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Direktverdampfung und Direktkondensation

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Definition: ein energiesparendes Verfahren bei Wärmepumpen und Kältemaschinen

Englisch: direct evaporation, direct condensation

Kategorie: Wärme und Kälte

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 11.09.2016; letzte Änderung: 21.10.2016

Die Direktverdampfung ermöglicht in vielen Fällen eine höhere Energieeffizienz als andere Verfahren.

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 Gefahr klimaschädlicher Kältemittel-Leckagen ist bei Direktverdampfer-Anlagen mit Fluorkohlenwasserstoffen als Kältemittel erheblich größer!

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

Bei kleinen Klimageräten ist die Direktverdampfung ein übliches Verfahren. Für größere Kälteanlagen ist die indirekte Kühlung dagegen häufig günstiger.

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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Thesen zum Klimaschutz

1. Die Klimagefahren sind real.

Die absolut überwiegende Mehrheit der Klimaforscher bestätigt das.

Manche Leute aus anderen Fachgebieten meinen es besser zu wissen als all diese Forscher. Das ist lächerlich.

Es gibt immer Minderheitsmeinungen, auch unter Forschern, und manchmal stimmen diese sogar. Aber darauf zu bauen, dass die große Mehrheit total daneben liegt, wäre eine große Dummheit.

2. Plötzliche Klima­änderungen sind höchst gefährlich.

Die Natur hat sich über lange Zeit an das derzeitige Klima angepasst. Starke Änderungen innerhalb nur einiger Jahrzehnte hätten dramatische Folgen.

Auch die Menschheit kann sich nicht an beliebig veränderte Umweltbedingungen anpassen.

Dass es vor tausenden von Jahren erhebliche Klimaschwankungen gab, heißt keineswegs, dass wir damit zurechtkommen werden!

3. Klimaschutz kostet viel Geld – kein Klima­schutz noch viel mehr!

Die Vorstellung, man solle lieber Geld sparen, um damit dann eine Klimakatastrophe zu überstehen, ist geradezu absurd. Die Folgen starker Klimaveränderungen sind unabsehbar und dann nicht mehr korrigierbar.

Wer unseren Wohlstand bewahren will, wünscht sich zu allerletzt einen schnellen Klimawandel!

4. Zeigefinger auf China sind unangebracht.

  • Dürfen Chinesen pro Kopf weniger CO2 emittieren, nur weil es viele Chinesen gibt?
  • Können wir massenhaft Güter aus China importieren und die Verantwortung für die dabei entstehenden Emissionen von uns weisen?
  • Wer selbst weit überdurchschnittliche Pro-Kopf-Emissionen verursacht, zeigt besser nicht mit dem Finger auf andere.

Lesen Sie unseren Artikel zum Thema!

5. Viele Maßnahmen für den Klimaschutz sind ohnehin auch aus anderen Gründen nötig.

  • Eine massive Abhängigkeit z. B. von Erdöl und Erdgas ist gerade in Zeiten stark rückläufger Förderung in Europa wirtschaftlich und politisch hoch gefährlich.
  • Kohlekraftwerke schaden nicht nur dem Klima: Auch in Europa verursachen sie jährlich tausende vorzeitiger Todesfälle durch Luftverschmutzung.

Einfach weiterzuwursteln wie bisher ist keine Option!

6. Energiewende: ja, aber bitte richtig.

  • Eine echte Energiewende ist unverzichtbar, um unsere ökonomische und ökologische Zukunft zu retten.
  • Die deutsche Energiewende findet bisher fast nur im Strombereich statt, und selbst dort wird mittlerweise rabiat gebremst.
  • Die Wärmewende wäre besonders wichtig: Sehr viel Energie wird in Form von Wärme gebraucht oder verschwendet. Sorgen wir dafür, dass wir auch morgen noch in warmen Häusern leben können!

7. Substitution ist nötig, hat aber Grenzen.

  • Wir können viel Kohlestrom z. B. durch Wind- und Solarstrom ersetzen – beim Strom gibt es viele Möglichkeiten.
  • Im Wärmebereich ist es schwieriger: z. B. Holz als Ersatz für Erdgas gibt es nicht unbegrenzt.
  • Strom für Wärme (z. B. mit Elektrowärmepumpen) geht auch, aber sehr viel Öko­strom im Winter zu erzeugen ist schwierig!

Also: Allein mit Substitution schaffen wir es nicht! Der Verbrauch muss runter!

8. Kernenergie ist ein Nebenkriegsschauplatz.

  • Weltweit deckt die Kernenergie nur wenige Prozent des Energiebedarfs – in Zukunft noch weniger.
  • Ein entscheidender Beitrag der Kernenergie zum globalen Klimaschutz scheitert schon an den Kosten.
  • Auf die ferne Zukunftshoffnung Kernfusion zu setzen, ist Traumtänzerei: Wenn das überhaupt je geht, ist es wohl unbezahlbar.

Also: Von der Kernenergie wird es nicht abhängen, ob wir das Klimaproblem lösen.

9. Energieeffizienz ist enorm wichtig.

  • Nur wenn wir entscheidend weniger Energie brauchen, können wir den Bedarf sauber, sicher und bezahlbar decken.
  • Energieeffizienz hat enorme Potenziale – bei uns und weltweit.
  • Effizienz ist nachhaltig: Das funktioniert dauerhaft, ohne neue schwierige Probleme aufzuwerfen.

Also: Wir müssen unbedingt die Energieeffizienz kraftvoll vorantreiben!

10. Suffizienz ist eben­falls unverzichtbar.

  • Überbordende Ansprüche zu erfüllen, etwa auf jährliche Flugreisen, ist kaum auf nachhaltige Weise machbar.
  • Es ist nicht vertretbar, dass die einen Energie gedankenlos in Mengen konsumieren, während andere noch nicht genug zum Leben haben.

Beachten Sie: Je weniger erfolgreich wir bei Substitution und Effizienz sind, desto wichtiger wird die Rolle der Suffizienz.

11. Emissionshandel ist gut und richtig, aber kein Allheilmittel.

  • Emissionshandel kann helfen, Klimaschutz möglichst kostengünstig zu praktizieren.
  • Wir brauchen deswegen ein globales Emissionshandelssystem.
  • Allein darauf zu setzen, wäre aber grundfalsch. Die Meinung von gewissen Ökonomen, Emissionshandel mache das deutsche EEG überflüssig, basiert auf nachweisbaren Denkfehlern.

12. Nicht jede Maß­nahme ist sinnvoll.

Manche sagen, wir bräuchten alle Beiträge zum Klimaschutz, die zu kriegen sind. Aber:

  • Wir haben begrenzte Resourcen. Wenn mehr davon in wenig wirksame Maßnahmen fließt, erreichen wir weniger, nicht mehr.
  • Unrealistische Hoffnungen z. B. auf neue Wundertechnologien sind gefährlich.

Also: Gezielt realisieren, was funktioniert! Nicht auf Wunder warten, sondern heute handeln!

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