Wärmepumpe revolutioniert: Sie nutzt Schall statt Chemie
Ein Forscherteam hat eine Wärmepumpe ohne mechanisch bewegliche Teile entwickelt. Stattdessen funktioniert die Verdichtung über Schallwellen aus einem integrierten Lautsprecher. Das könnte den Beginn einer neuen Generation der Wärmepumpentechnologie darstellen.
Wärmepumpen sind effiziente Geräte, die der Umwelt Wärme entziehen und diese Energie in komprimierter Form wieder abgegeben können. Insofern eignen sie sich sowohl zur Wärmeerzeugung in Gebäuden als auch zum Kühlen. Das Prinzip findet in allen handelsüblichen Kühlschränken Anwendung.
Am Technion Israel Institute for Technology bauten Wissenschaftler nun den Prototyp einer thermoakustischen Wärmepumpe. Das System funktioniert mit einem intern verbauten Lautsprecher und Streifen von nassem Papier. Die Idee dahinter ist, dass anstelle von mechanischen Teilen Schallwellen zur Verdichtung im Kühlmittelkreislauf verwendet werden. Das gebaute Gerät ist ein Proof-of-Concept-Modell, mit dem die Projektbeteiligten zeigen konnten, dass thermoakustische Wärmepumpen Potenzial haben. Ähnliche Geräte sind bereits in der Vergangenheit gebaut worden, konnten sich aber aufgrund mangelnder Effizienz nicht durchsetzen. Lediglich in der Raumfähre Discovery verbauten die Ingenieure 1992 einen Kühlschrank auf Basis der Technologie.
Schallwellen zur Verdichtung von Stickstoff
Die Wärmepumpe beinhaltet ein mit Stickstoff gefülltes Metallrohr. An einem Ende befindet sich ein Lautsprecher, der Töne abgibt, welche das Gas im Rohr in Bewegung versetzen. Die Schallwellen erhöhen den Druck, sodass sich der Stickstoff abwechselnd komprimiert und wieder ausdehnt. Durch diesen Vorgang kann das Gas Energie abgeben und aufnehmen.
Dieser Aufbau ist aber im Grunde keine Neuheit. Doch nun ergänzten die Forscher um den leitenden Wissenschaftler Guy Ramon einen Stapel nasser Papierstreifen in dem Aufbau. Bei Ausdehnung und Komprimierung des Stickstoffs verdampft ein Teil des Wassers, wodurch sich das Gas weiter abgekühlt und somit insgesamt mehr Energie umgewandelt werden kann.
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Noch nicht so gut wie mechanische Systeme
Die Verbesserung im Vergleich zu bisherigen thermoakustischen Wärmepumpen kann sich sehen lassen. Rund dreimal effizienter entzieht das Gerät mit den nassen Papierstreifen Energie aus der Umwelt. Allerdings kommt das System noch nicht an die Effizienz von handelsüblichen Wärmepumpen mit mechanischen Verdichtern heran. Dennoch bietet die Wärmepumpe mit Lautsprecher den Vorteil, dass sie relativ einfach zu montieren ist und keine beweglichen Teile aufweist. Dadurch kann die Lebensdauer potenziell drastisch erhöht werden.
Der Prototyp wurde am 20. November auf der Jahrestagung der American Physical Society's Division of Fluid Dynamics im US-Bundesstaat Indiana vorgestellt. Die beteiligten Forscher erklärten, weiter an dem Gerät arbeiten zu wollen und so die Effizienz und den Aufbau der Anlage zu optimieren.
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Wärmepumpen funktionieren, genau wie Kühlschränke, mithilfe eines Kältemittelkreislaufs. Das Kältemittel wird erwärmt, bis es verdampft. Der Dampf wird anschließend in einem Kompressor verdichtet, wodurch sich die Temperatur des Kältemittels erhöht. Nun wird die Wärmeenergie mithilfe eines Wärmetauschers an den Heizkreislauf abgegeben. Nach der Wärmeabgabe liegt das Kältemittel wieder in flüssigem Zustand vor und der Kreislauf beginnt erneut.
Der Vorteil von Wärmepumpen ist, dass die Wärme prinzipiell aus Umweltwärme (Luft, Wasser oder Erdreich) gewonnen wird. Es ist zwar Strom für den Betrieb erforderlich, allerdings wird dieser nicht direkt zum Aufheizen genutzt. Dadurch kann mehr Wärmeenergie freigegeben werden, als elektrische Energie aufgewendet wurde.
Die Installation einer Wärmepumpe für die Zentralheizung oder für das Brauchwasser muss in jedem Fall ein Fachbetrieb übernehmen. Auf Wärmepumpen spezialisierte Betriebe finden Sie bei Heizungsfinder – Heizungsfinder vermittelt Ihnen Spezialisten in Ihrer Region.
