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Kompressionswärmepumpe

Die Kompressionswärmepumpe ist der gebräuchlichste Typ von Wärmepumpe. Sie enthält einen mechanischen angetriebenen Kompressor (Verdichter) und arbeitet nach dem folgenden Prinzip eines Kältekreislaufs:

• Ein zunächst flüssiges Kältemittel gelangt in den sogenannten Verdampfer. Dort wird der Druck mit dem Kompressor (der Kältemitel vom Verdampfer absaugt) niedrig gehalten, so dass das Kältemittel siedet, also verdampft. Hierbei kühlt sich das Kältemittel wegen der benötigten Verdampfungswärme ab. (Die mittlere Bewegungsenergie der Teilchen des Kältemittels und somit auch die Temperatur sinkt ab, da das Verdampfen Energie benötigt.) Da der Verdampfer als ein Wärmeübertrager ausgeführt ist, also einen Wärmeaustausch des Kältemittels mit dem genutzten kalten Reservoir ermöglicht, fließt nun Wärme vom kalten Reservoir (der genutzten Wärmequelle, etwa Sole oder Außenluft) in das Kältemittel, was dessen Abkühlung deutlich vermindert und das weitere Verdampfen erleichtert.

• Das verdampfte Kältemittel hat zunächst ungefähr die Temperatur des kalten Reservoirs. Es durchläuft dann aber den Kompressor (Verdichter, z. B. einen Schrauben-, Spiral-, Kolben-, oder Turboverdichter), der es auf einen wesentlich höheren Druck bringt. Hierdurch wird das Kältemittel wieder verflüssigt (kondensiert), und zwar in einem zweiten Wärmeübertrager, dem Kondensator (Verflüssiger). Dort gibt das Kältemittel Nutzwärme (vor allem Kondensationswärme) bei höherer Temperatur ab, z. B. an Wasser eines Heizkreislaufs. Die Verflüssigung trotz der im Kondensator höheren Temperatur ist möglich wegen der Druckerhöhung durch den Kompressor.
• Das nun wieder flüssige Kältemittel wird durch ein Drosselventil wieder in den Verdampfer geführt. Modernere Geräte enthalten ein elektronisch gesteuertes Expansionsventil, welches beispielsweise über einen Schrittmotor je nach Betriebszustand mehr oder weniger geöffnet werden kann. Dies ermöglicht eine bessere Optimierung der Leistungszahlen in wechselnden Betriebszuständen.

Überhitzung und Unterkühlung

Im Folgenden werden kurz weitere technische Details des Kältekreislaufs erklärt, die für eine hohe Effizienz und lange Lebensdauer einer Wärmepumpe wichtig sind.

Im Verdampfer sollte das Kältemittel vollständig verdampft werden, also keine Flüssigkeitströpfchen enthalten, die nämlich den Kompressor beschädigen könnten. Deshalb konstruiert man den Verdampfer so (etwa als Gegenstrom-Wärmeübertrager), dass das Kältemittel auf eine etwas höhere Temperatur gebracht wird als die Siedetemperatur für den dort herrschenden Druck. Dies nennt man Überhitzung und gibt quantitativ diese zusätzliche Temperaturerhöhung in Kelvin an. (Hier ist mit Überhitzung nicht etwa eine Überlastung gemeint wie in anderen Zusammenhängen.) Die Überhitzung, definiert als die Differenz der Temperatur des verdampften Kältemittels und der Siedetemperatur, kann im Betrieb ermittelt werden, wobei die Siedetemperatur aus dem gemessenen Druck ermittelt wird (mithilfe einer Dampfdrucktabelle).

Für eine optimale Funktion ist eine gewisse Überhitzung (typischerweise wenige Kelvin) nötig, während eine zu starke Überhitzung energetisch nachteilig wäre und auf verschiedenen Wegen auch zu Verschleiß oder Beschädigung z. B. des Verdichters führen kann. Eine angemessene Überhitzung erzielt man zunächst durch ein korrektes Design des Geräts. Bei modernen Wärmepumpen verwendet man oft zusätzlich noch eine automatische Regelung, da die Überhitzung auch stark vom Betriebszustand abhängig sein kann. Eine solche Überhitzungsregelung braucht einerseits eine Messung der Überhitzung mithilfe eines Temperatur- und eines Drucksensors (siehe oben) und andererseits darauf basierend eine automatische Veränderung von Betriebsparametern, etwa durch ein elektronisch gesteuertes Expansionsventil und/oder die Anpassung der Verdichterleistung.

Ein anderer Aspekt ist die Unterkühlung des Kältemittels im Kondensator. Hier geht es darum, im Interesse einer guten Leistung und Effizienz das Kältemittel möglichst vollständig zu kondensieren. Dabei ist es hilfreich, seine Temperatur einige Grad Kelvin unter die Kondensationstemperatur zu senken, wobei aber eine zu starke Unterkühlung diverse negative Auswirkungen haben kann.

Wiederum kann man den Grad der Unterkühlung messen mithilfe eines Temperatursensors und eines Drucksensors, wobei der Druck über die Dampftabelle die Kondensationstemperatur bestimmt. Da die Unterkühlung jedoch weniger kritisch ist als die Überhitzung, wird eine Unterkühlungsregelung seltener angewandt.

Diverse Probleme wie schlechte Effizienz oder Defekte durch Korrosion von Komponenten, Verstopfung von Leitungen oder Ausfalls des Verdichters können v. a. durch eine nicht angemessene Überhitzung entstehen. Eine zuverlässige Überhitzungsregelung ist deswegen sehr wichtig, vor allem bei Anwendungen mit stark wechselnden Betriebsparametern. Dies ist insbesondere bei Heizungswärmepumpen der Fall.

Wenn eine Wärmepumpe auf ein anderes Kältemittel angepasst wird (z. B. ein weniger klimaschädliches), müssen die Überhitzung und Unterkühlung entsprechend neu eingestellt werden.

Hochtemperatur- und Niedertemperaturstörungen

Wärmepumpen laufen in der Regel sehr wartungsarm und zuverlässig. Gelegentlich können jedoch Störungen auftreten, z. B. aufgrund bestimmter äußerer Einflüsse. Viele Störungen kann man folgendermaßen einordnen:

• Hochtemperaturstörungen sind solche, die mit der "heißen" Seite der Wärmepumpe zu tun haben, also mit dem Kondensator (Verflüssiger). Ein typischer Fall wäre, dass aufgrund einer ausgefallenen Heizungs-Umwälzpumpe oder aufgrund geschlossener Thermostatventile nicht genügend Durchfluss des Heizwassers auftritt, um die Wärme vom Kondensator abzuholen. Der Kondensator wird dann zu heiß, und entsprechend steigt auch der Druck. Die Steuerung wird die Wärmepumpe dann gewöhnlich abschalten und eben eine Hochtemperaturstörung anzeigen.
• Das Problem mit geschlossenen Thermostatventilen lässt sich vermeiden, indem man einen Pufferspeicher einsetzt, der ggf. überschüssigen Volumenstrom aufnehmen kann.
• Niedertemperaturstörungen betreffen die "kalte" Seite, also den Verdampfer. Typischerweise ist das Problem, dass dieser mangels Zufuhr von Umgebungswärme zu kalt wird, sodass der Druck des Kältemittels zu stark abfällt. Dies kann beispielsweise geschehen, wenn der Verdampfer einer Luft/Wasser-Wärmepumpe im Winter einfriert und die automatische Abtauung nicht funktioniert, oder wenn der Verdampfer-Lüfter ausfällt. Andere mögliche Ursachen sind ein Mangel an Kältemittel durch ein Leck sowie ein defektes oder verstopftes Expansionsventil.

Die Erkennung solcher Störungszustände kann über zwei Drucksensoren an der Wärmepumpe erfolgen.

Ölsumpfheizung

Kompressionswärmepumpen haben teils eine elektrische Ölsumpfheizung, die am Ölsumpf des Verdichters sitzt. Dort sammelt sich bei Stillstand ein wesentlicher Teil des Schmieröls des Verdichters. Indem man es etwas anwärmt, verhindert man, dass sich viel Kältemittel darin löst, was die Schmiereigenschaften verschlechtern und damit zu einem erhöhtem Verschleiß des Verdichters führen würde.

Für eine kleinere Wärmepumpenheizung (etwa für ein Einfamilienhaus) muss man mit einem durchschnittlichen Stromverbrauch von rund 10 bis 20 W durch die Ölsumpfheizung rechnen – allerdings nur in Zeiten des Stillstands, also vorwiegend außerhalb der Heizperiode. Dieser zusätzliche Standby-Verbrauch verschlechtert die Energiebilanz immerhin nicht substanziell. Im Interesse einer hohen Lebensdauer des Verdichters ist dieser Verbrauch hinzunehmen.

Energiebilanz; die Leistungszahl

Der Betrieb der Wärmepumpe braucht eine gewisse Antriebsleistung, z. B. in Form von elektrische Energie im Falle des (besonders gebräuchlichen) Antriebs des Kompressors mit einem Elektromotor. Je nach Temperaturverhältnissen, Qualität der Wärmepumpe etc. liegt die erzeugte Heizleistung z. B. 2 bis 10 mal höher als die Antriebsleistung. Dieser Faktor ist die Leistungszahl der Wärmepumpe. Die nutzbare Heizleistung ist nur geringfügig weniger als die Summe von Antriebsleistung und aufgenommener Leistung von Umweltwärme, weil nur ein geringer Teil der gewonnenen Heizwärme im Gerät verloren geht.

Je kälter das genutzte kalte Reservoir ist, desto schlechter funktioniert die Verdampfung im Verdampfer, und desto geringer ist die Wärmeausbeute im Kondensator. Je höher die Temperatur im Kondensator (die bei einer Wärmepumpenheizung im Wesentlichen durch die benötigte Vorlauftemperatur bestimmt ist), desto höher der notwendige Druck vom Kompressor, und desto höher ist deswegen auch die Leistungsaufnahme des Kompressors. Eine optimale Leistungszahl (Verhältnis zwischen erzeugter Nutzwärme und eingesetzter Energie) setzt also voraus, dass der Temperaturunterschied zwischen Nutzwärme und Umgebungswärme möglichst gering ist.

Diverse allgemeinere Aspekte werden im Artikel über Wärmepumpen erläutert.

Optionen für den Antrieb einer Kompressionswärmepumpe

Der Antrieb des Kompressors erfolgt in den weitaus meisten Fällen mit einem Elektromotor (→ Elektrowärmepumpe), der über das öffentliche Stromnetz (ggf. zeitweise auch mit eigenem Strom z. B. aus Photovoltaik) mit elektrischer Energie aus Kraftwerken betrieben wird.

Eine andere Möglichkeit ist der Einsatz eines Verbrennungsmotors, der z. B. mit Erdgas, Biogas oder Dieselkraftstoff betrieben wird, oder einer Gasturbine. Der Vorteil der Benutzung einer solchen Wärmekraftmaschine ist, dass deren Abwärme auch direkt der Nutzung zugeführt werden kann, während die Abwärmenutzung (Kraft-Wärme-Kopplung) bei großen Kraftwerken häufig nicht möglich ist. Allerdings ist der mechanische Wirkungsgrad dieser Anlagen meist deutlich geringer als der eines modernen Gaskraftwerks, so dass der Gesamtwirkungsgrad nicht unbedingt besser ist. Ein weiteres Problem ist, dass solche Anlagen häufig fossile Energieträger benötigen (z. B. Erdgas). Hinzu kommt, dass Verbrennungsmotoren und Turbinen teurer sind, mehr Wartung benötigen und eine niedrigere Lebensdauer aufweisen als Elektromotoren. Bei großen Anlagen wird dieser Ansatz aber häufig gewählt (z. B. mit einem Gasmotor für Biogas), während kleine Wärmepumpenanlagen fast nur als Elektrowärmepumpen ausgeführt werden.

Leistungsregelung

Bei vielen Wärmepumpen wird der Kompressor (Verdichter) mit einer konstanten Drehzahl betrieben. Wenn die dabei erzeugte Wärmeleistung zu hoch ist, wird die durchschnittliche Wärmeproduktion durch Taktbetrieb reduziert, d. h. der Antrieb der Wärmepumpe wird zeitweise abgeschaltet. Diese Art der Anpassung der Wärmeleistung an den Bedarf ist jedoch energetisch sehr ungünstig; viel besser ist es, eine echte Leistungsregelung einzusetzen. Ein inzwischen recht gebräuchlicher Ansatz ist die Regelung der Drehzahl von Elektromotoren in modulierenden Elektrowärmepumpen mit einem Umrichter (Inverter); solche Inverter-Wärmepumpen arbeiten im Teillastbetrieb – der beispielsweise für Heizungswärmepumpen sehr häufig auftritt – viel effizienter. Die etwas höheren Herstellungskosten von Inverter-Geräten lassen sich im Betrieb leicht amortisieren. Deswegen sollten ungeregelte Wärmepumpen für solche Anwendungen nicht mehr installiert werden. Der Artikel über Elektrowärmepumpen enthält weitere Details hierzu.

Kältemittel für Wärmepumpen

Als Kältemittel (Arbeitsgase) wurden früher vor allem Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) verwendet, die wegen ihrer ozonschädigenden Eigenschaften jedoch verboten wurden. Zunächst betraf dies nach dem Montreal-Protokoll von 1987 nur vollhalogenierte FCKW wie R-12 und R-114; ab 1994 wurden auch teilhalogenierte H-FCKW wie R-22 und Fluorkohlenwasserstoffe (FKW, z. B. R-134a), die ein wesentlich geringeres Ozonzerstörungspotenzial haben, in der Verwendung eingeschränkt. In Deutschland ist z. B. R-22 seit 2010 nur noch in Altanlagen einsetzbar; die für neue Wärmepumpen zulässigen Kältemittel haben allesamt kein wesentliches Ozonzerstörungspotenzial mehr. Leider sind aber die meisten davon wegen ihrer Treibhauswirkung erheblich klimaschädigend.

Eine typische neue Heizungswärmepumpe enthält rund 3 kg eines Kältemittels wie R-407C, welches einen GWP-Wert von 1774 hat. Dies bedeutet, dass das komplette Entweichen des Kältemittels ebenso klimaschädlich wäre (über 100 Jahre gerechnet) wie ca. 5,3 Tonnen CO₂ – vergleichbar mit der Verbrennung von 2000 Litern Heizöl. Dies kommt aber eher selten vor. Das Umweltbundesamt verwendet als groben Anhaltswert für die typischen Kältemittelverluste von Heizungswärmepumpen 2,5 % der Füllmenge pro Jahr; hierin sind auch Verluste bei der Entsorgung eingerechnet. Dieser Wert entspricht im obigen Beispiel einem Äquivalent von 133 kg CO₂ oder 51 Litern Heizöl pro Jahr. Daraus ergibt sich, das Kältemittel die Klimabilanz von Heizungswärme Pumpen deutlich, aber nicht dramatisch verschlechtern. Es ist anzustreben, die Verlustraten noch weiter zu reduzieren durch eine noch sorgfältigeren Umgang mit Kältemitteln und/oder den zunehmenden Einsatz klimaschonender Kältemittel.

Als klimaschonende Kältemittel kommen unter anderem nicht chlorierte oder fluorierte Kohlenwasserstoffe wie Propan, Propen und Butan in Frage. Diese sind jedoch brennbar und verursachen Brand- und Explosionsgefahren, wenn sie austreten; das schränkt ihre Verwendung ein. Andere mögliche "natürliche" Kältemittel sind Kohlendioxid (R-744), Ammoniak (R-717) sowie Wasser (R-718). Die Eignung verschiedener Substanzen hängt insbesondere von den relevanten Temperaturniveaus ab; beispielsweise eignet sich Wasser nur für Temperaturen über 0 °C im Verdampfer. Die erreichbaren Leistungszahlen sind ebenfalls unterschiedlich.

Die im Oktober 2016 beschlossene Erweiterung des Montreal-Protokolls dürfte den Einsatz klimaschonender Kältemittel in den nächsten Jahren deutlich beschleunigen. Schon heute gibt es Heizungswärmepumpen, die beispielsweise mit dem nicht klimaschädlichen Propan (R-290) arbeiten – vor allem außen aufgestellte Luft/Wasser-Wärmepumpen, wo die Explosionsgefahr im Falle eines Austritts des Kältemittels relativ gering ist. Bisher haben solche Geräte jedoch einen geringen Marktanteil von nur einigen Prozent.

Natürlich wäre für das Klima wenig oder nichts gewonnen, wenn zwar klimaschonende Kältemittel verwendet werden, diese aber wegen einer reduzierten Energieeffizienz der Wärmepumpe zu höheren CO₂-Emissionen durch den Betrieb führen würden. Jedoch gibt es durchaus sehr effiziente Wärmepumpen, die beispielsweise mit Kohlendioxid, Ammoniak oder Propan arbeiten.

Siehe auch: Wärmepumpe, Elektrowärmepumpe, Absorptionswärmepumpe, Kältemittel, Verdampfer, Kondensator, Leistungszahl, Jahresarbeitszahl