Komponenten der Wärmepumpen Luft Erde Wasser

Kompressionswärmepumpe

Im Prinzip sind die Hauptbauteile aller Kompressionswärmepumpen gleich: Verdampfer, Kompressor, Kondensor, Expansionsventil (mit vorgeschaltetem Sammler, Filtertrockner und Schauglas). Diese Komponenten sind im geschlossenen Kreislauf durch druckfeste Leitungen mit Kältemittelfüllung verbunden. Der Kompressor enthält Kältemaschinenöl zur Schmierung.

Wärmepumpe KomponentenHinzu kommen Sicherheits- und Regelungsvorrichtungen, z.B. Druck- und Temperaturwächter und bei der Luftwärmepumpe ein leistungsfähiger Ventilator (Gebläse, Lüfter) am Verdampfer. Auf der Seite Funktionsprinzip wird das Zusammenwirken aller Komponenten beschrieben. Bei allen Bauteilen, Baugruppen und Apparaten sind die verschiedensten Bauweisen und Formen anzutreffen.

Die Unterschiedlichkeit der Wärmepumpen und oft auch ihrer Preise ist konstruktionsbedingt, fabrikationsbestimmt und abhängig von Wärmequelle, Wärmesenke, Verwendung und Größe der Wärmepumpe. Ursächlich für die Modellvielfalt ist nicht zuletzt auch die große Zahl an Herstellern .

1. Verdampfer

Der Verdampfer ist ein Wärmeaustauscher. In ihm wird Wärme von der Wärmequelle an das Kältemittel übertragen, entweder direkt und verlustarm, z.B. aus Luft bzw. bei Erdkollektor- Direktverdampfung, oder durch ein Wärmeträger-Zwischenmedium, zum Beispiel Sole. Das Kältemittel gelangt flüssig in den Verdampfer und wird durch Zufuhr von Umgebungswärme verdampft. Die Verdampferbauarten sind je nach Wärmequelle bzw. Wärmeträgermedium unterschiedlich.

Bei direkter Nutzung der Wärmequelle Außenluft bläst in der Regel ein Ventilator die Luft über die Verdampferoberfläche. Der Verdampfer ist in diesem Fall als Lamellenrohrschlange oder Lamellenrohrregister ausgeführt. Die Lamellen dienen dazu, die Wärmeaustauschfläche luftseitig zu vergrößern. Der Abstand der Lamellen voneinander ist so bemessen, daß auch bei Reifansatz noch eine ausreichende Luftströmung gewährleistet ist.

2. Kompressor (Verdichter)

2.1 Der Kompressor saugt den Kältemitteldampf aus dem Verdampfer an und verdichtet ihn auf einen höheren Druck, wobei gleichzeitig ein starker Temperaturanstieg erfolgt. Eventuell mögliche Störungen im Verdichter durch restliche Flüssigkeitsteilchen werden durch leichte Überhitzung des Kältemitteldampfes vermieden.

Als Kompressoren können ganz verschiedene Bauarten zum Einsatz kommen. Anfang der 1980er Jahre dominierten in diesem Bereich noch die für die Anwendung in der Kältetechnik entwickelten Hubkolben-Kompressoren. In den letzten Jahren wurden ganz speziell für den Wärmepumpenbetrieb entwickelte Kompressoren auf den Markt gebracht, wodurch die Leistungszahl der Wärmepumpe erheblich verbessert werden konnte. Heutzutage werden standardmäßig überwiegend Scroll-Verdichter verwendet. Kompressorbauarten und Verdichter für Wärmepumpen sind:

  • Turboverdichter  (h, o)
  • Hubkolbenverdichter  (v, h, o)
  • Schraubenverdichter  (v, h, o)
  • Scroll-(Spiral-)Verdichter  (v, o)
  • Rollkolbenverdichter  (v)

v = vollhermetisch: Verdichter und Elektromotor sind in eine gasdicht verschweißte Kapsel eingebaut.

h = halbhermetisch: Verdichter und Elektromotor sind in ein verschraubtes Gehäuse eingebaut

o = offen: Verdichter und Motor sind getrennt und über eine Kupplung verbunden. Diese Bauweise mit Gleitringdichtungen wird auch bei Verbrennungsmotoren als Antrieb eingesetzt.

2.2 Der Kompressormotor treibt den Verdichter an und benötigt hierzu entweder elektrische Energie (Strom für Elektromotor) oder chemische Energie (Brennstoffe Gas bzw. Dieselöl für Verbrennungsmotor). Die Abwärme der Motoren wird genutzt. Die zum Antrieb heutiger Wärmepumpen-Verdichter verwendeten Elektromotoren setzen die zugeführte elektrische Energie mit Wirkungsgraden von weit über 90% in mechanische Energie zum Antrieb des Kompressors um. Die Verluste von weniger als 10% werden als Wärme im Gehäuse vom Kältemitteldampf aufgenommen und verwertet. Bei den Verbrennungsmotoren wird die im Brennstoff enthaltene chemische Energie mit nur mäßigen Wirkunggraden von circa 30% in mechanische Energie zum Antrieb des Kompressors umgewandelt. Die als ungefähr 70% Verlust entstandene Wärme bewirkt jedoch über zusätzliche Wärmeaustauscher (Ölkühler, Kühlwasser-Wärmetauscher, Abgas-Wärmetauscher) letztendlich Gesamtnutzungsgrade von gut 90%, indem die Wärme entweder dem Heizungswasser zugeführt wird oder zur Bereitung von Heißwasser in einem separaten Hochtemperatur-Kreislauf genutzt wird.

Bei der Beheizung von Ein- und Zweifamilienhäusern mit Wärmepumpen dominieren derzeit noch die Elektrowärmepumpen. Hierfür sind kaum Leistungsgrößen von Wärmepumpen mit Gas- oder Dieselmotorantrieb anzutreffen bzw. nur wenige, noch nicht genügend ausgereifte Modelle auf dem Markt. Grundsätzlich haben diese Verbrennungsmotor-Wärmepumpen den Vorteil, daß sie mit der Nutzung der Motorabwärme generell höhere Temperaturen (bis über 100°C) liefern können als Wärmepumpen mit elektrisch angetriebenen Verdichtern, aber ihre Nachteile sind zur Zeit noch die höhere Investition, erhöhter Motoren-Wartungsaufwand, die Schadstoffemissionen vor Ort und das bereits erwähnte Fehlen kleiner Geräte fürs Eigenheim.

Die ohne motorisch angetriebenen Verdichter und somit ohne Kompressor arbeitenden Gas- Absorptionswärmepumpen wie auch einige andere interessante Systeme werden auf der Seite Bauarten+Eignung exemplarisch beschrieben.

3. Kondensor (Verflüssiger, Kondensator)

Der Kondensor ist ein Wärmeaustauscher. Indem das heiße Kältemittelgas darin verflüssigt wird, gibt es seine Wärme an das Heizungswasser bzw. Brauchwasser ab und erwärmt diese. Das kondensierte, verflüssigte Kältemittel gelangt durch das Expansionsventil wieder zurück in den Verdampfer.

Die Bauformen der Kondensoren sind ähnlich denen von Verdampfern: Lamellenrohr-, Topf-, Koaxial- und Rohrbündel-Kondensoren. Für Heizwasser verwendet man heute meistens Plattenwärmetauscher aus Edelstahl, für Brauchwasserwärmepumpen werden zum Teil Spiralrohrkondensoren verwendet, die direkt in das aufzuheizende Wasser eintauchen.

Bei Heizungswärmepumpen mit zwei Kondensoren fungiert einer zur Warmwasserbereitung, und einer versorgt die eigentliche Heizung mit Wärme. Üblich ist, beide in Serie zu schalten.

4. Expansionsventil (Drosselorgan)

Mit dem Expansionsventil wird das Kältemittelkondensat vom Kondensordruck auf den Verdampferdruck entspannt. Im Carnot-Prozeß ist hier eigentlich eine Entspannungsmaschine vorgesehen, mit der die bei dieser Entspannung frei werdende Energie zurückgewonnen werden kann. Wegen des relativ kleinen Betrags an rückgewinnbarer Energie wird diese Entspannungsmaschine bei Wärmepumpen durch eine einfache Drossel beziehungsweise durch das Expansionsventil ersetzt.

Diese Expansionsorgane regeln die Menge des in den Verdampfer einströmenden Kältemittels so, daß dieses leicht überhitzt wird und am Austritt das gesamte Kältemittel verdampft ist, um den Kompressor vor „Flüssigkeitsschlägen“ zu schützen. Sehr unterschiedliche Ausführungen sind anzutreffen, von der einfachen nicht regelbaren aber billigen Kapillare (statt eines Ventils) über das thermostatische Expansionsventil, das die Kältemittelmenge über eine kombinierte Druck- und Temperaturmessung am Verdampferaustritt regelt, bis zum elektronisch optimalgesteuerten Expansionsventil, das eine bessere Anpassung des Kältemittelkreislaufs an die verschiedenen Betriebszustände der Wärmepumpe ermöglicht. Dabei ist bei entsprechenden Anschlüssen moderner Geräte die Möglichkeit der elektronischen Datenübertragung zur zentralen bzw. fernbedienbaren Regelung und Steuerung zusätzlich vorteilhaft. 

5. Kältemittel (Arbeitsmittel)

Das Kältemittel strömt im geschlossenen Kreislauf durch die leitungsverbundenen vier Baugruppen der Kompressionswärmepumpe. Im Kreisprozeß transportiert es Wärme vom Verdampfer zum Verflüssiger (Kondensor). Seine physikalischen Eigenschaften haben einen entscheidenden Einfluß auf Konstruktion, Funktion, Einsatz und Leistung der Wärmepumpe.

Seit den 30er Jahren des vorigen Jahrhunderts wurden zumeist Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) als ungiftige, nicht brennbare Arbeitsmittel in der Kälte- und Wärmepumpentechnik eingesetzt. Wegen der Zerstörung der lebenswichtigen Ozonschicht in der Erdatmosphäre durch entweichende FCKW-Gasmoleküle wurden seit 1987 alle halogenhaltigen Kältemittel (FCKW und H-FCKW) weltweit schrittweise begrenzt bzw. ganz verboten (Halon-Verbot). Dazu zählen in Deutschland vor allem die Kältemittel R12, R114, R502 und ab 2010 auch vollständig R22, die allesamt meist bei Wärmepumpen bedeutend waren. In der EU ist der Verkauf von Wärmepumpen mit H-FCKW seit 2002 verboten. Allerdings tragen noch die gängigen teilfluorierten H-FKW beim Freiwerden zum Treibhauseffekt bei. 

Verschiedene Substanzen und Gemische ersetzen besonders schädliche Stoffe heutedurch relativ ungefährliche und klimafreundlichere zugelassene Kältemittel:

Fluorkohlenwasserstoffe (H-FKW)

wie R134a, R245fa, R326fa, R365, R404A, R407C, R410A, R507A

Kohlenwasserstoffe (KW)

wie R290 (Propan), R600A (Butan), R1270 (Propen) und Pentan, deren Einsatz allerdings wegen ihrer Brennbarkeit mit hohen Sicherheitsanforderungen verbunden ist.

Anorganische Kältemittel

wie R717 (Ammoniak = NH3), ein traditionell-klassisches Kältemittel, das bei Wärmepumpen nicht unproblematisch ist und bevorzugt bei Absorptions-Wärmepumpen mit dem Partnerstoff Wasser eingesetzt wird,

wie R744 (Kohlendioxid = CO2), ein fast ideales Kältemittel besonders für Wärmepumpen im Altbau- und Warmwasserbereich, weil es sehr hohe Vorlauftemperaturen in sogenannten CO2-Wärmepumpen mit etwas komplexerer Technik liefern kann, die in Deutschland in Probeanlagen laufen und in Japan in großen Stückzahlen eingesetzt werden,

wie R718 (Wasser = H2O) als Arbeitsmittel über dem Gefrierpunkt bei entsprechendem Klima und Einsatz mit geeigneter Wärmequelle. Wegen geringer Wärmeleistung des Wassers sind große Volumenströme zu komprimieren, z.B. durch Turboverdichter, die für sehr große Heizleistungen geeignet sind.

Die Normalsiedepunkte der wichtigsten genannten Kältemittel liegen, abgesehen vom Wasser mit 100°C, zwischen -26,3°C für R134a und -78,4°C für R744. Die Werte geben Aufschluß über Betriebsbereiche und Leistungsfähigkeit der Kältemittel z.B. bei niedrigen Temperaturen der Wärmequelle.

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