl. 21, S. 7]. So können zum Beispiel Energiegrößen, wie Wärme oder Arbeit, nicht durch Zustandsgrößen beschrieben werden. Dafür ist die Kenntnis des Prozessablaufes notwendig. Energiegrößen werden daher auch als Prozessgrößen bezeichnet, denn sie sind wegabhängig. Generell laufen alle natürlichen Vorgänge in eine Richtung ab, es kann jedoch durch äußere Einwirkungen eine Umkehrung realisiert werden [vgl. 24, S. 47]. Dies führt zu der Unterteilung von thermodynamischen Vorgängen in reversible, also umkehrbare, und irreversible, also nicht umkehrbare, Prozesse.
Vorgänge, die von einem Ungleichgewichtszustand zu einem Gleichgewichtszustand führen, bezeichnet man als irreversibel. Als Beispiele dienen das Joule- Experiment zur freien Expansion und die Wärmeleitung innerhalb eines Raumes. Demgegenüber stehen die reversiblen Prozesse. Diese sind dadurch charakterisiert, dass „ nach ihrem Ablauf sowohl das betrachtete thermodynamische System als auch seine Umgebung genau wieder in den Ausgangszustandüberführt werden können “ [24, S. 47]. Jedoch sind reversible Prozesse eine Idealisierung, denn die erforderliche äußere Einwirkung zieht stets eine Veränderung in der Umgebung nach sich [vgl. 24, S. 47f.].
2.4. Energie
Die Energie ist in der Technik eine fundamentale, physikalische Größe. Sie wird für jede Bewegung, jedes Erwärmen, jeden elektrischen Stromfluss und jegliches Leben benötigt. „ Allgemein ist Energie die Fähigkeit eines Systems,äußere Wirkungen hervorzubringen, wie zum Beispiel eine Kraft entlang einer Strecke. Durch Zufuhr oder Abgabe von Arbeit kann die Energie eines Körpers verändert werden. “[100, S. 13] Dies besagt, dass die Energie die Fähigkeit eines Systems beschreibt, Arbeit zu leisten. Ein Objekt besitzt also Energie, wenn es in der Lage ist, an einem anderen Objekt Arbeit zu verrichten und/oder an ein anderes Objekt Wärme zu übertragen [vgl. 147, S. 13]. Somit stellen sich die Arbeit und die Wärme als Grundformen der Energie heraus [vgl. 1, S. 230].
Insbesondere die Gesamtenergie eines abgeschlossenen Systems kann weder vermindert noch erhöht werden. Diese Aussage findet sich im Energieerhaltungssatz (vgl. Kapitel 2.4.2.).
Man kann die Energie in Energiearten bzw. -formen unterteilen. Energiearten sind Oberbegriffe für Energieformen. Energieformen, die direkt in der Natur vorkommen, bspw. in Kohle und Erdöl, werden unter dem Begriff der Primärenergie zusammengefasst. Durch Energieumwandlung über mehrere Schritte, wie bei einem Kraftwerk, entsteht dann die Sekundärenergie. Diese wird wiederum in von Menschen nutzbare Energieformen umgewandelt, den sogenannten Nutzenergien.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 02: Veranschaulichung der Energiearten, μi, für i = 1,2 sind entsprechende Wirkungsgrade
In dieser Arbeit werden nur bestimmte Energieformen betrachtet. Dafür ist es zwingend notwendig, auch auf diese Einteilung einzugehen. Dabei wird die Gliederung nach Volker Quaschning [vgl. 100, S. 13] in mechanische, magnetische, elektrische, thermische sowie Bindungs- und Strahlungsenergie übernommen. Die mechanischen, magnetischen und elektrischen Energieformen sind für diese Arbeit nicht relevant. Die Bindungs- und die Strahlungsenergie sowie die thermische Energie werden hingegen im Folgenden kurz erläutert.
2.4.1. Bindungsenergie
Der Begriff der Bindungsenergie steht für die chemische Energie und die Kernenergie. Oft wird auch die Energie die bei Bindungsbruch frei wird oder bei Bindungsaufbau aufgewendet werden muss, als Bindungsenergie bezeichnet [vgl. 2].
Die chemische Energie, ist diejenige Energie, die in den Bindungen von Atomen und Molekülen gespeichert ist. Sie wird bei exothermen Reaktionen frei und muss für endotherme Reaktionen hinzugefügt werden. Diese Energieform ist in allen Brennstoffen und Nahrungsmitteln enthalten [vgl. 2].
Die Kernenergie bezeichnet hingegen wird die Bindung von Neutronen und Protonen innerhalb des Atomkerns. Bei der Nutzung der Atomenergie kommt es im Gegensatz zu allen anderen Energieformen zu Reaktionen der Atomkerne, wodurch enorme Energiemengen frei werden können2. Die Energiedichte ist also sehr hoch [vgl. 96, S. 138]. Die Kernspaltung und die Kernfusion sind dabei wichtige Begriffe. Die Strahlung der Sonne entsteht zum Beispiel durch Kernreaktionen (Kernfusion) auf der Sonne. Auf die Strahlungsenergie wird im Kapitel 2.5.3. noch genauer eingegangen.
2.4.2. Thermische Energie
Die thermische Energie ist die in dieser Arbeit wohl bedeutsamste Energieform. Sie umfasst die potentiellen und kinetischen Energien aller Teilchen einer Stoffmenge. Die Wärme ist in der Bewegung der Moleküle oder Atome eines Stoffes gespeichert. Man unterscheidet dabei klar die Wärme von der Temperatur. Die Wärme ist die Energie, die man einer Stoffmenge zufügen muss, um ihn auf eine bestimmte Temperatur zu bringen [vgl. 21, S. 19]. Die Wärme ist eine durch eine Temperaturdifferenz erzeugte Energieform und wird von einem Ort höherer Temperatur zu einem Ort niedriger Temperatur übertragen [1, S. 236]. Erwärmt man bspw. einen Raum, so erwärmt sich die in ihm befindliche Luft. Je wärmer die Luft wird, desto schneller bewegen sich die Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle etc. in ihr. Die in dem Raum befindlichen Stoffe, wie das Mobiliar, werden dabei auch erwärmt. Die Wärme gibt die Stärke der Bewegungen der enthaltenen Atome an. Eine Zufuhr von Wärme steigert die mittlere kinetische Energie der Teilchen und damit erhöht sich auch die thermische Energie. Daraus resultiert ein Ansteigen der Temperatur. Eine Abfuhr von Wärme würde die thermische Energie verringern und infolgedessen auch die Temperatur.
Die thermische Energie ergibt sich aus
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Dabei beschreibt c die spezifische Wärmekapazität, m die Masse und T die absolute Temperatur [vgl. 1, S. 238]. Den größten Speicher thermischer Energie stellt nach dieser Gleichung das Wasser der Weltmeere dar. Diese gespeicherte Energie kann aber nur unter enormem Aufwand global zugänglich gemacht werden. Daher greift man auf die Strahlungsenergie zurück, die für die Wärme der Weeltmeere sorgt.
2.4.3. Strahlungsenergie
Die Strahlungsenergie ist eine Energieform, die nicht an Materie gebunden ist. Die in der Strahlung enthaltene Energie hängt von der Wellenlänge ab. Je größer die Wellenlänge ist, desto niedriger ist die Energie, die in einem Strahlungsquantum enthalten ist. Dabei existieren viele Arten von Strahlung: Gammastrahlung, Röntgenstrahlung, UVStrahlung, Sichtbares Licht, Infrarotstrahlung, Mikrowellen, UKW-Wellen u.a.. Die Anwendungsgebiete sind dabei sehr vielseitig.
Die Strahlungsenergie der Sonne ist die Energieform, die in großen Mengen von außen auf die Erde einströmt [vgl. 100, S. 50]. Die Menge der Energie pro Quadratmeter, also die sogenannte Energiedichte, ist allerdings relativ gering [vgl. 96, S. 138]. Aus der Sonnenenergie entstehen durch Umwandlung alle anderen regenerativen Energieformen, mit Ausnahme der geothermischen Energie, und sogar die fossilen Energieträger. Das Auftreten der Sonnenenergie auf der Erde ist allerdings insbesondere in Deutschland stark vom Wetter, von der Tages- und Jahreszeit abhängig [vgl. 100, S. 36 ff.].
2.5. Hauptsätze der Thermodynamik
Die Hauptsätze der Thermodynamik werden im Folgenden wegen ihrer essentiellen Bedeutung für diese Arbeit kurz beschrieben. Dabei wird ein Bezug zu einem Haus oder einem Zimmer hergestellt.
2.5.1. Nullter Hauptsatz der Thermodynamik
Der 0. Hauptsatz der Thermodynamik ist das Gesetz des thermischen Gleichgewichts. Es besagt, dass wenn das System A sich mit dem System B in einem thermischen Gleichgewicht befindet und das System B wiederum in einem thermischen Gleichgewichtszustand mit dem System C befindlich ist, dass dann das System A auch mit dem System C im thermischen Gleichgewicht stehen muss [vgl. 24, S.30]. Zum Beispiel ist eine Wohnung in der ersten Etage eines Dreigeschosigen Hauses im thermodynamischen Gleichgewicht mit der darüber befindlichen Wohnung. Diese Wohnung wäre wiederum im Gleichgewicht mit der Wohnung in der dritten Etage. Dann resultiert auch ein thermodynamisches Gleichgewicht zwischen der untersten und der obersten Wohnung.
2.5.2. Erster Hauptsatz der Thermodynamik
Der erste Hauptsatz der Thermodynamik beschreibt eine Form des Energieerhaltungssatzes. Die Erhaltung der Energie ist aus der klassischen Mechanik hervorgegangen. Dabei bleibt die Summe potentieller und kinetischer Energie, sofern das System einem konstanten Gravitationsfeld unterworfen ist, unverändert. Die Erweiterung auf andere Erscheinungsformen der Energie, wie die innere Energie und die Wärme, erfolgte durch Robert Mayer, James Prescott Joule und Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz [vgl. 24, S.50]. Dies führt zur Beschreibung der Wärme, der Arbeit und der inneren Energie.
Die Wärme Q bezeichnet die thermische Energie, die über eine Systemgrenze hinweg transportiert wird. Diese ergibt sich wie oben beschrieben aus
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Die Wärmekapazität c ist charakteristisch für den jeweiligen Stoff und hängt von der Stoffmenge ab. Die spezifische Wärmekapazität gibt an, wie viel Wärme von einem Gramm eines Stoffes aufgenommen wird, damit sich die Temperatur um 1 K ändert, also ergibt sich als Einheit für die Wärmekapazität[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten].
Die Arbeit W wird geleistet, wenn zum Beispiel ein Gewicht entgegen der Schwerkraft emporgehoben wird. Auch die chemische Reaktion einer Batterie verrichtet Arbeit, wenn die Elektronen im Stromkreislauf „wandern“ [vgl. 1, S. 231]. Wirkt eine Kraft auf ein Molekül und verschiebt dessen Lage, so wird ebenfalls am Teilchen Arbeit verrichtet. Ein System kann also Arbeit leisten oder es wird an einem System Arbeit verrichtet. Allerdings kann Arbeit nicht dem System entzogen oder hinzugeführt werden [vgl. 21, S. 12].
Die Volumenänderungsarbeit WV verändert das Gasvolumen einer bestimmten Gasmenge. Betrachtet man zum Beispiel ein System aus mit einem Kolben verschlossenen Zylinder, soübt das enthaltene Gas einen bestimmten Druck auf den Kolben von innen aus, ebenso übt auch der Umgebungsdruck eine Kraft auf den Kolben von außen aus. Die auf den Kolben ausgeübten Kräfte befinden sich im Gleichgewicht, das heißt der Kolben bewegt sich nicht. Um das Gas zu kompremieren oder zu expandieren muss der Kolben entlang eines Weges verschoben werden. Die einwirkende Kraft verrichtet die folgende Arbeit:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Die Kraft, die entlang des Weges wirkt, ist durch den Druck, der auf die Fläche des Kolbens wirkt, beschreibbar. So erhält man für die Volumenänderungsarbeit:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Die Kupplungsarbeit WK ist eine Prozessgröße. Sie beschreibt die Arbeit, die eine außerhalb eines thermodynamischen Systems befindliche Maschine auf eine zweite Maschine innerhalb eines Systems ausübt oder einer zweiten Maschine innerhalb des Systems gelesit oder abführen kann [vgl. 21, S. 14]. Die Verschiebearbeit WS tritt dann auf, wenn eine Stoffmenge über eine Systemgrenze hinaus transportiert wird. Die Verschiebearbeit besitzt eine Sonderstellung, da sie nur von Ein- und Austrittszustand abhängt, ist sie eine Zustandsgröße [vgl. 21, S. 14 f.]. Die Druckänderungsarbeit Wp tritt bei Zustandsänderungen in offenen Systemen auf. Im Falle von Strömungsvorgängen, bei Verdichtungen oder Expansionen ist diese Prozessgröße zu berücksichtigen. Sie errechnet sich aus
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Wird ein Körper auf einer Oberfläche über einen bestimmten Weg verschoben muss, eine Kraft aufgewendet werden. Diese muss deutlich größer sein als die Reibungsarbeit WR, die diese Bewegung zu unterbinden versucht. Die Reibungsarbeit ergibt sich aus dem Produkt dieser Reibungskraft und dem Weg. So können auch Teilchen, die sich in einem thermodynamischen System befinden, diese Arbeit leisten. Diese Prozessgröße bleibt aber nur innerhalb (WI R) oder außerhalb (WA R) eines Systems, das heißt sie wirkt nicht über die Systemgrenze hinaus. Daraus ergibt sich folgende Formel für die Reibungsarbeit
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Reibungsarbeit erhöht zunächst die innere Energie des Systems. Daraus resultiert, dass sich Temperaturunterschiede herausbilden und Ausgleichströme hervorgerufen werden. In einem nichtadiabatischen System führt dies dazu, dass Wärme an die Umgebung abgeben wird und die Gesamtenergie des Systems sinkt [vgl. 21, S. 17 f.].
Die innere Energie U ist eine Form der Energie, die von den Atomen und Molekülen gespeichert wird. Die thermische Energie und die chemische Energie werden unter dem Begriff der inneren Energie zusammengefasst. Die innere Energie ist selbst nicht messbar, allerdings kann man die Änderung der inneren Energie berechnen [vgl. 49, S. 59]. Wird einem geschlossenem System Energie in Form von Wärme hinzugeführt oder Arbeit am System verrichtet, so erhöht sich die innere Energie genau um den zugeführten Energiebeitrag. Das heißt, dass die Veränderung der Energie sich durch die zu- oder abgeführten Wärmemengen und Arbeitsleistungen beschreiben lässt
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
sofern 2 den Endzustand und 1 den Anfangszustand bezeichnen.
Bei der Zufuhr von Wärme oder bei der Verrichtung von Arbeit am System kommt es also zu einem Ansteig der inneren Energie. Wird hingegen Wärme abgegeben oder das System verrichtet Arbeit, kommt es zu einer Senkung der inneren Energie.
Die innere Energie ist eine Zustandsgröße, das heißt ihre Größe ist wegunabhängig. Sie bleibt in einem geschlossenen System demnach konstant. Am System verrichtete Arbeit oder hinzugeführte Wärme wird mit einem positiven Vorzeichen versehen. Hingegen schreibt man vom System verrichtete Arbeit bzw. abgegebene Wärme mit einem negativen Vorzeichen [vgl. 49, S. 61 f.].
Betrachtet man einen sehr gut isolierten Wohnraum, kann weder Wärme entweichen noch Arbeit geleistet werden. Eine Veränderung in einem abgeschlossenen System kann daraus resultierend weder zu einer Zunahme noch zu einer Abnahme der inneren Energie führen. Die Energiemengen werden also nur umverteilt. Dies gilt bei einem geschlossenen System, wenn man die Umgebung dessen in die Betrachtung einbezieht. Ändert sich in einem geschlossenen System die innere Energie U, so muss sich die innere Energie der Umgebung um den gleichen Wert, jedoch mit gegenteiligem Vorzeichen, ändern [vgl. ebd.]. So gibt zum Beispiel eine Tasse Kaffee mit einer bestimmten Temperatur in einem Wohnraum Wärme an die Luft und den Tisch, auf dem die Tasse gestellt wurde, ab. Die Luft bzw. der Tisch erwärmt sich um den Betrag, um den die Tasse Kaffee sich abkühlt.
2.5.3. Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik
Mittels des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik kann man Aussagen darüber treffen, ob eine chemische Reaktion endotherm oder exotherm ist, allerdings nicht darüber, in welche Richtung der jeweilige Prozess abläuft. Es kann also nicht gesagt werden, ob der Prozess freiwillig abläuft oder erzwungen werden muss [vgl. 21, S. 32].
In einem geschlossenen System kommt es zu einem freiwilligen Prozess, wenn dieser von einem Zustand höherer Odnung zu einem Zustand niedrigerer Ordnung verläuft. Für den umgekehrten Prozess muss Energie aufgewendet werden. Daraus lässt sich der zweite Hauptsatz der Thermodynamik ableiten:
Freiwillige Prozesse laufen in einem System in der Richtung ab, in der die Unordnung des Systems zunimmt [vgl. 49, S. 76].
Das Maß für die Ordnung eines Systems ist die Entropie S. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik wird dementsprechend auch als Entropiesatz der Thermodynamik bezeichnet [vgl. ebd.].
Die Entropie in einem isolierten System kann nie kleiner werden. Befindet sich das System in einem Gleichgewichtszustand, so ändert sich die Entropie nicht mehr und hat einen maximalen Wert erreicht. In einem geschlossenen System mit konstantem Druck und konstanter Temperatur kommt es bei einem freiwilligen, reversiblen Prozess zu folgender Entropieänderung:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Wenn bspw. eine Tasse heißer Kaffee in einem Wohnraum gestellt wird, gibt die umliegende Luft des Raumes die Wärme nicht an das Getränk, sondern das Getränk die Wärme an die Luft des Zimmers ab. Dies zeigt, dass die Wärme von einem Bereich höherer Temperatur zu einem Bereich niedrigerer Temperatur strömt. Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik beschreibt insgesamt die Richtung der Energieumwandlung. Mit der Gleichung für die innere Energie aus dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik folgt:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Diese Gleichung bezeichnet man auch als Gibbsche-Fundamentalgleichung. Nimmt zum Beispiel die Luft eines Wohnraumes Wärme auf, so steigt auch die Temperatur. Damit kommt es zu einer vermehrten Bewegung der Moleküle. Die Unordnung des Systems steigt, seine Entropie nimmt also zu [vgl. 49, S. 80 ff.]. So ist zum Beispiel für einen Raum mit geschlossenem Fenstern, in dem zwei Gase, zum einen Luft und zum anderen Feuerzeuggas, das über ein Feuerzeug vollständig in den Raum entwichen ist, eingeschlossen sind, klar, dass sich diese Gase mit der Zeit gleichmäßig durchmischen, das heißt einen Zustand größerer Unordnung und damit größerer Entropie einnehmen. Der Zustand größerer Entropie ist der wahrscheinlichere Zustand.
2.5.4. Dritter Hauptsatz der Thermodynamik
Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik ist das Nernstsche Wärmetheorem. Es sagt aus, dass am absoluten Nullpunkt der Temperatur keine Teilchenbewegungen und somit keine Entropieänderungen vorliegen:
Dabei wird aber keine Aussage über den Wert der Entropie, sondern nur über die Änderung dieser getroffen [vgl. 49, S. 87].
2.6. Bedeutung des Energiesparens
Unter dem Begriff des Energiesparens versteht man, die Deckung des Energiebedarfs mit weniger Nutzenergie bzw. mit effektiverer Technologie. Die Entropiezunahme bei den Energieumwandlungen soll also minimiert werden.
Der Verbrauch der fossilen Energieträger ist derzeit enorm groß und wird in menschlichen Zeiträumen nicht regenerierbar sein. Bei der Verbrennung der fossilen Energieträger entsteht Kohlenstoffdioxid. Dies ist neben Wasser das Produkt der Verbrennung. Allgemein gilt: fossiler Brennstoff + Sauerstoff der Luft → Kohlendioxid + Wasser(dampf) Der Anstieg des Kohlendioxids in der Atmosphäre führt zum verstärkten Treibhauseffekt, wodurch sich die Temperatur auf der Erde erhöht [vgl. 91, S. 6 f.].
Daher verfolgt man das Ziel, neben den zuneige gehenden Vorräten der fossilen Energieträger auf andere, umweltschonende Energieträger bzw. Energien zurückzugreifen [vgl. 91, S. 6]. Aktuell ist eine schrittweise Umstellung der Energieversorgung auf erneuerbare Energien aufgrund neuerer Forschungserkenntnisse durchführbar [vgl. 80].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 03: Quellen und Nutzungsmöglichkeiten regenerativer Energien [100, S. 34]
Die Auswirkungen der Planetenenergie sind an den Gezeiten ersichtlich. Für die Entstehung von Ebbe und Flut sind hohe Energiemengen notwendig [vgl. 100, S. 35f.]. In Gezeitenkraftwerken wird versucht, diese Energie nutzbar zu machen. Die Sonne ist eine weitaus größere Energiequelle und ein wesentlicher Bestandteil des Konzeptes nachhaltiger Entwicklung [vgl. 80]:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 04: Menge der Energien durch Kugeln veranschaulicht [100, S. 36] - eine ähnliche Darstellung mit Kuben findet sich in [91, S.7]
Ein Teil der in einigen Millionen Jahren auf die Erde eingeströmten Sonnenenergie ist in Form der fossilen Energieträger, wie Kohle, Erdöl, Erdgas, in der Erdkruste gespeichert. Die Sonnenenergie kann indirekt duch Wasserkraft, Windkraft, Biomassenproduktion, Niedertemperaturwärme, Brennstoffzellen u.a. oder direkt durch Solarkollektoren zur Wärrmeerzeugung, Solarthermische Kraftwerke, Photovoltaik u.a. genutzt werden [vgl. 100, S. 36ff.].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 05: Die verschiedenen Möglichkeiten zur Nutzung der Solarenergie [6, S. 5]
Auf die geothermische Energie wird in Kapitel 3 eingegangen.
Diese Arbeit befasst sich hauptsächlich mit technischen und chemischen Anwendungen rund um das Haus, also u.a. Heiztechniken. Im Fokus steht die Wärme, die zum Heizen eines Hauses benötigt wird. Dabei ist nicht nur das Heizen als Energieeintrag von Bedeutung, sondern auch die Speicherung überflüssiger Wärmeenergie und die Verringerung des Energieaustrages.
2.6.1. Energiesparhäuser
Eine Möglichkeit, Energie zu sparen, bieten umweltfreundliche Wohnhäuser. In der Vergangenheit wurden schon mehrfach energiesparende Häuser gebaut. Dabei steht nicht selten das Sparen von Kosten aufgrund der ansteigenden Preise für die Versorgung im Vordergrund; die Schonung der Umwelt nimmt häufig eine untergeordnete Stellung ein. Energiesparhäuser sind Gebäude mit reduziertem Verbrauch und damit reduzierter Umweltbelastung. Es gibt verschiedene Klassifikationen bzw. Ausführungen:
- Niedrigenergiehaus/Niedrigstenergiehaus
- Passivhaus
- Nullenergiehaus
- Plusenergiehaus
Diese werden im Folgenden kurz vorgestellt.
2.6.1.1. Niedrigenergiehaus/Niedrigstenergiehaus
Als Niedrigenergiehäuser werden Gebäude bezeichnet, die einen sehr geringen Energiebedarf für Heizwärme und Warmwasser haben. Der Heizwärmebedarf darf höchstens 70 kWh/m²a betragen [97, S.1]. Das Niedrigstenergiehaus darf keinen Heizwärmebedarf über 50 kWh/m²a aufweisen.
Niedrigenergiehäuser können ohne besonderen Zusatzaufwand errichtet werden, denn ihre Komponenten sind lediglich Verbesserungen der gewöhnlichen Bauteile. Es gibt verschiedene Wege, dieses Ziel zu erreichen. Entscheidend dafür sind, neben den Heizsystemen und der effizienten Warmwasserbereitung, eine gute Wärmedämmung, die Vermeidung von Wärmebrücken, kontrollierte Wohnungslüftung, Wärmeschutzverglasung und eine kompakte Gebäudeform [vgl. 28, S. 4 f.].
2.6.1.2. Passivhaus
Der Heizwärmebedarf eines Passivhauses muss weniger als 15 kWh/m²a betragen [vgl. 98, S. 1]. Im Unterschied zu den Niedrigenergiehäusern werden die Komponenten nochmals verbessert. Zusätzlich wird das Gebäude luftdicht gebaut und eine Lüftungsanlge für die kontroliierte Lütfung verwendet [98, S. 1 f.].
2.6.1.3. Nullenergiehaus
Als Weiterentwicklung zum Passiv- und Niedrigenergiehaus gibt es das so genannte Nullenergiehaus. „ Der Standard für das Nullenergiehaus sieht vor, dass keine Energie (elektrischer Strom, Gas oderöl) von außen bezogen wird, um das ganze Jahrüber eine angenehme Wärme im Inneren des Gebäudes zu genießen “95. Für den Energieeintrag werden oft Sonnenkollektoren verwendet. „ Neben den Sonnenkollektoren gibt es noch eine andere Möglichkeit der Energiegewinnung: Wärmepumpen [Hervorh. - F. K. K.] und Erdkollektoren [Hervorh. - F. K. K.]“ [ebd.]. Die Realisierung erfolgt durch sehr gute Wärmeisolation, dreifach verglaste Fenster, Lüftungsanlagen und das Vermeiden von Wärmebrücken [vgl. 39 und 96]. Zudem greifen Nullenergiehäuser auf eine Anlage zur thermischen Energiespeicherung zurück [vgl. 96, S. 269].
2.6.1.4. Plusenergiehaus
Dieser Haustyp ist durch die hundertprozentige Selbstversorgung mit alternativer Energie charakterisiert. Dabei produziert das Plusenergiehaus mehr Energie als seine Bewohner verbrauchen [vgl. 20]. Neben den Bedingungen, die auch die anderen Energiesparhäuser erfüllen, kommen natürliche Baustoffe, Wärmespeicher und großflächige Solaranlagen zur Erzeugung von Warmwasser, zum Heizen und zur Erzeugung vom elektrischen Strom zum Einsatz [vgl. ebd.].
2.6.1.5. Zusammenfassung
Insgesamt haben alle Energiesparhäuser gemeinsam, dass der Energieeintrag so umweltfreundlich und dennoch effektiv wie möglich gestaltet werden soll, eine Form von Energiespeicherung vorliegen sollte und der Energieaustrag - durch geeignete Wärmedämmung, Wärmebrückenfreiheit und Lüftungssysteme - so gering wie möglich gehalten werden soll.
Diese drei wesentlichen Merkmale werden im Folgenden näher betrachtet.
3. Energieeintrag
Dieses Kapitel beschäftigt sich mit dem umweltfreundlichen und kostengünstigen Eintrag von Energie in Form von Wärme. Dabei hat sich die Wärmepumpe als geeignete Apparatur herausgestellt. Neben der Möglichkeit, Wärmepumpen zu nutzen, bieten auch die Solar- und Photovoltaikanlagen sowie die Geothermieanlagen eine gute Alternative. Die Geothermieanlagen basieren auf der Nutzung der Wärmepumpen, daher werden diese kurz angerissen. Solaranlagen werden in Abgrenzung zu Maier [vgl. 66] nicht untersucht.
3.1. Wärmepumpen
Eine Wärmepumpe ist eine Maschine, bei der durch Zuführen von Arbeit einem Reservoir eine Wärmemenge entnommen wird und diese einem anderen Reservoir wieder hinzugeführt wird. Prinzipiell entnehmen Wärmepumpen einem kälteren Reservoir eine Wärmemenge und geben diese mit Verlusten bzw. durch Hinzuführung von Energie in ein wärmeres Resservoir ab [vgl. 19, S. 33].
Mittlerweile findet man Maschinen mit ähnlicher Wirkungsweise wie Wärmepumpen in jedem Haushalt in Kühl- und Gefrierschränken. Zunehmend etablierte sich die Idee, diese Technik zum Heizen zu verwenden [vgl. 19, S. 33].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 06: Gegenüberstellung von der Wirkungsweise eines Kühlschranks und einer Wärmepumpe [vgl. 47]
Es gibt Kompressionswärmepumpen und Sorptionswärmepumpen. Diese Bauarten sollen genauer erklärt werden. Zunächst wird aber auf die Kreisprozesse eingegangen, da die Wärmepumpen nach dem Schema eines linkslaufenden Kreisprozesses arbeiten.
3.1.1. Theoretische Grundlagen
3.1.1.1. Kreisprozesse
Technische Anlagen im Dauerbetrieb durchlaufen aus thermodynamischer Sicht immer einen Kreisprozess. Dabei ist ein Arbeitsmedium räumlich oder zeitlich periodische Zustandsänderungen unterworfen, die in Teilschritte unterteilbar sind [vgl. 149, S. 183]. Der Ausgangszustand wird nach gewissen Teilprozessen wieder erreicht. Die Idealisierung dieser führt dann zu idealisierten Kreisprozessen, die zur Bewertung mit realen Kreisprozessen herangezogen werden. Die Zustandsänderungen in solchen Kreisprozessen können in Zustandsdiagramme des beteiligten Stoffes eingetragen werden. Der Graph ergibt eine geschlossene Kurve. Die wohl bekannteste und auch namensgebende geschlossene Kurve ist der Kreis. Bei zeitlich periodischen Prozessen wird die Zeit als Parameter und bei räumlich periodischen Prozessen die Ortskoordinaten als Parameter genutzt. Nicht selten finden sich p- V- , T- S-, H- S- und p- H- Diagramme. Infolge der Darstellung der Kreisprozesse in diesen Diagrammen kann man einen Kreisprozess wie folgt definieren: „ ein thermodynamisches System durchläuft einen Kreisprozess, wenn die damit verbundende Zustandsänderungen geschlossene Kurven in den zugehörigen Zustandsdiagrammen ergeben “ [149, S. 183].
Kreisprozesse werden in technischen Prozessen realisiert. Diese werden meist zur Umwandlung von Wärme in Arbeit (z. B. in Wärmekraftmaschinen wie Verbrennungsmotoren) oder zum Heizen und Kühlen durch Aufwenden von Arbeit, wie zum Beispiel in Kältemaschinen und Wärmepumpen, verwendet. Dabei ist die Richtung, in welcher der Kreisprozess abläuft, von Bedeutung.
Beim rechtläufigen Kreisprozess besteht der Nutzen in der gewonnenen Arbeit pro Zeit. Diese resultiert aus einer bei niedriger Temperatur durchgeführten Kompression, also dem Arbeitsaufwand, und der anschließenden Expansion bei hoher Temperatur und hohem Druck, also dem Arbeitsgewinn. Die Kurve der Zustandsänderungen wird im Uhrzeigersinn durchlaufen [vgl. ebd.].
Beim linksläufigen Kreisprozess besteht der Nutzen in einem der Wärmeströme. Die geschlossene Kruve wird entgegen dem Uhrzeigersinn durchlaufen [vgl. ebd.]. Folgende Abbildung macht deutlich, dass bei rechtsläufigen Kreisprozessen die gewonnene Arbeit im Vordergrund steht, hingegen bei den Kälteprozessen und Wärmepumpenprozessen eine gewisse Arbeit aufgebracht werden muss:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 07:
Gegenüberstellung von rechtsläufigen und linksläufigen Kreisprozessen; φD beschreibt dabei die Umlaufrichtung [149, S. 185].
Nun ist es nötig, aufgrund der Anwednung der Wärmeprozesse zum Kühlen und zum Heizen, auch die Wärmeprozesse zu untergliedern. Mit dem Begriff „Heizen“ werden alle Prozesse zusammengefasst, die einem thermodynamischen System Energie in Form von Wärme zuführen und dabei mit der Zeit einen Ansteig der Systemtemperatur hervorrufen. Die Wärmezufuhr erfolgt, um einen gewünschter Temperaturwert zu erreichen oder um einen unerwünschten Wärmestrom aus dem System zu kompensieren und damit über längere Zeiträume ein gewisses Temperaturniveau zu halten. Gleichermaßen werden mit dem Begriff „Kühlen“ alle Prozesse bezeichnet, die einem thermodynamischen System Energie in Form von Wärme entziehen und dabei mit der Zeit zu einem Absinken der Systemtemperatur führen [vgl. 149, 242]. So kommt folgende Unterteilung der Kreisprozesse zustande:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 08: Veranschaulichung von Arbeits- und Wärmeprozessen mit entsprechenden Zweckbestimmungen und auftretenden Temperaturniveaus [149, S. 197] WKM = Wärmekraftmaschine, WP = Wärmepumpe, KM = Kältemaschine
Für eine Zustandsgröße Z in einem Kreisprozess gilt:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Dies gilt genau dann, wenn der Integrand ein totales Differential darstellt. Ein totales Differential liegt dann vor, wenn Z eine Zustandsgröße ist. Für Prozessgrößen muss das Ringintegral nicht zwangsläufig den Wert 0 annehmen. So ergeben sich zum Beispiel für die Volumen- und Druckänderungsarbeit, die bei einem Kreisprozess (hier vier Teilschritte) auftreten können:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Anschaulich beschreiben diese beiden Terme die vom Kreisprozess im p-V- Diagramm eingeschlossene Fläche. Daher gilt folglich
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Dies wird reversiblen (idealisierten) Kreisprozessen als Kreisprozessarbeit bezeichnet. Die Kreisprozessarbeit gibt an, welche Arbeit in einem Rechtsprozess gewonnen oder in einem Linksprozess aufgewendet werden muss. Analoge Betrachtungen kann man mit der zugeführten reversiblen Wärme (Entropieänderungswärme) und der Temperaturänderungswärme bzgl. eines T- S- Diagramms machen und man erhält folgende Beziehungen
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Die Wärme, die in einem idealen Kreisprozess aufgenommen und abgegeben wird, ist:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Daraus ergibt sich unter Berücksichtigung von dQ = dU + p dV und Integration über die vorhandene geschlossene Kurve:
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Da man sich bei Kreisprozessen in einem geschlossenen System befindet und die innere Energie des Systems wieder den Ausgangszustand erreicht hat, kann man den ersten Hauptsatz der Thermodynamik anwenden:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Damit ist die Summe der Wärmemengen gleich der Summe der Arbeiten. Dies ist unabhängig davon, in wieviele Teilschritte man den Kreisprozess zerlegt [vgl. 49, S. 160]. Die linksläufigen Kreisprozesse sind für die Betrachtung der Wärmepumpen wie oben beschrieben von Bedeutung. Für diese einerseits zwei Arbeitsprozesse und andererseits zwei Wärmeprozesse charakteristisch. Dabei ist die Bezeichnung nicht auschließend gemeint: Ein Wärmepozess kann zum Beispiel auch einen Arbeitsanteil beinhalten [vgl. 149, S. 189].
3.1.1.1.1. Realer Clausius- Rankine- Prozess
Den idealisierten Kreisprozessen liegen bestimmte Vereinfachungen zugrunde. Damit kann dann ein maximaler Wirkungsgrad errechnet werden, ohne die realen Einflüsse wie die Dissipation und Reibung, oder nicht konstante Temperaturen und Drücke berücksichtigen zu müssen. Es werden für die Teilprozesse bestimmte Prozessbedingungen angenommen, wie die konstante Temperatur oder auch der konstante Druck. Die Teilprozesse werden als verlustfrei deklariert, das heißt die Wärmeübergänge erfolgen reversibel [vgl. 149, S. 188 f.]. Zur Bewertung einer Maschine bedient man sich dem Quotienten aus Nutzen und Aufwand. Der Nutzen einer Kälteanlage unterscheidet sich von dem einer Wärmepumpe [vgl. 49, S. 200]. Die Kälteanlage entzieht einer Stoffmenge oder einem Raum Wärme. Als Aufwand betrachtet man die Kupplungsarbeit, die für den Antrieb der Anlage notwendig ist. Damit ergibt sich für die Leistungszahl einer Kälteanlage
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Bei der Wärmepumpe liegt der Nutzen in der Wärmeabgabe. Die Kupplungsarbeit beschreibt den Aufwand. Damit ist die Leistungszahl einer Wärmepumpe
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Es existieren wegen den vier typischen Schritten (zwei Arbeits- und zwei Wärmeprozesse) mehrere Möglichkeiten für einen idealisierten Vergleichsprozess. Zusätzlich kann auch ein reines Gas oder ein Fluid mit Phasenwechsel (gasförmig zu flüssig und flüssig zu gasförmig/ Verdampfung und Kondensation) als Arbeitsmedium gewählt werden. Flüssigkeiten sind nahezu inkompressibel und werden von vornherein als Arbeitsmedien für Prozesse ohne Verdampfung und Kondensation ausgeschlossen [vgl. 149, S. 187 ff.]. Ein Beispiel für einen idealisierten Kreisprozess stellt der Clausius- Rankine- Prozess dar. Für einen Kreisprozess im Gas, Zweiphasen, und Flüssigkeitsgebiet der Zustandsdiagramme das heißt mit Phasenwechsel des Arbeitsfluides, wird dieser Prozess eingeführt. In Abgrenzung zum Jouleprozess ist entscheidend, dass im Verlaufe des Prozesses ein Phasenwechsel stattfindet. Damit ist dieser nicht mehr mit der Auffassung vom idealisierten Gas verifizierbar [vgl. 149, 193].
Der Clausius- Rankine-Prozess als idealisierter Vergleichskreisprozess besteht aus der Hintereinanderschaltung folgender idealisierter Teilprozesse (in strömungsrichtung des Arbeitsmediums)[ebd.]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 09: linksläufiger Clausius- Rankine- Prozess [149, S. 194]
Die Kreisprozessarbeit entspricht WKreis = - Q4 1 - Q2 3. Bei isobaren Prozessen, wie in Kapitel 2 beschrieben entspricht die Wärme der Enthalpie. Damit gilt dann
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
[vgl. 4, S. 1]. Für den verlustfreien idealen Wärmepumpenkreisprozesses gilt also εWP = Bei einer isentropen Drosselung ist H3 - H4 = 0 und damit gilt dann εWP =
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Der Clausius- Rankine- Prozess beschreibt die Pozesse in einer Wärmepumpe, wie sie in Kapitel 3.1.2 explizit betrachtet werden, auf geeignete Weise. Wegen den Phasenänderungen liegt kein homogenes System mehr vor und damit kommen deutliche Abweichungen vom Verhalten eines idealen Gases zustande. Damit wird zu den Carnotund Joule- Kreisprozessen Abstand genommen [vgl. 65, S. 65].
Um auf die Unterschiede zwischen dem idealen und dem realen Clausius-Rankine-Prozess eingehen zu können, werden die vier Zustandsänderungen beschrieben.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 10: T-H- Diagramm eines idealen Clausius- Rankine- Prozesses zur Beschreibung einer idealen Wärmepumpe [vgl. 75]
Zustandsänderung 4-1: Hierbei findet eine isobare Verdampfung des Arbeitsmittels im Verdampfer und eine Wärmeaufnahme auf niedrigem Druck- und Temperaturniveau statt [vgl. 75].
Zustandsänderung 1-2 : Hierbei wird das Arbeitsmittel isentrop/ adiabatisch durch den Verdichter komprimiert. Dabei wird dabei Arbeit am System verrichtet [vgl. ebd.].
Zustandsänderung 2-3 : Hierbei findet eine isobare Abkühlung. Es kommt zu einer Kondensation und Unterkühlung des Arbeitsmediums auf hohem Druck- und Temperaturniveau statt. Es kommt dabei zu einer Wärmeabgabe [vgl. ebd.].
Zustandsänderung 3-4 ‘ bzw. 3-4 : Das mittlerweile flüssige Arbeitsmedium wird entspannt, es wird also mittels einer Drossel das Druckniveau gesenkt. Dabei kann es zu einer geringen Verdampfung des Arbeitsmediums kommen. Um einem linksläufigen Clausius- Rankine-Prozess zu entsprechen müsste dieser Vorgang adiabat ablaufen (3-4‘), also bspw. über eine Turbine erfolgen. Aus Gründen eines vereinfachten Aufbaus und weil der Aufwand, zum Beispiel eine Turbine einzusetzen, sich nicht mit dem geringen Energieertrag deckt, wird irreversibel über eine Drossel bei konstanter Enthalpie entspannt (3-4) [vgl. ebd.].
Eine bestimmte Stoffmenge einer Flüssigkeit nimmt bei isobarer Wärmezufuhr bspw. in einem Zylinder ein bestimmtes Volumen ein. Dieses System kann als homogenes System aufgefasst werden, da nur eine Phase vorliegt. Ein Kolben, der den Zylinder verschließt, übt einen konstanten Druck auf die Flüssigkeit aus. Wird dem System Energie in Form von Wärme so zugeführt, dass die Siedetemperatur erreicht wird, vergrößert sich das Volumen. Es kommt zur Verdampfung der Flüssigkeit, dabei steigt das Volumen immer weiter an. Die Temperatur bleibt allerdings konstant, weil die Wärme für die Überführung der Flüssigkeit in ein Gas genutzt wird. Es verdampft aber nicht die gesamte Flüssigkeit auf einmal. Daher bezeichnet man diese Phase als Nassdampf. Erst wenn die Flüssigkeit vollständig in den gasförmigen Aggregatzustand übergegangen ist, kann das System wieder als homogen betrachtet werden. Diese Phase nennt man Sattdampf. Bei weiterer Wärmezufuhr kommt es weiterhin zu einer Volumenzunahme. Der Dampf überhitzt und man bezeichnet ihn als Heißdampf. Die Phasen des Nassdampfes, Sattdampfes und Heißdampfes treten in einem Clausius-Rankine-Prozess auf. Wie in den Abbildungen zu erkennen ist, hat man während des Prozesses hauptsächlich mit einer Nassdampfphase zu tun [vgl. 65, S. 65 ff.].
In diesem Verhalten liegt auch der bedeutsamste Unterschied zwischen dem realen und dem idealen Clausius-Rankine-Prozess. Der Dampf muss deutlich überhitzt werden, damit das Arbeitsmittel vollständig verdampft, weil Flüssigkeit, die in den Verdampfer gelangt, diesen beschädigen kann. Doch nicht nur an dieser Stelle sind Unterschiede zu erkennen: Im realen Kreisprozess treten weitere Verluste in Erscheinung, die die Leistungszahl senken.
Dafür ist folgende Abbildung angeführt:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 11: T-H- Diagramm eines realen Clausius- Rankine- Prozesses zur Beschreibung einer realen Wärmepumpe [vgl. 75]
Die einzelnen Teilschritte gestalten sich wie folgt:
Zustandsänderung 4-5 : Hierbei verdampft das Arbeitsmedium im Verdampfer. Die Reibungsvorgänge führen zum Druckabfall und damit zu einer Abnahme der Verdampfungstemperatur. Der Vorgang ist nicht mehr isobar [vgl. ebd].
Zustandsänderung 5-1 : Hier findet die Überhitzung des Dampfes im Verdampfer statt [vgl. ebd].
Zustandsänderung 1-2 : Es kommt hierbei zu einer Verdichtung im Verdichter. Durch Reibungsverluste und Motorenabwärme ist der Vorgang nicht mehr isentrop. Die Enthalpie nimmt stärker zu und es muss mehr Arbeit geleistet werden [vgl. ebd und vgl. 65, S. 68].
Zustandsänderung 2-3 : Der Kreisprozess gibt Wärme ab. Durch Druckverluste erfolgt die Zustandsänderung nicht mehr isobar. Druck- und Wärmeverluste am Verdichteraustritt (2) und in den Leitungsrohren für das Heißgas erfordern eine höhere Kompression des Kältemittels, um die gewünschte Kondensationstemperatur zu erreichen. Die Wärmeabgabe von dem Heißgas im Teilschritt (2-2’) erfolgt nicht isobar. Daher ist die Kondensation (2’-3) nicht isotherm. Die Kondensationstemperatur nimmt ab [vgl. ebd].
Zustandsänderung 3-4:
Zwischen 3-3’ wird das flüssige Arbeitsmittel bis zur tiefsten Temperatur der Wärmesenke unterkühlt. Im Teilschritt von 3‘-4 erfolgt die Expansion im Expansionsventil [vgl. ebd].
Insgesamt kommt es durch Verluste zu einer Verringerung der Leistungszahl. Die wesentlichen Verlustfaktoren sind:
- Verluste durch Reibung
- Temperaturverluste
- Druckverluste.
Des Weiteren werden bestimmte Apparaturen benötigt, um den Kreislauf kontinuierlich zu betreiben:
- Kompressor
- Anlagen, die benötigt werden, um die jeweilige Wärmequelle zu erschließen (ausführlicher dazu im Kapitel 3.1.4.)
- Anlagen, die benötigt werden, um die Heizenergie auch nutzen zu können. Zur Verdeutlichung ist nachfolgendes Schema gegeben:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 12: Gegenüberstellung der Wirkungsschemata einer idealen (links) und einer realen Wärmepumpe (rechts) [vgl. 149, S. 248]
3.1.2. Bauarten und Funktionsweise der Wärmpepumpen - reale Kreisprozesse
Die folgenden Betrachtungen beziehen sich nicht auf jeden Kühl- und Heizfall, sondern thematisieren speziell die Wärmepumpen. Auf die Kältemaschinen wird lediglich kurz verwiesen. Die Wikrungsweise von Kältemschinen gleicht der der Wärmepumpen. Die Kältemaschinen werden genutzt, um dem Raum Wärme zu entziehen und in die Umgebung abzugeben.
Wärmepumpen werden zur Gebäudeheizung und Warmwasserbereitung genutzt. Dabei übertragen Wärmepumpen innere Energie einer bestimmten Temperatur aus einer Wärmequelle unter Aufwendung von Arbeit auf ein höheres Temperaturniveau. Diese Wärme wird dann für die Heizung oder die Warmwasserbereitung bereitgestellt [vgl. 149, S.247].
Dabei gibt es drei verschiedene Wirkungsprinzipien bzw. Bauarten von Wärmepumpen:
- Kompressionswärmepumpe,
- Absorbtionswärmepumpe,
- Adsorptionswärmepumpe [vgl. 100, S. 323].
Die wesentlichen Wirkungsweisen und die Unterschiede werden im Folgenden näher expliziert.
3.1.2.1. Kompressionswärmepumpen
Kompressionswärmepumpen sind die „klassischen“ Wärmepumpen. In der Realisierung entspricht ihre Wirkungsweise dem Clausius- Rankine- Prozess.
Eine Kompressionswärmepumpe bedient sich dem physikalischen Effekt der Verdampfungs- und der Kondensationswärme. Das heißt, die Wärme, die bei der Verdampfung eines bestimmten Stoffes (hier: das Arbeitsmedium) vom Stoff aufgenommen, wird bei der Kondensation verlustfrei wieder abgegeben.
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- Quote paper
- Felix Kasten (Author), 2012, Energieeintrag, Energiespeicherung, Energieaustrag, Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/209453
