Geschichte der Wärmepumpe

Ursprünglich war der Wunsch nach Tiefkühlung der ausschlaggebende Grund dafür, sich im Jahre 1755 mit der Entwicklung von Wärmepumpen zu befassen. Bei den ersten Versuchen von William Cullen (* 15. April; † 5. Februar 1790), einem Mediziner und Chemiker, wurde Wasser unter Zuhilfenahme von Vakuum gefroren. Ein kontinuierlich arbeitender Gesamtprozess wurde nicht entwickelt.

Erst 22 Jahre später, im Jahr 1777, wurden die Prinzipien der Absorption entdeckt und verstanden. Der erste zuverlässig arbeitende Kühlschrank, mit wesentlichen Teilen der Kaltdampfmaschine, wurde 1834 von Jacob Perkins (* 9. Juli 1766; † 30. Juli 1849) mit einem mechanisch arbeitenden Kompressor gebaut. Diese Fortschritte wurden in seinem Patent Nr. 6662 „Apparatur for Producing Cold and Cooling Fluids“ eingereicht. Das explosive Kältemittel Äthyläther behinderte die Weiterentwicklung, sodass erst nach seinem Tod das wirtschaftliche Interesse an dieser Erfindung stark anstieg (Bild dieser Erfindung kann in [10] eingesehen werden, darf aus Copyrightgründen hier nicht veröffentlicht werden).

1840 wurde von John Leslie eine auf Perkins Patentschrift basierende funktionierende Eismaschine gebaut. Daraufhin wurde 1850 von Carré eine auf Schwefelsäure und Wasser als Arbeitsmittel basierende Eismaschine industriell hergestellt. In der Weiterentwicklung wurde von Carré das Arbeitsmittelpaar durch Ammoniak und Wasser ersetzt und in seinem Patent 1859 niedergeschrieben. In diesem und den folgenden Patenten beschrieb F. Carré zum einen periodisch arbeitende Maschinen für sehr kleine Leistungen und zum anderen Maschinen mit großen Leistungen. Diese Patente legten den Grundstein für weitere Entwicklungen und waren die ersten industriell bedeutsamen.

Ab 1850 war auch die erste kontinuierlich arbeitende Absorptionskältemaschine, mit dem Arbeitsmittelpaar Schwefelsäure und Wasser, von James Harrison entwickelt worden.

William Thomson, auch 1. Baron Kelvin genannt, konnte 1852 nachweisen, dass Kältemaschinen eher zum Heizen als zum Kühlen eingesetzt werden können. In seiner Veröffentlichung „Heating Machine“ wurde nachgewiesen, dass bei einer motorbetriebenen Wärmepumpe weniger Primärenergie aufzuwenden ist, als bei einer direkten Heizung.

Im Großkältemaschinenbau kam die kontinuierlich arbeitende Absorptionsmaschine zum Einsatz, die in industriell bedeutungsvoller Ausführung erstmals von Ferdinand Carré im Jahr 1857 gebaut wurde. Diese Apparatur war neben seiner immensen Größe auch noch mit einer Lösungspumpe zur Förderung der reichen Lösung aus dem Absorber in den Austreiber ausgestattet. Diese Erfindung führte zu einer Weiterentwicklung mit dem Arbeitsmittelpaar Ammoniak und Wasser.

Abbildung 6: Wärmepumpe nach William Thomson [4]

Ein weiterer Pionier im Bereich der Absorptionskältemaschinen war Charles Tellier, der 1864 seine erste Anlage mit Methyläther als Kältemittel baute und die Verwendung von Ammoniak als Kältemittel plante. Durch den Einsatz von Ammoniak und Wasser gab es sehr viel höhere Drücke innerhalb der Maschinen, sodass Undichtigkeiten und Kältemittelverluste auftraten.

Die Entwicklung der Wärmepumpen wurde weitergeführt, bis 1927 der erste automatische Kühlschrank in Deutschland für den Hausgebrauch auf dem Absorptionsprinzip erhältlich war. Die Firma Carrier Corporation begann 1940 mit der Forschung an einer Lithiumbromid/Wasser-Absorptionskälteanlage und führte 1945 die erste große Anlage ein. Diese Einheiten wurden auf 100-700 Tonnen Kapazität ausgelegt und arbeiteten mit Niederdruckwasserdampf als Wärmequelle.

Heutzutage ist in nahezu jedem Wohnmobil ein Absorptionskühlschrank verbaut, um unabhängig von elektrischer Versorgung zu sein. Bei diesen Kühlschränken wird die benötigte Wärme durch Gas erzeugt. Des Weiteren werden diese Kühlschränke auch in Hotelzimmern eingesetzt, hier allerdings mit elektrischer Energie versorgt, und garantieren die gewünschte Geräuschlosigkeit bei kontinuierlicher Kühlung.

Seit wenigen Jahren sind Absorptionswärmepumpen für den häuslichen und industriellen Gebrauch im Bereich von wenigen Kilowatt bis zu mehreren Megawatt verfügbar. Diese gibt es in unterschiedlicher Ausführung für verschiedene Einsatzbereiche. Reine Wärmepumpendienen dem Heizen, Kühlen oder einer Kombination  von beidem.[4, 6, 9, 10]