Aerothermische Energie ist eine fortschrittliche Technologie, die die in der Luft enthaltene Energie nutzt, um Gebäude zu heizen, zu kühlen und Warmwasser bereitzustellen.
Es handelt sich um eine effiziente und nachhaltige Energieform, da sie eine erneuerbare und praktisch unerschöpfliche Quelle nutzt: die Außenluft.
Was ist aerothermische Energie?
Aerothermische Energie basiert auf dem Einsatz von Wärmepumpen, Geräten, die Wärmeenergie mithilfe eines umgekehrten Kühlkreislaufs von einem Ort zum anderen übertragen. Diese Systeme können auch bei kalten Bedingungen Wärme aus der Außenluft auffangen und in das Innere eines Gebäudes übertragen, um es zu heizen. Ebenso können sie dem Inneren eines Gebäudes Wärme entziehen und diese nach außen abgeben, um die Umgebung zu kühlen.
Thermodynamische Prinzipien in der aerothermischen Energie
Um zu verstehen, wie eine aerothermische Wärmepumpe funktioniert, ist es wichtig, die Grundprinzipien der Thermodynamik zu kennen, die an ihrem Betrieb beteiligt sind:
- Erster Hauptsatz der Thermodynamik (Energieerhaltung) : Dieses Gesetz besagt, dass Energie weder erzeugt noch zerstört wird, sondern nur von einer Form in eine andere umgewandelt wird. In einer Wärmepumpe wird Wärmeenergie durch einen Kompressions- und Expansionszyklus eines Kältemittels von der Außenluft in das Gebäudeinnere (oder umgekehrt) übertragen.
- Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik : Dieses Gesetz besagt, dass Wärme immer auf natürliche Weise von einem heißen Körper zu einem kalten Körper fließt. Durch den Einsatz elektrischer Energie (Arbeit) kann eine Wärmepumpe diesen natürlichen Fluss jedoch umkehren, indem sie einer kalten Quelle (Außenluft im Winter) Wärme entzieht und sie an eine warme Quelle (das Innere des Gebäudes) überträgt.
Betrieb der Luftwärmepumpe
Nachdem wir nun die beiden Gesetze der Thermodynamik kennen, die in unseren Prozess eingreifen, werden wir die Funktionsweise dieser Wärmemaschinen analysieren.
Der Betrieb einer aerothermischen Wärmepumpe basiert auf einem thermodynamischen Kreislauf, der aus vier Hauptprozessen besteht: Verdampfung, Kompression, Kondensation und Expansion. Schauen wir uns jeden von ihnen an:
- Verdampfung (endothermer Prozess) : Der Kreislauf beginnt im Verdampfer, wo das Kältemittel Wärme aus der Außenluft aufnimmt. Obwohl die Luft kalt ist, hat das Kältemittel eine noch niedrigere Temperatur, wodurch Wärme in das Kältemittel strömen kann, wodurch es verdampft und in Gas übergeht.
- Kompression (adiabatischer Prozess) : Das gasförmige Kältemittel wird zum Kompressor geleitet. Hier wird es komprimiert, wodurch sich seine Temperatur und sein Druck erhöhen. Dieser Vorgang erfordert mechanische Arbeit, die normalerweise von einem Elektromotor geleistet wird.
- Kondensation (exothermer Prozess) : Das heiße Hochdruckgas bewegt sich zum Kondensator, wo es seine Wärme durch Wärmeleitung über einen Wärmetauscher an das Heizsystem des Gebäudes (Wasser oder Luft) überträgt. Wenn Wärme verloren geht, kondensiert das Kältemittel und verwandelt sich von einem Gas in eine Flüssigkeit.
- Expansion (adiabatischer Prozess) : Schließlich passiert das flüssige Kältemittel ein Expansionsventil, wo sein Druck drastisch abnimmt. Dadurch sinkt auch seine Temperatur, was ihn darauf vorbereitet, zum Verdampfer zurückzukehren und den Zyklus neu zu starten.
Energieeffizienz
Die Effizienz einer Wärmepumpe wird anhand des Leistungskoeffizienten (COP) gemessen, der das Verhältnis zwischen der dem Gebäude zugeführten Wärmeenergie und der von der Wärmepumpe verbrauchten elektrischen Energie darstellt. Ein hoher COP weist auf eine höhere Effizienz hin.
Ein COP von 4 bedeutet beispielsweise, dass die Wärmepumpe für jede verbrauchte Einheit elektrischer Energie vier Einheiten thermische Energie liefert.
Vorteile und Nachteile
Aerothermische Energie hat mehrere Vorteile:
- Energieeffizienz : Luftwärmepumpen sind sehr effizient, mit COPs, die je nach Bedingungen zwischen 3 und 5 liegen können.
- Vielseitigkeit : Sie können mit demselben System Heizung, Kühlung und Warmwasser bereitstellen und sich so an unterschiedliche Bedürfnisse im Laufe des Jahres anpassen.
- Wirtschaftliche Einsparungen : Trotz der Anfangsinvestition sind die Einsparungen bei den langfristigen Energiekosten erheblich.
Obwohl Aerothermie viele Vorteile hat, hat sie auch einige Nachteile:
- Wetterbedingungen : Die Effizienz von Wärmepumpen kann in extrem kalten Klimazonen abnehmen, obwohl die fortschrittlichsten Technologien darauf ausgelegt sind, auch unter widrigen Bedingungen effizient zu arbeiten.
- Anschaffungskosten : Die Installation eines aerothermischen Systems kann teuer sein, obwohl Beihilfen und Subventionen dieses Problem abmildern können.
- Platz : Außengeräte benötigen ausreichend Platz für die Installation.
Vergleich mit Solarthermie
Aerothermische Energie und Solarthermie sind effiziente und nachhaltige Technologien zur Klimatisierung und Warmwasserbereitung.
Einerseits zeichnet sich die aerothermische Energie durch ihre hohe Effizienz aus, mit einem Leistungskoeffizienten (COP) zwischen 3 und 5, der es ihr ermöglicht, ein Vielfaches an Wärmeenergie zu erzeugen, als bei elektrischer Energie verbraucht wird. Es ist vielseitig einsetzbar, da es unabhängig vom Sonnenlicht für Heizung, Kühlung und Warmwasser sorgen kann und weniger Wartung erfordert. Allerdings kann seine Effizienz in kalten Klimazonen abnehmen und die anfänglichen Installationskosten sind hoch.
Andererseits nutzt Solarthermie die Sonnenstrahlung, eine kostenlose und erneuerbare Energiequelle, stößt keine Treibhausgase aus und die Betriebskosten nach der Installation sind niedrig. Es ist ideal für die Warmwasserbereitung und Heizung in sonnigen Regionen, hängt jedoch von der Verfügbarkeit des Sonnenlichts ab und muss in kalten Klimazonen möglicherweise vor dem Einfrieren geschützt werden. Darüber hinaus erfordert es eine regelmäßige Wartung und ausreichend Platz für die Solarkollektoren, was ebenfalls mit hohen Anschaffungskosten verbunden ist.
Im Vergleich dazu ist Aerothermie bei verschiedenen klimatischen Bedingungen zuverlässiger und besser für den ganzjährigen Einsatz geeignet, während Solarthermie in sonnigen Klimazonen hocheffizient ist, bei der Kühlung und in kalten Klimazonen jedoch weniger effektiv ist.