Kompressionswärmepumpe

Kompressionswärmepumpen arbeiten alle nach dem Prinzip, dass aus der Umgebungswärme (Luft, Sole) auf niedrigem Temperaturniveau im Wärmetauscher (Verdampfer) aufgenommen wird. Dieser wird von einem Kältemittel durchströmt, welches bereits bei niedrigen Temperaturen verdampft. Ein Kompressor komprimiert den Kältemitteldampf, wodurch dieser auf ein höheres Temperaturniveau gebracht wird (ähnlich der Erwärmung einer Luftpumpe). Der Kompressor benötigt Antriebsenergie in Form von elektrischem Strom, Gas oder Dieselkraftstoff. In einem zweiten Wärmetauscher (Kondensator), gibt der nun heiße Kältemitteldampf Wärme an die Heizung (Wasser [Flächenheizung, Heizkörper], Luft [Ventilatorkonvektor/Fan Coil], Deckengerät) oder an den Wärmetauscher des Trinkwassererwärmung ab. Die Abkühlung führt zum Kondensieren des Kältemitteldampfes. In einem Expansionsventil wird das noch unter Druck stehende Kältemittel entspannt, wobei die Temperatur sinkt. Der Kreislauf beginnt jetzt von neuem.

Bei diesem Prozess (Kältekreislauf) werden in Abhängigkeit von Wärmequelle und Wärmeverteilsystem Jahresarbeitszahlen (COP) von 3 bis 5 erreicht, d. h. nur 1/3 bis 1/5 der gewonnenen Wärme muss als Antriebsenergie bereitgestellt werden, 2/3 bis 4/5 werden aus der Umgebungswärme aufgenommen.

Die Kältemittel sind heute ausschließlich FCKW-freie Kältemittel. Zum Einsatz kommen R410a, R134a, R407c, usw. und Propan (R290).

Kompressions-Wärmepumpen erreichen aufgrund der eingesetzten Kältemittel maximale Heizwassertemperaturen von ca. 55 °C (Höhere Temperaturen, speziell zur Trinkwarmwasserbereitung, sind mit R134a und R290 erreichbar). Bei dem Heizbetrieb sollten 35 °C möglichst nicht überschritten werden, was Niedertemperaturheizsysteme (Fußboden-, Wand- und/oder Deckenheizungen) voraussetzt.

Ein Kühlschrank ist ein dezentrales steckerfertiges Kühlgerät, in dem alle Komponenten (Verdichter, Verflüssiger, Expansionsventil [Drosselorgan] und Verdampfer) integriert sind. Der Kältemittelkreislauf ist ein hermetisch geschlossenes System, das mit einem Kältemittel (Kohlenwasserstoffe [R290, R600a, R1270, R170 und R1150], Kohlendioxid [R744] und Ammoniak [R717]) befüllt wird. Sie werden hauptsächlich für die Lagerung von Lebensmitteln, Medikamenten und Chemikalien verwendet. In den meisten Geräten sind alle Verbindungen der kältemittelführenden Bauteile gelötet teilweise auch geschweißt. Einfache Geräte werden ohne Serviceventile hergestellt. Hochwertige Geräte haben in der Regel Serviceventile. Diese können bei einer Störung oder bei einem Kältemittelverlust (z. B. durch einen Transportschaden) gewartet werden. Die Geräte mit oder ohne Serviceventil werden mit der für den ordnungsgemäßen Betrieb erforderlichen Kältemittelfüllmenge geliefert. So muss der Kältemittelkreislauf zur Inbetriebnahme nicht geöffnet werden.

Das Kältemittel wird benötigt, um den Kältekreislauf überhaupt aufrecht erhalten zu können. Dazu sind spezifische physikalische Eigenschaften (Siedetemperatur, kritische Temperatur, kritischer Druck, Dichte usw.) notwendig.

Viele der bekannten Kältemittel fördern jedoch den Ozonabbau und den Treibhauseffekt. Deshalb werden bei der Auswahl der Produkte auch das sogenannte Ozonabbau-Potential (ODP) und das Treibhaus-Potential (GWP) berücksichtigt. Kältemittel mit hohem ODP und GWP sind nicht mehr erlaubt oder werden verboten. Das betrifft vor allem die bekannten Fluorkohlenwasserstoffverbindungen (FCKW), auch als Freon (R11, R12, R13, R13B1, R22, R32, R113, R410A, R502) bekannt.

Ein geeignetes Kältemittel für große Kälteanlagen ist Ammoniak (NH₃, R717). Dabei sind die spezifischen Sicherheitsvorkehrungen einzuhalten.

Der GWP-Wert (global warming potential) definiert das relative Treibhauspotenzial im Bezug auf CO₂. Die Abkürzung hierfür lautet CO₂e (e - für equivalent). Der Wert beschreibt die Wirkung der mittleren Erwärmung über einen bestimmten Zeitraum. In den meisten Fällen werden 100 Jahre betrachtet.

Je höher also der GWP-Wert ist, desto klimaschädlicher ist die entsprechende Kältemittel. Ein konkretes Rechenbeispiel: Das CO₂-Äquivalent des verbreiteten Kältemittels R134a, auf einen Zeitraum von 100 Jahren betrachtet, ist 1430. Das bedeutet, dass ein Kilogramm R134a innerhalb der ersten 100 Jahre nach der Freisetzung 1.430 Mal so stark zum Treibhauseffekt beiträgt wie ein Kilogramm CO₂. Die Freisetzung von 1 kg R134a entspricht also der Freisetzung von 1.430 kg CO2.

Die am häufigsten eingesetzten fluorierten Kältemittel und ihr GWP: R134a = GWP 1430, R404A = GWP 3922, R407C = GWP 1774, R407F = GWP 1825, R449A = GWP 1282, R410A = GWP 2088, R422D = GWP 2729, R32 = GWP 675, R1234yf = GWP 4.

Zum Vergleich: Einige Alternativen zu F-Gasen und ihr GWP (natürliche Kältemittel) R744 (CO₂) = GWP 1, R717 (Ammoniak) = GWP 0, R290 (Propan) = GWP 3, R600a (Isobutan) = GWP 3