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Direktverdampfung und Direktkondensation

Definition: ein energiesparendes Verfahren bei Wärmepumpen und Kältemaschinen

Englisch: direct evaporation, direct condensation

Kategorie: Wärme und Kälte

Autor:

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 11.09.2016; letzte Änderung: 03.11.2018

Bei vielen Wärmepumpen wird die aus einem Medium aufgenommene Wärme zunächst beispielsweise auf eine Sole (eine frostgeschützte Wärmeübertragerflüssigkeit) übertragen und in einem weiteren Wärmeübertrager auf das Kältemittel. Da der Wärmeübergang in einem solchen Wärmeübertrager aber einen Temperaturverlust von typischerweise einigen Kelvin verursacht, muss die Wärmepumpe dann gegen eine entsprechend höhere Temperaturdifferenz arbeiten, was zulasten ihrer Leistungszahl und Jahresarbeitszahl geht. Um diesen Nachteil zu vermeiden, kann man auf das Verfahren der Direktverdampfung setzen. Hier geht es darum, den genannten Wärmeübertrager zu vermeiden, indem man das Kältemittel z. B. direkt durch eine entsprechend konstruierte Erdwärmesonde fließen lässt. (Hier wird also die Erdwärmesonde selbst zum Verdampfer.) Bei Luft/Wasser-Wärmepumpen und Luft/Luft-Wärmepumpen wird meistens die Direktverdampfung genutzt, bei Erdwärmesonden und Erdregistern dagegen eher selten.

Der Begriff Direktexpansion wird gleichbedeutend mit Direktverdampfung verwendet. Die Verdampfung des Kältemittels wird nämlich durch eine Expansion (eine Verminderung des Drucks) veranlasst.

Erdwärme-Wärmepumpenheizungen mit Direktverdampfer werden teils auch als Direkterdwärme-Systeme bezeichnet.

Die Technik der Direktkondensation wird weiter unten besprochen.

Vorteile und Nachteile der Direktverdampfung

Die folgenden Vergleiche beziehen sich auf Wärmepumpen zur Nutzung von Erdwärme, wo sowohl die Direktverdampfung als auch andere Verfahren möglich sind.

Der Hauptvorteil der Direktverdampfung ist wie oben erwähnt, dass die Wärmepumpe gegen eine geringere Temperaturdifferenz arbeiten muss und entsprechend energieeffizienter arbeiten kann.

Durch die Direktverdampfung entfällt zusätzlich auch der Bedarf für eine Solepumpe und deren Energieverbrauch. Man beachte hierbei, dass die erforderlichen Volumenströme bei der Beförderung von Wärme mit einer Sole wesentlich größer sind als bei direkter Beförderung des Kältemittels, welches latente Wärme transportiert, also effektiv eine wesentlich höhere spezifische Wärmekapazität hat.

Ein weiterer Vorteil kann sein, dass die oft relativ langwierige Entfernung von Luftblasen in einem Wasserkreislauf (z. B. einem Erdregister) entfällt.

Das Direktverdampfungsverfahren hat andererseits bei vielen Anwendungen den Nachteil, dass eine recht große Menge des Kältemittels benötigt wird. Beispielsweise ist die Füllmenge in einer Erdwärmesonde oder einem Erdregister sehr viel größer als die in einer kompakten Wärmepumpe mit Wärmeübertrager. Dies kann mehrere Probleme mit sich bringen:

  • Die große Menge des Kältemittels erhöht die Kosten hierfür.
  • Viele Kältemittel sind erheblich klimaschädlich; im Falle eines Lecks entsteht also ein besonders großer Schaden für das Klima. Zudem sind solche Leckagen natürlich wesentlich wahrscheinlicher, wenn das Kältemittel beispielsweise ausgedehnte unterirdische Leitungen eines Erdregisters durchläuft; beispielsweise könnte eine Leitung bei Grabungsarbeiten zerstört werden. Dieses Problem dürfte auch durch Verwendung zusätzlich geschützter Leitungen (etwa Kupferrohre mit einer Ummantelung aus Polyethylen) nicht wirklich eliminiert werden. Hinzu kommt, dass die Verlegung der das Kältemittel führenden Leitungen kaum mit einer gleich hohen Qualität wie bei der Montage einer Wärmepumpe unter kontrollierten Bedingungen im Werk erfolgen kann.
  • Es kann auch Probleme mit dem Grundwasserschutz geben, vor allem auch wegen des Schmieröls für den Verdichter, welches im Kältemittel enthalten sein muss. Übrigens ist auch eine besonders vorsichtige Anlagenauslegung nötig, um die stets ausreichende Schmierung des Verdichters zu gewährleisten. Sonst wird eventuell der Gewinn an Betriebssicherheit, der durch den Wegfall des Wasserkreislaufs mit Wasserpumpe entsteht, durch Probleme mit Verdichtern zunichte gemacht.

Trotz der größeren Gefahr einer wesentlichen Klimabelastung werden klimaschädliche Fluorkohlenwasserstoffe wie R-407c teils auch in Direktverdampfer-Wärmepumpen eingesetzt.

Ein für Direktverdampfer-Wärmepumpen besonders geeignetes Kältemittel ist Kohlendioxid (CO2), welches immerhin weitaus weniger klimaschädlich ist als viele Fluorkohlenwasserstoffe. Es weist zudem etliche vorteilhafte wärmetechnische Eigenschaften auf. Ein Nachteil sind jedoch die sehr hohen auftretenden Drucke, die entsprechend widerstandsfähige Erdwärmesonden notwendig machen.

Im Prinzip kann die Fläche beispielsweise eines Erdregisters etwas geringer ausfallen, wenn die Energieeffizienz durch Direktverdampfung erhöht ist. Damit wird dann die Füllmenge des Kältemittels entsprechend reduziert, allerdings auch wieder ein Teil der sonst gewonnenen Energieeffizienz verloren. Zudem erhöht sich die Gefahr, dass sich das Erdreich im Laufe einiger kalter Wochen zu stark abkühlt und die Effizienz der Wärmepumpe dann stark abfällt oder gar eine Störung auftritt.

Für free cooling sind Direktverdampfer-Anlagen naturgemäß nicht geeignet.

Bei Luft/Wasser-Wärmepumpen und Luft/Luft-Wärmepumpen ist die Direktverdampfung das verbreitete Verfahren. Trotzdem ist die Energieeffizienz (ausgedrückt durch die Jahresarbeitszahl) im Vergleich zu den gängigen Erdwärme-Wärmepumpen ohne Direktverdampfung meistens deutlich niedriger. Der energetische Vorteil der Direktverdampfung kann nämlich nicht die im Heizbetrieb oft sehr viel niedrigere Quellentemperatur bei Nutzung der Außenluft ausgleichen.

Direktverdampfung bei Kälteanlagen

Auch bei Kälteanlagen (z. B. Klimaanlagen) wird teils das Prinzip der Direktverdampfung verwendet, wo die Verdampfung in direktem thermischen Kontakt mit dem zu kühlenden Medium erfolgt. Dies ist beispielsweise der Fall bei den üblichen Split-Klimageräten: Hier erfolgt die Verdampfung des Kältemittels im Innengerät, wo die Kälte direkt auf die Raumluft übertragen wird. Dagegen wird bei größeren Klimaanlagen häufig Wasser als Wärmeübertragermedium (bzw. Kälteträger) verwendet, was wie im Falle der Wärmepumpen einen zusätzlichen Wärmeübertrager und eine zusätzliche Wasserpumpe erforderlich macht. Zwar wird das Prinzip der Direktverdampfung auch bei Multi-Splitgeräten für die Kühlung mehrerer Räume eingesetzt, aber hier bringt es den Nachteil mit sich, dass relativ komplexe Systeme von Kältemittelleitungen installiert werden müssen, was auch ein größeres Risiko von Leckagen mit zum Teil stark klimaschädlicher Wirkung mit sich bringt.

Direktverdampfung bei solarthermischen Kraftwerk

Bei solarthermischen Kraftwerken in Form von Parabolrinnen-Kraftwerken bedeutet das Prinzip der Direktverdampfung, dass die Erzeugung von Wasserdampf direkt in den von der Sonne erhitzten Rohren erfolgt. In anderen Fällen verwendet man nämlich ein in den Rohren nicht verdampfendes Öl, welches die Wärme in einem separaten Dampferzeuger an das Wasser abgibt. Gegenüber diesem Verfahren weist die Direktverdampfung energetische Vorteile auf. Insbesondere kann die Frischdampftemperatur angehoben werden, was den Wirkungsgrad der Dampfturbine erhöht.

Direktkondensation

Ähnlich zur Direktverdampfung gibt es auch das Verfahren der Direktkondensation. Hier wird beispielsweise das verdichtete Kältemittel direkt durch die Heizschlangen einer Fußbodenheizung geleitet, anstatt dass man die Wärme zunächst auf Wasser überträgt und dieses dann durch die Heizschlangen leitet. Die spezifischen Vorteile und Nachteile dieses Ansatzes sind sehr ähnlich wie bei der Direktverdampfung: Die Wärmepumpe kann energieeffizienter arbeiten, man kann auf eine zusätzliche Wasserpumpe verzichten, aber es wird eine recht große Menge von Kältemittel benötigt.

Siehe auch: Wärmepumpe, Kältemaschine, Split-Klimagerät, Wärmeübertrager, Verdampfer
sowie andere Artikel in der Kategorie Wärme und Kälte

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