Wärmepumpen Historie - Wikitherm Heizen und Kühlen mit Luft Wasser oder Geothermie Wärmepumpen

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Wärmepumpen Historie

Technik



Historische Darstellung der Wärmepumpe

Vorläufer der Technik von Wärmepumpen

Der Franzose Nicolas Léonard Sadi Carnot hat als erster eine präzise Beziehung zwischen Wärme und Arbeit formuliert. Erst 1871 wurden seine Manuskriptnotizen durch seinen Bruder gefunden. 1832 starb Carnot im frühen Alter von 36 Jahren an einer ansteckenden Krankheit.
Sein Büchlein aus dem Jahr 1824 blieb unbekannt, da es nur privat publiziert wurde.

Der entscheidende Beitrag von Carnots „Reflections“ ist, dass sich mechanische Energie vollständig in Wärme umwandeln lässt – dass Wärme aber nur teilweise in mechanische Energie umgewandelt werden kann. Der Franzose Benoît Paul Émile Clapeyron holte Carnots „Reflections“ aus dem Verborgenen und analysierte sie 1834 in einer Denkschrift. Clausius hat Carnots Ideen 1850 neu formuliert. 1842 fand der Deutsche Robert Julius von Mayer das Prinzip der Äquivalenz zwischen Arbeit und Wärme. Der Engländer James Prescott Joule hat 1843 dafür den experimentellen Nachweis erbracht. Der Deutsche Hermann von Helmholtz hat 1847 das Energieerhaltungsgesetz in allgemeiner Form publiziert. Damit war das erste Gesetz der Thermodynamik gesichert.

Der deutsche Physiker und Mathematiker Rudolf Julius Emanuel Clausius ist einer der Begründer der modernen Thermodynamik [Cardwell 1971]. Durch seine bereits erwähnte Neuformulierung des Carnot’schen Kreisprozesses stellte er die Theorie der Wärme auf eine wissenschaftlich klare Basis. Mit seiner wichtigsten Publikation zur mechanischen Theorie der Wärme formulierte er 1850 als erster die Grundidee des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik. In dieser Publikation war auch bereits das Konzept der Entropie enthalten. Diesen Begriff führte er aber erst 1865 ein [Clausius 1865]. Clausius war übrigens von 1855 bis 1867 Professor an der ETH Zürich [Thevenot 1979], [Carnot et al. 2003].

Unabhängig von Clausius (und ohne dessen Priorität zu bezweifeln) fand William Thomson, der spätere Lord Kelvin, 1851 eine allgemeinere Formulierung des zweiten Hauptsatzes und führte 1852 die thermodynamische Temperaturskala ein. 1866 gab der österreichische Physiker, Ludwig Eduard Boltzmann, eine neue Bedeutung, indem er das Konzept der Entropie mit dem Konzept der Wahrscheinlichkeit in der statistischen Physik verband. Die Entropie repräsentiert danach den Grad der Unordnung und das Carnot-Prinzip wurde damit verständlicher.

1873 bis 1878 führte der Amerikaner Josiah Willard Gibbs den Begriff der Enthalpie in die theoretische Thermodynamik ein. Richard Mollier brachte diese Grösse dann 1902 in die angewandte Thermodynamik und benutzte sie als eine Koordinate (die andere war die Entropie oder der Druck) in seinen thermodynamischen Diagrammen für Ammoniak und CO2. Ab 1904 führte er mit seinen Diagrammen eine graphische Visualisierung des Dampfkompressionszyklus ein und trug damit zur Verständlichkeit und leichten Berechenbarkeit dieses Prozesses bei. Aus den Überlegungen von G. Zeugner (1859) und Hans Lorenz (1896) entstand das Konzept der Exergie, der maximalen Nutzarbeit, welche bei einer Zustandsänderung von einer konstanten
Wärmequellentemperatur auf eine konstante Endtemperatur gewonnen werden kann. Diese Idee wurde wieder aufgegriffen von Fran Bosnjakovic (1935) und nach 1950 von Peter Grassmann und Kurt Nesselmann.

1870 hielt Carl von Linde Vorlesungen zur Theorie der Kältemaschinen an der "Königlichen Polytechnischen Schule" in München. Er legte in seiner Arbeit zum Wärmeentzug bei tiefen Temperaturen mit mechanischen Mitteln den Grundstein zu einer sauberen thermodynamischen Theorie der Kältetechnik. Aufgrund eines thermodynamischen Vergleichs zeigte Linde bereits die Überlegenheit der Dampfkompression gegenüber dem damals noch üblichenAbsorptions-
prozess und anderen Prinzipien zur Kälteerzeugung.

Der belgische Chemiker Frederic Swarts legte zwischen 1890 und 1893 mit seinen Arbeiten zu den aliphatischen Fluorkohlenstoffen den Grundstein zur organischen Fluorchemie. In den 1910er Jahren führte Edmund Altenkirch umfassende thermodynamische Studien zu Zweistoffgemischen für Absorptions- kältemaschinen durch. Sein zweistufiges Absorptions-aggregat hatte bereits eine hohe Effizienz.

Wie bei vielen anderen Technologien auch zu beobachten ist, gingen Innovationen und erste technische Entwicklungen von geschickten Erfindern und Visionären aus. Die wissenschaftliche Erfassung und Optimierung erfolgte im Allgemeinen erst später. Die fand in der Kälte- und Wärmepumpentechnik erst ab ungefähr 1875 statt.

Lord Kelvin hat die Wärmepumpe bereits 1852 vorausgesagt, in dem er bemerkte, dass eine “umgekehrte Wärmekraftmaschine” nicht nur zum Kühlen, sondern auch für Heizzwecke eingesetzt werden könnte. Er erkannte, dass eine solche Heizeinrichtung dank dem Wärmeentzug aus der Umgebung weniger Primärenergie benötigen würde [Thomson 1852], [Ostertag 1946]. Aber es sollte noch rund 85 Jahre dauern, bis die erste Wärmepumpe für die Raumheizung in Betrieb ging. In der Periode vor 1875 wurden Wärmepumpen zu Heizzwecken erst für die Brüdenkompression in Salzwerken mit ihren offensichtlichen Vorteilen zur Holz- und Kohleeinsparung verfolgt. Die spätere Entwicklung der Wärmepumpe basiert jedoch auf Erfindungen zur Deckung des insbesondere in der Nahrungsmittelindustrie enormen Bedarfs zur Kühlung. Als eine vorbereitende Entwicklung für die späteren Wärmepumpen zur Raumheizung ist die Einführung der Warmwasser-Zentralheizung bedeutend. Zu jener Zeit wurden Zentralheizungen mit Dampf betrieben. Die Firma Sulzer (Winterthur) installierte bereits 1867 die erste Wasser- Zentralheizung in einem privaten Wohngebäude im schweizerischen Oberuzwil. Nebst dünneren, kostengünstigeren Rohrleitungen und einem gesteigerten Wohnkomfort brachte dieses neue Heizungssystem den für Wärmepumpen wichtigen Vorteiltieferer Vorlauf- temperaturen. Dies vermochte den Anforderungen einer Wärmepumpenheizung allerdings noch nicht zu genügen. Die ersten Warmwasser-Zentralheizungen wurden nämlich mit freier Konvektion ohne Umwälzpumpen betrieben. Dies funktioniert erst oberhalb von Vorlauf-temperaturen um 50°C einwandfrei.

Jacob Perkins, ein amerikanischer Erfinder, der in England lebte, hat 1834 die erste funktionierende Dampfkompressionsmaschine zur künstlichen Eisproduktion gebaut. Es wird angenommen, dass damit erstmals eine mechanische Kälteerzeugung erfunden wurde. Die Erfindung von Perkins blieb beinahe 50 Jahre lang unbekannt. Die mit Ether betriebene Kältemaschine enthielt aber die vier Hauptkomponenten einer modernen Kältemaschine: einen Kompressor, einen Kondensator, einen Verdampfer und ein Expansionsventil. Perkins hatte sehr weitreichende technische Interessen und befasste sich insbesondere auch mit Dampfmaschinen, dem Gravieren für die Banknotenherstellung, der Massenfertigung von Nägeln und der Herstellung eines Barometers. 1849 begann der Amerikaner Alexander C. Twining mit der Dampfkompressionskühlung und der Eisherstellung. 1855 präsentierte er die erste kommerzielle Eisproduktionsanlage. In Australien begann James Harrison mit Versuchen zur Dampfkompressionskühlung für die Herstellung von Eis. Er entwickelte 1856 den ersten praktisch einsetzbaren Kompressor und führte die Dampfkompressionskühlung in das Bierbrauen und die Fleischverpackung ein. 1861 waren bereits ein Dutzend seiner Maschinen im Einsatz.

Charles Tellier führte 1863 Methylether als Kältemittel ein. Auch die erste 1875 durch den Deutschen von Linde konstruierte Kältemaschine verwendete Methylether als Kältemittel. Sie wurde 1877 in einer Brauerei in Italien installiert [Linde 2004]. Der Amerikaner Thaddeus S.C. Lowe führte 1866 mit der Erfindung eines funktionierenden CO2 Kompressors Kohlendioxid als Kältemittel ein. 1867 patentierte er sein Kohlendioxid-Kältesystem. Es erfuhr allerdings erst nach 1990 zur Kühlung auf Schiffen einen grossen Erfolg und ersetzte dort die Luftexpansions-maschinen. In Amerika haben John Beath 1858 eine Anlage zur Eisherstellung mit einer Ammoniak – Dampfkompressionsmaschine und Francis DeCoppet 1869 einen doppelt wirkenden Ammoniak-Kompressor konstruiert. Der in Schottland geborene Amerikaner David Boyle baute seinen ersten Ammoniakkompressor 1873 im Alter von 23 Jahren! Die Maschinen
von Boyle entsprachen jenen eines geschickten Mechanikers. Der Schweizer Roul Pictet befasste sich als Professor in Genf mit der Verflüssigung von Gasen. Er führte 1874 Schwefeldioxid SO2 als Kältemittel ein. Dieses hatte den Vorteil, selbstschmierend zu wirken und es war auch unbrennbar. Allerdings entstand im Kontakt mit Feuchtigkeit schweflige Säure und anschliessend Schwefelsäure. Damit ergaben sich grosse Korrosionsprobleme. Erwähnenswert ist auch die Erfindung eines thermostatisch geregelten Kälteprozesses durch Peter Van der Weyde im Jahr 1870.

Der österreichische Ingenieur Peter von Rittinger versuchte als erster, die Idee der Brüden-kompression in einer kleinen Pilotanlage zu realisieren. Seine theoretischen Überlegungen aus dem Jahr 1855 ergaben gegenüber direkter Beheizung mit einer Holzfeuerung durch die Brüden-kompression eine mögliche Energieeinsparung von 80%. Er legte eine entsprechende Anlage aus und baute sie. Er realisierte damit die erste bekannte Wärmepumpe für reine Heizzwecke mit einer Leistung von 14 kW für die Saline Ebensee in Oberösterreich. Die Inbetriebnahme von Rittingers „Dampfpumpe“ erfolgte 1857. Aber es blieb mit seinem geschlossenen Kreislauf bei einem Experiment. Die technische Reife war noch nicht erreicht. Neben dem etwas eigenartigen geschlossenen Kreisprozess traten zu viele Prozessprobleme auf. Davon sind der ungeeignete Batch-Verdampfer mit zu zahlreichen Unterbrechungen für die Salzentnahme oder die Belagsbildung auf den Verdampferoberflächen durch Gips und Kalk zu erwähnen.

Während der Periode der Industrialisierung 1876-1918 wurden die Funktionsmuster der Pioniere auf der Basis einer rasch fortschreitenden wissenschaftlichen Durchdringung und dem Fortschritt der industriellen Produktion durch verlässlichere und besser ausgelegte Maschinen ersetzt. Die Kältemaschinen und Anlagen wurden zu industriellen Produkten und im industriellen Maßstab gefertigt. Die bedeutendste Persönlichkeit, die diesen Wandel einleitete, war der Deutsche Carl von Linde. Er war nicht nur ein talentierter Ingenieur und Unternehmer, sondern auch ein hervorragender akademischer Lehrer und Forscher. Im Mittelpunkt der Aktivitäten seines Münchner Instituts standen die praktischen Anwendungen. Bereits 1875 führte die Polytechnische Gesellschaft von München unter der Leitung von M.Schröter erste Vergleichstests mit Kältemaschinen durch.

Um 1900 lagen die meisten fundamentalen Innovationen der Kältetechnik bereits vor. 1918 gab es schon viele Kompressorhersteller in den U.S.A. und in Europa. In der Schweiz waren dies Escher Wyss in Zürich, Sulzer in Winterthur und die Société Genevoise in Genf [Thevenot 1979].

Zu jener Zeit blieben Wärmepumpen Visionen einiger Ingenieure. Der Schweizer Turbineningenieur Heinrich Zoelly7 hat als erster eine elektrisch angetriebene Wärmepumpe mit Erdwärme als Wärmequelle vorgeschlagen. Er erhielt dafür 1919 das Schweizer Patent 59350. Aber der Stand der Technik war noch nicht bereit für seine Ideen.

Vor und während dem zweiten Weltkrieg litt die Schweiz erneut unter einer ernsthaften Knappheitdes Kohlenachschubs und gab Anlass zu einem entschlossenen Bau weiterer Wasserkraftwerke vor und während des zweiten Weltkriegs und zu einer rationellen Verwendung der Hydroelektrizität oder der „weißen Kohle“, wie diese auch genannt wurde [Wirth 1941]. Der hohe technische Stand des schweizerischen Wärmekraftmaschinenbaus war ein weiterer Grund, weshalb die Schweiz zu einem Wärmepumpenpionierland wurde. Dieser wird etwa durch die Tatsache illustriert, dass Brown Boveri Baden im Jahr 1939 in der Stadt Neuenburg die weltweit erste industrielle Gasturbine in Betrieb nahm.

Raumheizen durch Nutzen der Abwärme von Kälteanlagen in Eisbahnen und Brauereien wurde bereits in der Mitte der 1930er Jahre praktiziert. Zwischen 1938 und 1945 wurden in der Schweiz dann aber durch die Firmen Sulzer in Winterthur, Escher Wyss in Zürich und Brown Boveri in Baden 35 eigentliche Wärmepumpen gebaut und installiert. Diese Wärmepumpen wurden zur Raumheizung und für andere Niedrigtemperaturanwendungen (zum Beispiel Warmwasser- Bereitung oder Erwärmung von Hallenbad-Schwimmwasser) eingesetzt. Hauptwärmequellen für die Wärmepumpen waren Seewasser, Flusswasser, Grundwasser und Abwärme [Thevenot 1979], [Bauer 1944].

Auch nach dem zweiten Weltkrieg blieben die Wärmepumpen in der Schweiz ein wichtiges Thema. Die Inbetriebnahme zahlreicher Wärmepumpen veranlasste den Schweizerischen Bundesrat zu einem Rundschreiben an alle Kantone. In diesem wurde nach der Notwendigkeit eines landesweiten Gesetzes zur Wärmeentnahme aus Oberflächengewässern gefragt. Weiter forderte das Rundschreiben die Kantone dazu auf, den Bund über Wärmepumpenanlagen mit
Flusswasser als Wärmequelle zu informieren und einen Nutzungszonenplan aufzustellen. Im Interesse der Unabhängigkeit von Brennstoffimporten empfahl der Bundesrat den Kantonen, auf die Erhebung von Gebühren für die Wärmeentnahme zu verzichten [Bundesrat 1949]. 1955 gab es in der Schweiz rund 60 Wärmepumpen. Die größte unter ihnen erreichte eine Wärmeleistung von 5.86 MW.

In den U.S.A. wurde 1930 eine Wärmepumpe in ein Haus in Tucson/Arizona eingebaut. Es gab aber in den U.S.A. noch weitere Wärmepumpeninstallationen: 1932 wurde ein Bürogebäude der Southern California Edison Company in Los Angeles mit einer 420 kW Klimaanlage ausgerüstet. Diese diente vornehmlich zur Raumkühlung - aber zu rund einem Viertel der Leistung auch der Raumheizung. Die Leistungszahl für die Raumheizung lag bei 9°C / 23.5°C nur bei bescheidenen 2 [Ostertag 1946], was einem Lorenz-Wirkungsgrad von lediglich 9.8% entsprach. Willis Carrier installierte 1932 seine erste Wärmepumpe im Hauptbüro der „Uji utility“ in Japan. Frigidaire demonstrierte 1933 an der Weltausstellung "Century of Progress" von Chicago die Ganzjahresklimatisierung in Einfamilienhäusern [Nagengast et al. 2006]. Bis 1940 wurden in den U.S.A. weitere rund 40 „Wärmepumpen“ im Leistungsbereich von 25 kW bis
1'200 kW installiert. Diese offerierten als Zusatz zur obligaten Sommerkühlung auch eine Heizung im Winter – allerdings mit sehr bescheidener Effizienz. Aber diese „Wärmepumpen“ blieben vor 1938 eine Kuriosität. Effizienzvergleiche der Kompressions-Klimatisierungssysteme in der Ohio Power Company in Portsmouth (Luft/Luft) und in Coshocton (Wasser/Luft) zeigten auch 1940 recht geringe Effizienz [Ostertag 1946], [Thevenot 1979], [Groff 2005].

Um 1945 hat Robert C. Webber, ein Angestellter der „Indianapolis Power & Light Co“, mit seinem
Tiefgefrierapparat experimentiert. Er senkte die Temperatur im Gefrierraum ab und verbrannte
sich dabei beim Berühren der Wärmesenkenseite beinahe die Hände. Er nutzte darauf diese sonst verlorene Wärme zum Aufheizen des Zulaufs zu seinem Warmwasserboiler und produzierte so mehr Warmwasser als seine Familie brauchen konnte. Es blieb immer noch Abwärme übrig und deshalb leitete er warmes Wasser durch ein zylindrisch gewickeltes Rohr.
Durch diesen blies er mit einem kleinen Ventilator Luft und konnte damit Kohle zur Raumheizung
sparen. Webber war so erfreut über diese Ergebnisse, dass er beschloss, eine richtige Wärmepumpe zur Versorgung seines ganzen Hauses zu bauen. Dabei kam er auf die Idee, Wärme aus dem Erdboden mit einer über das ganze Jahr recht konstanten Temperatur zu entziehen. Er verlegte 152 m Kupferrohr zwei Meter unter der Erdoberfläche und liess das FCK-Kältemittel direkt in diesen Rohren verdampfen. Damit war die erdgekoppelte Wärmepumpe mit direkter Kältemittelverdampfung geboren. Die elektrische Wärmepumpe hatte eine Antriebsleistung von 2.2 kW. Die Wärme wurde im Haus durch ein Warmluftsystem verteilt. Im darauf folgenden Jahr hat Webber seinen alten Kohleofen verkauft. In Kanada wurde die erste erdgekoppelte Wärmepumpe 1949 installiert [Sanner 1992], [IGSHPA 2007].

Für die Fenster- und Wandklimageräte zur Raumkühlung und flammenlosen Heizung gab es in den U.S.A. rasch eine grosse Nachfrage. Um 1947 waren davon bereits 43’000 Einheiten verkauft [Nagengast et al. 2006]. Aber es gab wie oben erwähnt auch grössere Installationen, wie die Wärmepumpe zur Kühlung und Heizung des Equitable Building (ein Bürogebäude mit 14 Stockwerken) aus dem Jahr 1948 [ASME 80].

T.G.N. Haldane baute 1927-1928 in England die erste Wärmepumpen-Klimatisierungsanlage zum Beheizen seines Büros in London und seines Hauses in Schottland. Ab 1946 wurden einige Wärmepumpenprototypen installiert (1948 waren es ein Dutzend). Davon sei die Wärmepumpe erwähnt, mit der die Festhalle für die britischen Feiern zum Kriegsende beheizt wurde. Dieser diente die Themse als Wärmequelle und der Kompressor wurde durch ein mit Stadtgas betriebenes Düsentriebwerk angetrieben [Thevenot 1979]!

In den 1950er und 1960er Jahren fielen die Ölpreise stetig. Dadurch wurden in kälteren Klimazonen alle Wärmepumpenaktivitäten zu reinen Raumheizzwecken stark gebremst. Daraus ergab sich leider auch eine Stagnation in der Weiterentwicklung der Wärmepumpen. Eine weitere Folge war auch ein Stillstand in deren Marktdurchdringung, da in dieser Periode für Wärmepumpen im Allgemeinen keine akzeptablen Amortisationszeiten mehr erreichbar waren. Bis zum Erdölembargo im Jahr 1973 waren Wärmepumpeninstallationen deshalb auch Spezialfälle mit besonders günstigen Randbedingungen beschränkt.

Weltweit wurde 1979 die Anzahl an Wärmepumpen zu Heizzwecken (einschließlich Warmwasserboiler) auf rund 800’000 und die Anzahl der Wärmepumpen zur Klimatisierung mit Kühlen und Heizen auf 4’000'000 geschätzt. Unter den Wärmepumpen zu Heizzwecken erreichten die U.S.A. einen Anteil von 90%. Jener von Europa betrug nur rund 6.5% und teilte sich wie folgt auf: Schweiz 6'600, Deutschland 30’000 (ohne Wärmepumpenboiler nur rund 500), Frankreich 13'000, Österreich 2'000, Italien 100. [Barclay J.A. et al 1978], [IEA 1980].

In der letzten Periode wurden kostengünstigere, effizientere und sehr verlässliche Wärmepumpen verfügbar. Die zunehmenden Umweltprobleme sind der Idee der Einsparung von Primärenergie durch Wärmepumpen förderlich. In einer Zeit mit stark steigenden Ölpreisen bedeutet dies aber auch immer höhere Energiekosteneinsparungen durch Wärmepumpen.

Anmerkung: Auszug eines Beitrages von Martin Zogg für das Schweizer Bundesamt für Energie und erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit und Fehlerfreiheit.

 
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