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Kühlschrank

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Definition: ein schrankförmiges Gerät, dessen Innentemperatur auf einem niedrigen Wert gehalten wird

Englisch: refrigerator

Kategorien: Grundbegriffe, Haustechnik

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 02.01.2015; letzte Änderung: 28.09.2015

Ein Kühlschrank ist ein schrankförmiges Gerät, welches im Inneren ständig auf einer herabgesetzten Temperatur von z. B. 2 bis 8 °C gehalten wird. Dies wird erreicht mit einer Kältemaschine, und zwar in den meisten Fällen mit einer elektrisch betriebenen Kompressionskältemaschine, die auf der Rückseite des Kühlschranks angebracht ist. Meist befindet sich weit unten ein kompakter Kompressor, und außerdem sieht man Kühlschlangen des Kondensators, die einen wesentlichen Teil der Fläche der Rückseite bedecken. Der Kondensator wird im Betrieb warm und treibt dadurch eine aufsteigende Luftströmung an, die seiner Kühlung dient.

Peltier-Kühlschränke werden kaum eingesetzt, weil sie weniger energieeffizient sind.

Kleinere Kühlschränke sind manchmal auch mit Peltier-Elementen ausgestattet, sodass keinerlei beweglichen Teile benötigt werden, abgesehen unter Umständen von einem Ventilator zur Abführung der Abwärme. Peltier-Elemente verursachen jedoch einen wesentlich höheren Stromverbrauch. Nachteilig ist allein schon der Umstand, dass Peltier-Elemente im ausgeschalteten Zustand eine nennenswerte Wärmeleistung von außen in den Kühlschrank eindringen lassen.

Die Temperatur innerhalb eines Kühlschranks wird mithilfe eines dort angebrachten Thermostaten auf einem ungefähr konstanten Wert gehalten, der meist über ein kleines Stellrad oder auch durch Tasten eingestellt werden kann. Das Kälteaggregat wird jeweils eingeschaltet, wenn die Innentemperatur zu hoch wird.

Die typische Anwendung von Kühlschränken ist die Lagerung verderblicher Nahrungsmittel. Jedoch sollten beispielsweise auch manche Medikamente dort gelagert werden. Grundsätzlich nützt man den Umstand aus, dass viele unerwünschte Prozesse (beispielsweise der biologische Abbau von Nahrungsmitteln) bei niedrigen Temperaturen erheblich langsamer ablaufen als bei der normalen Zimmertemperatur.

Der Betrieb eines Kühlschranks bewirkt oft einen wesentlichen Teil (manchmal mehr als 20 %) des gesamten Stromverbrauchs eines Haushalts. Der Energieverbrauch kann allerdings durch Wahl eines sparsamen Geräts und richtige Benutzung (siehe unten) erheblich reduziert werden.

Grundsätzliche energetische Verhältnisse

Da die Temperatur im Inneren eines Kühlschranks in der Regel deutlich unter der Umgebungstemperatur liegt, dringt ständig Wärme durch Wärmeleitung von außen ein, die dann durch das Kälteaggregat wieder nach außen befördert werden muss. Solange die Tür des Kühlschranks geöffnet ist, wird zusätzlich Wärme über die Raumluft eingebracht. Eine weitere Art der Wärmezufuhr erfolgt über das Einstellen von Gegenständen, die sich noch auf einer höheren Temperatur befinden. Hinzu kann Wärme durch die Beleuchtung des Innenraums entstehen, insbesondere wenn eine Glühlampe dafür verwendet wird. Zu einem wesentlichen Faktor wird letzteres, wenn diese Lampe aufgrund eines Defekts nicht mehr wie vorgesehen bei Schließen der Kühlschranktür ausgeschaltet wird. (Den Dauerbetrieb dieser Lampe erkennt man leicht daran, dass sie recht warm wird.) Eine LED-Beleuchtung ist grundsätzlich günstiger, allerdings wegen der kurzen Betriebszeit nicht vordringlich.

In den meisten Fällen dürfte der Wärmeeintrag über die Wärmeleitung durch die Wandungen des Kühlschranks dominierend sein. Diesen Wärmeeintrag versucht man durch eine geeignete Wärmedämmung zu minimieren. Allerdings kommt eine Wärmedämmschicht großer Dicke in der Regel nicht infrage, da sonst das nutzbare innere Volumen bei gegebenen äußeren Abmessungen zu klein würde. Eine gute Lösung ist die Verwendung von Vakuumdämmplatten (Vakuum-Isolations-Paneelen), die allerdings die Kosten erhöht. In der Regel werden deswegen nur Schaumstoffplatten oder -matten begrenzter Dicke verwendet.

Je größer der Temperaturunterschied zwischen Kältemittel und Kondensator, desto geringer die Leistungszahl des Kälteaggregat.

Der zweite wichtige Faktor für die Energieeffizienz eines Kühlschranks hängt mit der Funktion des Kälteaggregats und den auftretenden Temperaturen zusammen. Das Kälteaggregat arbeitet als eine Art von Wärmepumpe, da es Wärme von einem kälteren an einen wärmeren Ort transportieren muss. Hierfür wird Exergie benötigt – meist in Form elektrischer Energie. Die Leistungszahl der Kältemaschine kann gemäß den Gesetzen der Thermodynamik nicht höher sein als der Kehrwert des Carnot-Wirkungsgrads minus 1. Beispielsweise berechnet man für einen Kühlschrank mit Innentemperatur 5 °C in einem Raum bei 20 °C eine maximale Leistungszahl von 18,5; man könnte also mithilfe einer Kilowattstunde elektrischer Energie 18,5 kWh Wärme dem Inneren des Kühlschranks entziehen. In der Praxis ist die Leistungszahl leider meist bei Weitem kleiner, nämlich in der Größenordnung von 2. Dies liegt an den folgenden Umständen:

In der Praxis kann die Leistungszahl noch weiter abfallen, wenn die Umstände ungünstig sind:

Beide Faktoren verschlechtern sowohl die theoretisch mögliche als auch die praktisch erzielte Leistungszahl des Kälteaggregats. Zusätzlich kann es sein, dass eine verstärkte Wärmeleitung von außen zu den Kühlflächen stattfindet. Aus diesen Gründen steigt dann der Stromverbrauch entsprechend an.

Kombination mit einem Gefrierfach oder Gefrierabteil

Viele Kühlschränke enthalten ein Gefrierfach, welches sich ganz oben im Innenraum befindet und dort über ein separates Türchen zugänglich ist. Meistens werden das Gefrierfach und der restliche Innenraum mit einem einzigen Kälteaggregat gekühlt. Die vom Kälteaggregat kommende sehr kalte Kühlflüssigkeit gelangt zunächst in die Kühlfläche des Gefrierfachs und danach in die Kühlflächen des weniger kalten Kühlraums. Wie oben beschrieben, ist dies energetisch eigentlich nicht optimal, da dadurch die gesamte Kühlleistung auf einem wesentlich tieferen Temperaturniveau erbracht werden muss, selbst wenn nur ein gewisser Teil davon der Kühlung des Gefrierfachs dient. Deswegen liegt der Stromverbrauch eines solchen Kühlschranks oft um mehr als 50 % höher als bei einem Gerät ohne Gefrierfach und insgesamt gleichem Nutzvolumen.

Wenn ein Kühlschrank ein größeres Gefrierabteil enthält, gilt im Prinzip dasselbe. Allerdings ist dann der Kältebedarf des Gefrierabteils relativ gesehen größer, sodass der genannte energetische Nachteil relativ gesehen weniger ins Gewicht fällt. Trotzdem kann es energetisch günstiger sein, wenn (wie bei manchen Geräten) das Kühlabteil und das Gefrierabteil mit separaten Kühlaggregaten ausgestattet sind. Dann kann nämlich das Aggregat für das weniger kalte Kühlabteil mit einer deutlich höheren Kältemitteltemperatur arbeiten und deswegen mit einer höheren Leistungszahl. Ein weiterer Vorteil ist, dass dann die Temperaturen in beiden Teilen separat geregelt werden können. Man kann dann auch das Gefrierabteil ganz abstellen, solange es nicht benötigt wird.

Wenn ohnehin noch eine separate Gefriertruhe benötigt wird, sollte erwogen werden, einen Kühlschrank ohne Gefrierfach zu verwenden, um an dieser Stelle Energie zu sparen. Allerdings dürfte ein Kühlschrank mit Gefrierfach in den meisten Fällen wesentlich energiesparender sein als die Kombination von Kühlschrank und Gefriertruhe.

Problem der Vereisung

Wie oben beschrieben, ist die Eisbildung (vor allem in Gefrierfächern) energetisch gesehen nachteilig. Allein schon deswegen ist ein gelegentliches Abtauen des Geräts notwendig. Hierzu muss das Gerät normalerweise für etliche Stunden abgeschaltet werden, nachdem der Inhalt des Gefrierabteils anderswo verstaut wird (in einem anderen Gerät oder an einem möglichst kühlen Ort gut eingepackt). Das Schmelzwasser sollte dann möglichst vollständig entfernt werden, bevor das Gerät wieder eingeschaltet wird.

Vorsicht: Beim Enteisen mithilfe von Werkzeugen könnte ein Kühlschrank schwer beschädigt werden:

Das Abtauen kann durch mechanisches Entfernen von Eisschichten beschleunigt werden. Jedoch sollte man dabei sehr vorsichtig sein, um nicht beispielsweise mit einem Werkzeug eine Wandung des Kühlschranks zu durchstoßen, was bei der Verletzung einer Kältemittelleitung oder Kühlfläche mit Austritt von Kältemittel leicht einen Totalschaden bedeuten könnte.

Bei manchen Geräten ist aufgrund der Verwendung einer No-Frost-Einrichtung das Abtauen fast gar nicht mehr notwendig. Dies wird dadurch erreicht, dass man keine Kühlflächen mehr an der Innenwand des Geräts verwendet, sondern stattdessen gekühlte Luft in den Innenraum einbläst. Ein Eisbelag entsteht dann fast nur noch auf einer Kühlfläche außerhalb des Innenraums, die bei Bedarf automatisch abgetaut werden kann (z. B. mit einem kleinen elektrischen Heizelement). Dies ist einerseits günstig, weil so nie ein dicker Eisbelag entsteht. Andererseits kann aber der Stromverbrauch trotzdem etwas höher ausfallen, weil die Kältezufuhr über die Luft weniger effektiv ist.

Feuchtigkeit, die man erst gar nicht in den Kühlschrank gelangen lässt, muss man später nicht durch Abtauen entfernen.

Durch geeignete Benutzung kann die Vereisung ein Stück weit reduziert werden. Einerseits sollte vermieden werden, die Tür vor allem des Gefrierabteils länger als unbedingt nötig geöffnet zu halten, weil die eindringende Raumluft auch Feuchtigkeit transportiert, die zur Reifbildung führt. Andererseits sollte Gefriergut nur im möglichst trockenen Zustand eingebracht werden. Beispielsweise sollten Packungen, die auf dem Transport vom Laden nach Hause bereits feucht geworden sind, vor dem Einlagern gut abgetrocknet werden.

Probleme mit Kältemitteln

Sehr frühe Versionen von Kühlschränken arbeiteten mit teils recht aggressiven Kältemitteln wie zum Beispiel Ammoniak (NH3). Sie wurden später größtenteils zunächst durch Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe (FCKW) ersetzt, die sich leider dann als sehr schädlich für die Ozonschicht der Erdatmosphäre erwiesen. Über etliche Jahrzehnte wurden erhebliche Mengen dieser Mittel in die Atmosphäre freigesetzt, wenn solche Kühlschränke verschrottet wurden oder wenn das Kältemittel z. B. beim Austausch des Kompressors einfach in die Luft abgelassen wurde.

Ozonschädliche Kältemittel sind seit etlichen Jahren verboten und deswegen nur noch in sehr alten Kühlschränken enthalten. (Bei der Entsorgung von Kühlschränken sollte dies beachtet werden.) Heute wird oft beispielsweise das Kältemittel R-134a (Tetrafluorethan) verwendet, welches kaum ozonschädlich, allerdings aber ein sehr klimaschädliches Treibhausgas ist. Insofern ist es günstiger, wenn beispielsweise Isobutan als Kältemittel verwendet wird; dieses hat nur den Nachteil, brennbar zu sein. Die Anlage muss also so konstruiert sein, dass ein Austritt des Kältemittels sicher vermieden wird. Mittlerweile wird Butan in vielen Millionen von Kühlschränken eingesetzt, ohne dass es zu wesentlichen Problemen gekommen wäre.

Tipps zum Energiesparen beim Kühlschrank

Vor dem Kauf eines Kühlschranks sollte man zunächst festlegen, welches die angemessene Größe wäre – abhängig vor allem von der Zahl der Personen im Haushalt. Außerdem sollte überlegt werden, ob man ein Gefrierfach oder ein größeres Gefrierabteil braucht. Falls ohnehin eine separate Gefriertruhe betrieben wird, könnte dies unnötig sein.

Vorsicht: Die an sich nützliche Einteilung in Effizienzklassen kann täuschen!

Beim Kauf ist es am einfachsten, sich an der heute vorgeschriebenen Energieverbrauchskennzeichnung zu orientieren. Ein kurzer Blick auf die Effizienzklasse allein kann allerdings täuschen. Einerseits wird bei der Einteilung in die Effizienzklassen die Größe des Geräts berücksichtigt; eine günstige Effizienzklasse kann also trotzdem einen nicht allzu niedrigen Stromverbrauch bedeuten, wenn das Gerät recht groß ist. Außerdem erscheint die Effizienzklasse A zwar als günstig, jedoch sind Geräte in den schlechteren Klassen B bis G seit Juli 2011 ohnehin nicht mehr erlaubt. Wirklich gute Geräte sind in den Klassen A++ und A+++ zu finden. Ein gutes neues Gerät mit einem Kühlraum von 200 Litern und zusätzlich einem Gefrierfach mit 25 Litern kann mit ca. 120 kWh elektrischer Energie pro Jahr (0,3 kWh pro Tag) auskommen. Ohne Gefrierfach können bei über 200 Liter Nutzvolumen bereits 70 kWh pro Jahr ausreichen.

Obwohl neue Kühlschränke sehr viel energieeffizienter arbeiten als alte, lohnt sich der Ersatz eines noch funktionierenden alten Geräts in der Regel nicht.

Wenn möglich, sollte ein Kühlschrank nicht direkt neben einem Backofen oder Herd eingebaut werden, da von dort her sonst mehr Wärme eindringen kann.

Die gewünschte Innentemperatur sollte nicht tiefer eingestellt werden als notwendig. Häufig genügt es, das Kühlabteil auf 8 °C zu bringen, womit ein wesentlich tieferer Verbrauch als z. B. bei 2 °C erreicht wird.

Wenn die Dichtungen der Kühlschranktür wegen einer Beschädigung nicht mehr richtig schließen, sollten sie ausgewechselt werden. Sonst dringt ständig warme Raumluft in den Kühlschrank ein. Dasselbe gilt für das Türchen des Gefrierfachs; wenn dieses nicht dicht schließt, wird auch die Vereisung stark beschleunigt.

Ein Tipp für Bastler: Ein temperaturgeregelter Lüfter an der Rückseite des Kühlschranks (oder etwas darüber) kann dem Kälteaggregat die Arbeit sehr erleichtern.

Es sollte darauf geachtet werden, dass der Kondensator auf der Rückseite des Kühlschranks möglichst gut durch die Raumluft gekühlt werden kann. Dazu sollte dieser Bereich möglichst frei von Staub und Spinnweben gehalten werden. Bastler können die Kühlung weiter verbessern, indem sie einen leisen temperaturgeregelten Ventilator (Lüfter), wie er normalerweise zur Kühlung von PCs verwendet wird, an geeigneter Stelle anbringen. Die dazu benötigten Teile können sehr kostengünstig erworben werden (unter 15 Euro), und der geringe Strombedarf des Ventilators kann leicht eine mehrfach höhere Stromeinsparung beim Kühlschrank ermöglichen.

Gefriertabteile sollten gelegentlich abgetaut werden, bevor sich allzu dicke Eisschichten bilden. Um nicht häufig abtauchen zu müssen, sollte man möglichst wenig warme Luft oder feuchte Ware in den Kühlschrank gelangen lassen.

Siehe auch: Kältemaschine, Wärmeleitung, Kältemittel, Energieverbrauchskennzeichnung
sowie andere Artikel in den Kategorien Grundbegriffe, Haustechnik

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