Wärmepumpen / 1.3 Technischer Aufbau der Wärmepumpe

Eine Wärmepumpe besteht aus 4 Bauteilen:

• einem Verdampfer,
• einem Verdichter,
• einem Kondensator oder Verflüssiger und
• dem Expansionsventil.

Diese Bauteile sind in einer spezifischen Reihenfolge angeordnet und mittels Rohrleitungen miteinander verbunden.

1.3.1 Verdampfer

Am sog. Verdampfer wird die Wärme aus der Umwelt auf den Wärmepumpenkreislauf übertragen. Ein Kältemittel ist für die Aufnahme und den Transport der Wärmeenergie zuständig. Es nimmt die Umweltwärme im flüssigen Zustand auf.

Aus technischer Sicht funktioniert der Verdampfer dabei wie ein Wärmetauscher, über den dem Kältemittel zum Beispiel Erdwärme oder Luftwärme zugeführt und es somit letztlich zur Verdampfung gebracht wird. Das zunächst flüssige Kältemittel verändert seinen Aggregatzustand unter niedrigem Druck in einen gasförmigen Zustand und nimmt dabei die Wärmeenergie der Umweltquelle auf. Die Umgebungstemperatur des Verdampfers muss dabei stets höher sein als die dem Druck entsprechende Siedetemperatur des Kältemittels. Ohne diese Temperaturdifferenz ist keine Wärmeübertragung von der Umgebung auf das Kältemittel möglich.

Bei der Technik des Verdampfens des Kältemittels unterscheidet man grundsätzlich zwischen einer trockenen und einer überfluteten Verdampfung:

• Bei der trockenen Verdampfung wird das Kältemittel über ein Expansionsventil dem Verdampfer zugeführt. Die Kältemittelmenge wird dabei anhand der Differenz zwischen der Gas- und Sättigungstemperatur (Sauggasüberhitzung) geregelt. Am Austritt des Verdampfers ist das gasförmige Kältemittel dann überhitzt und daher "trocken"
• Bei der überfluteten Verdampfung wird das Kältemittel über eine Hoch- oder Niederdruck-Schwimmerregulierung in den Verdampfer geführt. Die Kältemittelmenge wird anhand des Flüssigkeitsspiegels auf der Hoch- oder Niederdruckseite geregelt. Am Verdampferaustritt ist das Kältemittelgas nur geringfügig überhitzt und wird daher als "nass" bezeichnet.

Hinweis

Vorteile der überfluteten Verdampfung

Überflutete Verdampfer haben meist einen höheren Wirkungsgrad, da keine minimalen Temperaturdifferenzen zwischen Kältemittel- und Medium notwendig sind und sich die Verdampfungstemperatur somit höher auslegen lässt. Außerdem lassen sich überflutete Verdampfer leichter reinigen. Nach dem Entfernen der Verdampferabdeckung können die wasserführenden Kupferrohre leicht von innen gereinigt werden.

1.3.2 Verdichter

In einem strombetriebenen Kompressor, dem sogenannten Verdichter, wird das nun gasförmige Kältemittel zusammengedrückt, wodurch sich Druck und Temperatur des Kältemittels stark erhöhen. Während der Kompressor ständig weiteres Kältemittel aus dem Verdampfer absaugt, verdampft die Flüssigkeit weiter und die Temperatur wird deutlich höher als die unter niedrigem Druck. Je höher diese Temperatur sein soll, desto mehr Strom verbraucht der Verdichter.

Zur Verdichtung des Kältemittels werden die unterschiedlichsten Verdichterkonstruktionen bzw. Kompressortechniken eingesetzt, wobei je nach Anwendungsbereich und Nutzungsart jede Verdichter-Bauart gewisse Vor- und Nachteile aufweist.

• In Hubkolbenverdichtern bewegt sich ein Kolben hin und her. Bewegt er sich im Zylinder nach unten, wird das Gas angesaugt, bewegt er sich nach oben, wird das angesaugte Gas verdichtet. Das Ansaugventil im Hubkolbenverdichter ist während des Verdichtungsvorgangs geschlossen und das Druckventil öffnet sich, wenn der Druck im Zylinder den Druck auf der Hochdruckseite des Verdichters überschreitet.
• In Rollkolbenverdichtern komprimieren eine Exzenterwelle und ein radial umlaufender Rollkolben das Gas im Gehäuse. Rollkolbenverdichter haben im Allgemeinen eine höhere Leistungszahl als Hubkolbenverdichter mit gleicher Leistung.
• Scrollverdichter (Spiralverdichter) sind die am häufigsten in Wärmepumpen eingesetzten Verdichtertypen. Dabei verdichten zwei sich ineinander bewegende Spiralen das Kältemittel und fördern es fort. Scrollverdichter haben weniger bewegliche Teile und damit eine längere Nutzungsdauer als andere Verdichterarten.
• Beim Schraubenverdichter strömt Luft zuerst durch einen Filter und dann durch ein offenes Einlassventil in den Kompressor. Wenn der Kompressor ausgeschaltet wird, schließt sich das Ventil. Durch die geringe Reibung und Wärmeentwicklung der Elemente ist der Schraubenverdichter dauerlastfähig und kann stundenlang ohne Unterbrechung laufen. Dabei erzielen die Geräte außerdem einen herausragenden Wirkungsgrad.
• Turbo-Verdichter erinnern in ihrem Aufbau an Turbinen, bei denen auf einer Welle mehrere Reihen von Laufschaufeln sitzen. Die Funktionsweise ist aber das Gegenteil einer Turbine: Die Welle wird von einem Motor angetrieben, dreht sich und überträgt Energie auf das über sie strömende Gas.

1.3.3 Verflüssiger und Expansionsventil

Im dritten Schritt überträgt das komprimierte, erhitzte Kältemittel nach Durchlaufen des Verdichters seine Wärme auf den Heizungskreislauf, kühlt dadurch ab und wird in einem Kondensator wieder verflüssigt (Verflüssiger). Aus technischer Sicht erfolgt die Verflüssigung über einen Wärmetauscher wie zum Beispiel einen Plattenwärmetausche...