Schon immer wurden Wärmepumpen als etwas ganz Besonderes dargestellt. Und es gab bereits verschiedene Phasen, in denen die Wärmepumpe Hochkonjunktur hatte und viele, zum Teil fachfremde, Betriebe hatte sie zu diesen Zeiten “im Programm”, wie in den 1990er Jahren. Dabei haben Wärmepumpen den gleichen Aufbau des Kältemittelkreislaufes wie Kaltwassersätze.
Entgegen vielen anders lautenden Aussagen besteht der Unterschied zwischen Kaltwassersatz und Wärmepumpe im Grunde nur in der Sichtweise des Betrachters.
Im Kaltwassersatzbetrieb erfolgt die Regelung und Steuerung der Einheit im Voll- und Teillastbetrieb über die Kaltwassertemperatur (“kältegeführt”) und die Verflüssigerwärme muß entsprechend abgeführt werden. Es gibt keine Möglichkeit zusätzlich auch die Kühlwasseraustrittstemperatur innerhalb des Kältemittelkreislaufs zu regeln. Die Einflußnahme auf die Kühlwasseraustrittstemperatur kann in diesem Fall nur wasserseitig über Regeleinrichtungen erfolgen.
Im Wärmepumpenbetrieb erfolgt die Regelung und Steuerung über die Heizwasseraustrittstemperatur des Verflüssigers (“wärmegeführt”) und das Kaltwasser wird entsprechend der Lastanforderung abgekühlt. Es gibt keine Möglichkeit zusätzlich auch die Kaltwasseraustrittstemperatur innerhalb des Kältemittelkreislaufs zu regeln. Natürlich kann man auch hier über wasserseitige Regelarmaturen die Kaltwasseraustrittstemperatur beeinflussen.
In Verbindung mit der Bezeichnung Wärmepumpe wird die kalte Seite, der Wärme (=Energie) entzogen wird, auch als Wärmequelle, die warme Seite, an die Wärme (=Energie) abgegeben wird, als Wärmesenke bezeichnet. Wärmequellen sind z.B. Erdsondensysteme mit Frostschutzmittel/Wasser Gemischen im Erdreich, Abwässer oder sonstige Wasserkreisläufe mit geringen, nicht mehr nutzbarem Temperaturniveau; Wärmesenken in der Regel Heizwasserkreisläufe für Heizungssysteme oder Produktionskreisläufe.
Erfahrungsgemäß sind die meisten “Wärmepumpen” jedoch Kaltwassersätze mit Wärmerückgewinnung. Die Wärme wird genutzt, wenn der Bedarf gegeben ist, die Austrittstemperatur wird nicht beeinflußt.
Erreichbare Heizwasser-Austrittstemperaturen (Temperaturhub)
Die maximal erreichbaren Heizwasser Austrittstemperaturen sind abhängig von:
- Kältemittel
- Art der Verdichtung (Verdichter)
Hohe Heizwassertemperaturen erfordern Verflüssigungstemperaturen, die 3 bis 4 K oberhalb der Austrittstemperatur liegen. Unterschiedliche Kältemittel haben bei gleichen Verflüssigungstemperaturen unterschiedlich hohe Verflüssigungsdrücke. Bei den sog. HFO Kältemitteln, wie R1234ze und R515B sind bei gleichen Verflüssigungstemperaturen wie bei R134a oder R513A die Drücke deutlich geringer. Für Hochtemperatur Wärmepumpen sind spezielle Hochtemperatur-Kältemittel, wie R245fa, verfügbar. Diese haben bei hohen Verflüssigungstemperaturen geringe Verflüssigungsdrücke, damit die max. zulässigen Betriebsdrücke der verwendeten Verdichter nicht überschritten werden. Ein weiterer begrenzender Faktor bei hohen Verflüssigungstemperaturen ist das Kältemittelöl bei Kolben- und Schraubenverdichtern, dessen max. Temperatur nicht überschritten werden darf. (bisher +110°C). Neu entwickelte Kältemittelöle sind für höhere Temperaturen zugelassen. Schraubenverdichter mit R245fa sind deshalb bis zu einer Heizwasseraustrittstemperatur von +120°C als Sonderauslegung für Hochtemperatur Wärmepumpen verfügbar.
Die Temperaturdifferenz zwischen Verflüssigungs- und Verdampfungstemperatur (Temperaturhub) sollte ca. 60 K nicht überschreiten, damit noch “sinnvolle” COP Werte (> 2) erreichbar sind.
Informationen und Begriffe Wärmepumpen
Heizleistung ⇔ Verflüssigungsleistung
QH = QO + PEL ? ⇒ QH ≠ QO + PEL !
Die nutzbare Heizleistung einer Wärmepumpe errechnet sich aus dem Kältemittelmassenstrom (m) des umlaufenden Kältemittels und der Differenz der Kältemittelenthalpie (∆h) zwischen Verflüssigerein- und austritt. (QH = m x ∆h).
Die oft angewendete Gleichung, dass die Heiz- oder Wärmeleistung (QH) einer Wärmpumpe die Summe aus Kälteleistung (QO) und Verdichterleistungsaufnahme (PEL) ⇒ QH = QO + PEL ist, ist nicht korrekt, insbesondere wenn die erforderliche Unterkühlung des Kältemittels nicht im Verflüssiger erfolgt. Der Wirkungsgrad und die inneren Verluste des Verdichters werden in dieser Gleichung nicht berücksichtigt.
Für die nutzbare Heizleistung einer Wärmepumpe oder Hochtemperatur Wärmepumpe ist entscheidend, ob im Verflüssiger die notwendige Unterkühlung des Kältemittels stattfindet oder ob diese in einem externen, nicht vom Heizwasser durchströmten Unterkühler erfolgt.
Definition COP
Der COP (Coefficient of Performance) ist eine dimensionslose Leistungskennzahl und ist der Quotient aus der nutzbaren Heizleistung in kW und der elektrischen Verdichterantriebsleistung in kW.
Heizleistung QH (kW)
COP = ────────────────────
el. Verdichterleistung PEL (kW)
Weitere Kältemittel für Wärmepumpenanwendungen für hohe Heizwassertemperaturen
(derzeit in Prüfung)
| Kältemittel | GWP (AR5) | Sicherheitsklasse | Siedetemperatur | ODP |
| R1336mzz(Z) | 2 | A1 | 33,4°C | 0,00000 |
| R1224zd(Z) | 1 | A1 | 15,0°C | 0,00023 |
| R1233zd(E) | 1 | A1 | 18,3°C | 0,00034 |
| R600a (Isobutan) |
3 |
A3 |
-11,7°C | 0,00000 |
Die beiden Kältemittel mit einem ODP > 0 sind fragwürdig, weil für Kältemittel mit einem ODP größer null seit dem 1.1.2015 ein Verwendungsverbot gilt.