Wärmepumpe Verdampfer: So funktioniert er

Die Suche nach kostengünstigen Heizlösungen führt immer häufiger zu Wärmepumpen. Sie nutzen effektiv erneuerbare Energiequellen, um zu heizen. Ein kritischer Bestandteil, der die Effizienz und Funktionalität einer Wärmepumpe wesentlich beeinflusst, ist der Verdampfer. Als eine Art Wärmetauscher ermöglicht der Verdampfer die Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft oder anderen Quellen, was den Kern des Wärmepumpenprozesses bildet. 

In diesem Artikel erklären wir die Funktion des Verdampfers, die Unterscheidung zu Wärmetauschern und die Bedingungen, unter denen das Kältemittel verdampft. Wir analysieren zudem Einflüsse auf die Verdampferleistung, Kosten und geben Wartungstipps zur Steigerung der Effizienz der Wärmepumpe.

Was ist ein Verdampfer in Wärmepumpen?

Ein Verdampfer ist ein zentrales Element innerhalb des Wärmepumpensystems. Es ist speziell dafür konzipiert, Wärmeenergie aus der Umgebung aufzunehmen. Diese Komponente funktioniert im Grunde wie ein Schwamm, der Wärme aus der Luft, dem Erdreich oder dem Wasser zieht. 

Im Verdampfer wird das flüssige Kältemittel, das durch die Wärmepumpe zirkuliert, der Umgebungswärme ausgesetzt. Durch diesen Kontakt nimmt das Kältemittel die Wärme auf und beginnt zu verdampfen. Es wechselt von einem flüssigen in einen gasförmigen Zustand. 

Dieser Prozess ist entscheidend für den gesamten Betrieb der Wärmepumpe, da hier die Energieaufnahme stattfindet. Diese Energie wird später im System genutzt, um Wärme zum Heizen zu nutzen oder Räume zu kühlen.

Die Effizienz des Verdampfers beeinflusst direkt die Leistungsfähigkeit und den Energieverbrauch des gesamten Systems. Ein gut funktionierender Verdampfer kann die Energieeffizienz der Wärmepumpe (angegeben durch JAZ ) erheblich steigern, indem er mehr Umgebungswärme mit weniger Energieaufwand aufnimmt.

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Verdampfer vs. Wärmetauscher

Obwohl der Verdampfer ein Typ des Wärmetauschers ist, gibt es zwischen diesen beiden Begriffen spezifische Unterscheidungen. Diese sind wichtig, um die Funktionsweise einer Wärmepumpe vollständig zu verstehen. 

Ein Wärmetauscher ist ein allgemeiner Begriff für jedes Gerät, das Wärme von einem Medium (Flüssigkeit, Gas oder Luft) auf ein anderes überträgt, ohne dass diese sich direkt vermischen. Wärmetauscher finden Anwendung in Heizkörpern in Ihrem Zuhause bis hin zu großen industriellen Prozessen.

Der Verdampfer hingegen ist ein spezialisierter Wärmetauscher, der in Wärmepumpen und Kühlsystemen eingesetzt wird. Seine Hauptaufgabe besteht darin, das Kältemittel unter Einsatz von Umgebungswärme vom flüssigen in den gasförmigen Zustand zu überführen. Dieser Prozess ist entscheidend für den Beginn des thermodynamischen Kreislaufs der Wärmepumpe.

Ein weiterer Typ des Wärmetauschers in einer Wärmepumpe ist der Kondensator. Im Gegensatz zum Verdampfer, wo das Kältemittel verdampft, kondensiert das Kältemittel im Kondensator wieder zu einer Flüssigkeit und gibt dabei die gespeicherte Wärmeenergie ab. Diese Wärme wird dann genutzt, um Ihr Zuhause zu heizen oder Warmwasser zu bereiten.

Funktionsweise des Verdampfers

Der Verdampfer spielt eine entscheidende Rolle bei der Energieaufnahme. Er fungiert als Schnittstelle, an der die Umgebungswärme auf das Kältemittel übertragen wird. Die Umgebungswärme kann dabei aus der Luft, dem Erdreich oder dem Wasser gewonnen werden. 

Das Kältemittel im Verdampfer ist so gewählt, dass es bereits bei niedrigen Temperaturen verdampft. Das bedeutet, es kann Wärme aus relativ kühlen Quellen aufnehmen und in den Kreislauf der Wärmepumpe einspeisen.

Der Vorgang im Verdampfer beginnt, wenn das flüssige Kältemittel durch das Expansionsventil strömt, dabei seinen Druck reduziert und dann in den Verdampfer gelangt. Diese Druckreduzierung führt zu einer Abkühlung des Kältemittels. Im Verdampfer wird das Kältemittel dann der Umgebungswärme ausgesetzt. Trotz der möglicherweise kühlen Außentemperaturen ist diese Umgebungswärme ausreichend, um das Kältemittel zum Verdampfen zu bringen.

Die Temperatur, bei der das Kältemittel verdampft, hängt von dessen spezifischen Eigenschaften und dem Druck im Verdampfer ab. Moderne Wärmepumpen nutzen eine Vielzahl von Kältemitteln, die unter den spezifischen Bedingungen der jeweiligen Anwendung optimal funktionieren. 

In der Regel verdampft das Kältemittel in Wärmepumpen bei Temperaturen zwischen -10°C und 10°C, was die Nutzung von Umgebungswärme selbst an kühleren Tagen ermöglicht.

Durch diesen Prozess der Wärmeaufnahme und Verdampfung wird das Kältemittel gasförmig und kann im nächsten Schritt weiter erhitzt werden. Dies macht Wärmepumpen so effizient – die Fähigkeit, selbst geringe Wärmemengen aus der Umgebung zu extrahieren und für Heizzwecke nutzbar zu machen.

Kurzer Exkurs: Kältemittel im Verdampfer

Für Verdampfer in Wärmepumpen werden verschiedene Wärmepumpe Kältemittel eingesetzt, wobei die Auswahl von Faktoren wie Umweltverträglichkeit, Effizienz und Betriebstemperaturbereich abhängt. Häufig verwendete Kältemittel sind:

• R290 (Propan): Wird oft in gewerblichen Kühlschränken, Gefriergeräten und einigen Wärmepumpen für Wohngebäude eingesetzt. Seine Anwendung ist jedoch aufgrund der Brennbarkeit beschränkt und erfordert spezielle Sicherheitsvorkehrungen.
• R410A: Wird häufig in Wohn- und kommerziellen Klimaanlagen sowie in Wärmepumpen eingesetzt, die für moderate bis hohe Temperaturen konzipiert sind. Aufgrund seines hohen Treibhauspotenzials wird es jedoch zunehmend durch umweltfreundlichere Alternativen ersetzt.
• R32: Findet zunehmend Verwendung in neuen Klimaanlagen- und Wärmepumpensystemen als Ersatz für R410A, dank seines niedrigeren Treibhauspotenzials und seiner hohen Effizienz.
• CO2 (R744): Kommt in Wärmepumpen für Warmwasserbereitung, in der kommerziellen Kühlung und in Supermarktkühlsystemen zum Einsatz. CO2 eignet sich besonders gut für Anwendungen, die hohe Betriebstemperaturen erfordern und profitiert von seinen umweltfreundlichen Eigenschaften.

Gut zu wissen: Alle Wärmepumpen, die Enpal verbaut, verwenden R290 (Propan).

Wärmepumpen Arten und spezifische Verdampfer 

Verschiedene Arten von Wärmepumpen nutzen spezifische Konfigurationen für Verdampfer:

Luft-Wasser-Wärmepumpen

Luft-Wasser-Wärmepumpen extrahieren Wärme aus der Außenluft. Ihr Verdampfer besteht aus Rohren, die mit Finnen (dünnen Metallplatten oder -lamellen) besetzt sind und den Luftstrom maximieren. Durch diese kann so viel Wärme wie möglich aufgenommen werden. Aufgrund der variierenden Außentemperaturen müssen die Verdampfer dieser Systeme effizient bei einem breiten Temperaturspektrum arbeiten.

Luft-Luft-Wärmepumpen

Ähnlich wie bei Luft-Wasser-Wärmepumpen entziehen Luft-Luft-Wärmepumpen die Wärme der Außenluft. Der Unterschied liegt in der Wärmeabgabe: Sie erfolgt direkt an die Innenraumluft. 

Die Verdampfer dieser Systeme sind ebenfalls für einen effizienten Luftstrom und optimale Wärmeaufnahme ausgelegt. Dies kann durch den Einsatz von Ventilatoren oder Gebläsen geschehen, die sicherstellen, dass die Außenluft effektiv über die Wärmetauscherflächen verteilt wird.

Erdwärmepumpen (Sole-Wasser-Wärmepumpen)

Erdwärmepumpen nutzen die im Erdreich gespeicherte Wärme. Die Verdampfer sind hier mit einem Kältemittel gefüllt, das durch ein Rohrsystem im Boden zirkuliert – sogenannte Erdkollektoren oder Erdsonden. Die konstante Bodentemperatur ermöglicht eine effiziente Wärmeaufnahme, was diese Verdampfer besonders effektiv macht.

Wasser-Wasser-Wärmepumpen

Sie ziehen Wärme aus Oberflächenwasser oder Grundwasser. Viele Wasser-Wasser-Wärmepumpen verwenden geschlossene Schleifensysteme (auch bekannt als „Closed-Loop“-Systeme), in denen ein Wärmeträgermedium (oftmals eine Wasser-Glykol-Mischung) durch Rohre zirkuliert. Diese sind im Wasser verlegt und ermöglichen einen kontinuierlichen Wärmeaustausch.

Welche Faktoren beeinflussen die Effizienz des Verdampfers?

In der Praxis wird die Leistung eines Verdampfers in Wärmepumpen durch verschiedene Faktoren beeinflusst:

• Umgebungstemperatur: Die Effizienz des Verdampfers hängt stark von der Temperatur der Umgebung ab, aus der er Wärme extrahiert. Niedrigere Außentemperaturen können die Effizienz reduzieren, da weniger Wärmeenergie zur Aufnahme zur Verfügung steht.
• Luftfeuchtigkeit: Bei Luftwärmepumpen kann eine höhere Luftfeuchtigkeit die Wärmeübertragung im Verdampfer verbessern, da feuchte Luft mehr Wärmeenergie als trockene Luft trägt.
• Kältemittelart: Die Wahl des Kältemittels hat großen Einfluss auf die Effizienz des Verdampfers. Unterschiedliche Kältemittel verdampfen bei verschiedenen Temperaturen und Drücken, was die Leistung des Verdampfers beeinflusst.
• Luftstrom: Die Menge und Geschwindigkeit der Luft, die über den Verdampfer strömt, beeinflusst die Wärmeübertragung. Ein optimaler Luftstrom sorgt für eine effiziente Wärmeaufnahme.
• Wartungszustand: Die Ansammlung von Schmutz und Staub auf den Lamellen des Verdampfers kann die Wärmeübertragung beeinträchtigen. Regelmäßige Reinigung und Wartung sind daher wichtig, um die Effizienz zu erhalten.
• Frostbildung: Bei niedrigen Temperaturen kann es zur Bildung von Frost auf dem Verdampfer kommen, was die Luftzirkulation behindert und die Effizienz verringert. Viele Wärmepumpen verfügen über automatische Abtauzyklen, um dieses Problem zu bewältigen.
• Systemdesign und -größe: Die Größe des Verdampfers und das Design des Wärmepumpensystems müssen auf die spezifischen Anforderungen des Einsatzortes abgestimmt sein, um eine optimale Leistung zu erzielen.

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