Wärmetauscher für Wärmepumpe
- Verflüssiger für Wärmepumpen
- Übersicht der Verflüssiger nach Heizleistung in kW
- Auslegungsdrücke der Wärmetauscher (in bar)
- Kombinationsanschlüsse (d. h. sowohl Löt- als auch Außengewinde)
- Kältemittel: Temperaturen und Drücke
- Wärmepumpe vereist, SWEP B26FH
- Verdampfer für Wärmepumpen
- Trennwärmetauscher
Umwandlung einer Klimaanlage in eine Wärmepumpe
Eignet sich die Umrüstung für Sie?
Vorteile:
- Geringere Anschaffungskosten im Vergleich zum Kauf einer neuen Wärmepumpe.
- Besonders geeignet für Anwender, die bereits eine Klimaanlage besitzen und die Umrüstung selbst durchführen können.
Nachteile:
- Reduzierte Effizienz im Vergleich zu speziell entwickelten Wärmepumpen.
- Einige Komponenten wurden speziell für den Kühlbetrieb entwickelt und sind daher weniger effizient, wenn sie als Wärmepumpe eingesetzt werden.
Gängige Marken:
Sinclair Split, LG, Mitsubishi, Panasonic, Carrier Comfort, Trane, Lennox Elite.
Bidirektionales Expansionsventil: Reguliert den Kältemittelfluss für Heiz- und Kühlmodus.
Umschaltventils (4-Wege-Ventil): Ermöglicht den Wechsel zwischen Heizen, Kühlen und Abtauen.
Akkumulator (Flüssigkeitsabscheider): Schützt den Kompressor vor flüssigem Kältemittel.
Niederdruckschalter: Stoppt den Kompressor bei zu niedrigem Druck (Schutz vor Einfrieren).
Hochdruckschalter: Schützt vor Schäden durch Überdruck.
Durchflusswächter: Sichert ausreichenden Wasserfluss und schützt den Wärmetauscher.
(Klicken Sie hier, um mehr Informationen zur Umrüstung anzuzeigen)
Wichtige Komponenten für die Umrüstung
- Split-Systeme mit separaten Innen- und Außeneinheiten erleichtern die Integration eines Umschaltventils (4-Wege-Ventil). Dieses Ventil ermöglicht die Umkehrung des Kältemittelflusses, sodass die Wärmepumpe im Winter zum Heizen.
- Viele Split-Klimasysteme teilen sich grundlegende Komponenten wie Kompressoren und Wärmetauscher mit Wärmepumpen desselben Herstellers. Diese Gemeinsamkeiten erleichtern den Umbau zu einer Wärmepumpe erheblich.
Effizienz und Kompressortyp
Klimaanlagen, die zu Wärmepumpen umgebaut wurden, weisen oft eine geringere Effizienz (COP) auf. Der Grund liegt darin, dass Klimaanlagen primär für den Kühlbetrieb optimiert sind. Der Kompressor arbeitet innerhalb eines engen Druck- und Temperaturbereichs effizient. Im Heizmodus muss der Außenwärmetauscher jedoch niedrigpotenzielle Wärme aus der Umgebungsluft aufnehmen — eine Aufgabe, für die er nicht ausgelegt ist.
Kompressortypen:
- Rotationskompressoren: Niedrigerer Heizfaktor im Vergleich zu Scroll-Kompressoren.
- Inverter-Kompressoren: Steigern die Effizienz, indem sie die Leistung flexibel an den Bedarf anpassen.
Kompatibilität des Kältemittels
Die in Klimaanlagen eingesetzten Kältemittel sind oft nicht darauf ausgelegt, bei niedrigen Temperaturen Wärme effizient aufzunehmen. Das kann die Heizleistung im Winter deutlich einschränken. Eine Umrüstung auf ein geeigneteres Kältemittel erfordert in der Regel erhebliche Systemanpassungen, einschließlich Änderungen am Kompressor und an der Steuerung.
Wichtige Komponenten für den Betrieb der Wärmepumpe
- Steuereinheit (Controller): Automatisiert Abtauzyklen, regelt die Systemleistung, überwacht den Kompressorbetrieb und sorgt durch Sensoren für Durchfluss, Temperatur und Druck für Sicherheit.
- Akkumulator (Flüssigkeitsabscheider): Verhindert, dass flüssiges Kältemittel in den Kompressor gelangt. Dies schützt den Kompressor vor Schäden, die durch zurückströmendes Kältemittel aus dem Außenwärmetauscher entstehen könnten.
- Rückschlagventile: Erforderlich bei der Verwendung von thermostatischen Expansionsventilen (TXVs), um die Fließrichtung des Kältemittels sowohl im Heiz- als auch im Kühlmodus sicherzustellen.
- Sicherheitsventile (Druckschalter): Falls die Klimaanlage nicht mit Hoch- und Niederdruckschaltern ausgestattet ist, müssen diese nachgerüstet oder angepasst werden, um Schäden am System zu vermeiden.
- A) Bidirektionales Expansionsventil oder B) thermostatische Expansionsventile (TXVs): Diese Ventile ermöglichen die Regulierung des Kältemittelflusses in beide Richtungen. Standardklimaanlagen besitzen diese Funktion nicht und müssen bei der Umrüstung entsprechend angepasst werden.
Verflüssiger für Wärmepumpe
Der Verflüssiger ist der Wärmetauscher im sekundären Kreislauf der Wärmepumpe. Das heiße Kältemittel im Verflüssiger überträgt Wärme auf das Heizungswasser. Das Kältemittel gelangt im gasförmigen Zustand in den Wärmetauscher, wird dort gekühlt, kondensiert und anschließend unterkühlt. Die Wärmeübertragung auf das Heizungswasser erfolgt hauptsächlich durch den Phasenwechsel, also die Kondensation des Kältemittels.
Liste von Plattenwärmetauschern, die häufig als Verflüssiger verwendet werden:
- SWEP B8LASH: Geeignet für Leistungen von 3–10 kW. Der B8LASH ist ein asymmetrischer Wärmetauscher mit Kombinationsanschlüssen von 3/4". Dieser Wärmetauscher eignet sich als Verflüssiger für das Sinclair Split ASGE-Klimagerät, wenn dieses zu einer Wärmepumpe umgebaut wird.
- SWEP B26H, B26FH: Asymmetrische Wärmetauscher mit einer Leistung von 5–20 kW, speziell für Wärmepumpen ausgelegt. Sie verfügen über Lötanschlüsse für den Primärkreis und ISO G 1"-Außengewinde für den Sekundärkreis.
- SWEP B25TH, B85H, B86H: Geeignet für Leistungen von 10–50 kW in Klimaanlagen. Die Anschlüsse sind Kombinationsanschlüsse von 1" oder 1 1/4".
- SWEP B18H, B185H, B16DW: Speziell für Erdgas und CO2 ausgelegt, mit Betriebsdrücken von bis zu 140 bar (siehe CO2-Katalog
). Die Anschlüsse können gemäß Kundenwunsch angepasst werden.
Asymmetrische Wärmetauscher haben engere Kanäle im internen Kreislauf, die speziell für das Kältemittel ausgelegt sind. Auf der Wasserseite ist der Durchfluss in der Regel etwa zehnmal höher als auf der Kältemittelseite. Daher sind asymmetrische Wärmetauscher ideal für Klimaanlagen und Wärmepumpen optimiert.
Beliebte Modelle und ihre Vorteile
Die SWEP B25TH-Version ist bei Technikern besonders beliebt, da sie auf der Kältemittelseite ausschließlich Lötverbindungen verwendet, was die Installation erleichtert.
Die SWEP B85H und B86H bieten im Vergleich zur B25TH eine höhere Effizienz, unterscheiden sich jedoch in ihren Verbindungsarten:
- Combo-Verbindungen: Diese Anschlüsse sind außen mit Gewinde versehen und bieten innen eine Rohrleitung, die gelötet werden kann (siehe Bild, klicken Sie, um die Zeichnung der Verbindung zu öffnen).
- Die B86H erreicht die höchste Effizienz aller Modelle, hat jedoch auch den höchsten Druckverlust. Dieser kann durch die Erhöhung der Anzahl der Platten kompensiert werden, um einen optimierten Betrieb zu gewährleisten.
Materialien und Lötanforderungen
Alle SWEP-Wärmetauscher verfügen über Edelstahlverbindungen. Für das Löten muss ein Lötzinn mit einem Silberanteil von mindestens 45 % verwendet werden, um eine zuverlässige und langlebige Verbindung zu gewährleisten.
Verflüssiger-Auswahl für Wärmepumpen
Diese Wärmetauscher sind ideal als Verflüssiger für Wärmepumpen geeignet, wobei sie auf der Primärseite als Kältemittel-Verflüssiger dienen. Die Berechnungen der Verflüssigerleistung basieren auf dem Kältemittel R410A auf der Primärseite. Die Temperaturdifferenz im Wasserkreislauf auf der Sekundärseite beträgt . Die Druckverluste im Wasserkreislauf (Heizung) sind in der Tabelle aufgeführt und sollten bei der Systemplanung berücksichtigt werden.
| Leistung | Wärmetauschertyp | Druckverlust |
|---|---|---|
| 5 kW | B26FHx18 | 4 kPa |
| 10 kW | B26Hx24 | 9 kPa |
| 15 kW | B26Hx40 | 8 kPa |
| 20 kW | B85Hx50 | 17 kPa |
| 30 kW | B85Hx70 | 20 kPa |
Der Auslegungsdruck des Wärmetauschers kann aus dem in seinem Datenblatt bereitgestellten Diagramm abgelesen werden. Die Auslegungsdrücke gängiger Wärmetauscher liegen in etwa wie folgt:
- 46 bar(g) bei 75 °C für B8TH, B8LASH;
- 48 bar(g) bei 75 °C für B26H, B26FH;
- 46 bar(g) bei 75 °C für B25TH;
- 50 bar(g) bei 75 °C für B85H, B86H.
Temperaturen und Drücke von Kältemitteln
Druck-Temperatur-Diagramme für verschiedene Kältemittel sind online häufig verfügbar. Um die Übersicht zu erleichtern, haben wir die Drücke in bar(g) für die folgenden Kältemittel in einer Tabelle zusammengefasst (Quelle: A-GAS):
| R22 bar(g) | |
|---|---|
| -40 °C | 0,03 |
| -38 °C | 0,15 |
| -36 °C | 0,25 |
| -34 °C | 0,36 |
| -32 °C | 0,49 |
| -30 °C | 0,62 |
| -28 °C | 0,77 |
| -26 °C | 0,92 |
| -24 °C | 1,08 |
| -22 °C | 1,26 |
| -20 °C | 1,44 |
| -18 °C | 1,63 |
| -16 °C | 1,84 |
| -14 °C | 2,06 |
| -12 °C | 2,29 |
| -10 °C | 2,54 |
| -8 °C | 2,79 |
| -6 °C | 3,06 |
| -4 °C | 3,35 |
| -2 °C | 3,65 |
| 0 °C | 3,97 |
| 2 °C | 4,30 |
| 4 °C | 4,65 |
| 6 °C | 5,0 |
| 8 °C | 5,4 |
| 10 °C | 5,8 |
| 12 °C | 6,2 |
| 14 °C | 6,7 |
| 16 °C | 7,1 |
| 18 °C | 7,6 |
| 20 °C | 8,1 |
| 22 °C | 8,6 |
| 24 °C | 9,1 |
| 26 °C | 9,7 |
| 28 °C | 10,3 |
| 30 °C | 10,9 |
| 32 °C | 11,5 |
| 34 °C | 12,2 |
| 36 °C | 12,9 |
| 38 °C | 13,6 |
| 40 °C | 14,3 |
| 42 °C | 15,1 |
| 44 °C | 15,9 |
| 46 °C | 16,7 |
| 48 °C | 17,5 |
| 50 °C | 18,4 |
| 52 °C | 19,3 |
| 54 °C | 20,3 |
| 56 °C | 21,2 |
| 58 °C | 22,2 |
| 60 °C | 23,3 |
| 62 °C | 24,3 |
| 64 °C | 25,4 |
| 66 °C | 26,6 |
| 68 °C | 27,7 |
| 70 °C | 28,9 |
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Der Druck bar(g) wird relativ zum atmosphärischen Druck angegeben, das heißt, es handelt sich um den Überdruck im Vergleich zur umgebenden Luft von 1 bar. Einige Kältemittel, wie beispielsweise R407C, sind Gemische aus mehreren Einzelkältemitteln, die jeweils eigene Kondensationstemperaturen besitzen. Aus diesem Grund werden für solche Kältemittel zwei verschiedene Temperaturen angegeben:
- Siedetemperatur: Dies ist der Punkt, an dem das flüssige Kältemittel zu sieden beginnt und in den gasförmigen Zustand übergeht.
- Kondensationstemperatur: Dies bezeichnet den Punkt, an dem das gasförmige Kältemittel wieder kondensiert und in den flüssigen Zustand übergeht.
Einfrieren von Wärmepumpen und Ausfälle von Wärmetauschern
Ein Riss im Wärmetauscher tritt am häufigsten in folgenden beiden Szenarien auf:
- Überschreitung des Auslegungsdrucks: Wenn der Betriebsdruck des Kältemittels den Auslegungsdruck des Wärmetauschers übersteigt, kann es zu Schäden kommen. Um dies zu verhindern, muss das System mit einem Hochdruckschalter ausgestattet sein. Dieser schützt den Wärmetauscher, indem er den Kompressor automatisch abschaltet, sobald der Arbeitsdruck überschritten wird (z. B. bei einem Systemfehler).
- Gefahr des Einfrierens. Der Wärmetauscher darf nicht einfrieren, da dies schwere Schäden verursachen kann. Es gibt zwei kritische Situationen, in denen dies geschehen kann. Im Rückwärtsbetrieb: Wenn die Wärmepumpe in den Rückwärtsmodus schaltet, um den Verdampfer abzutauen, besteht die Gefahr, dass das Medium im Kondensator gefriert. Diese Betriebsart wird üblicherweise nur für wenige Minuten aktiviert, birgt jedoch ein Risiko bei sehr niedrigen Temperaturen. Kalte Startbedingungen: Wenn die Wärmepumpe bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen gestartet wird und die Verdampfertemperatur stark absinkt, kann es zu einem Einfrieren des Verdampfers kommen.
Maßnahmen gegen das Einfrieren von Wärmetauschern
Kältemittel in Wärmepumpen können Temperaturen von bis zu -20 °C erreichen. Unter ungünstigen Bedingungen besteht daher die Gefahr, dass das Wasser im Kondensator einfriert. Selbst wenn das Wasser am Ausgang des Wärmetauschers eine Temperatur von 3 °C hat, können sich im Inneren Bereiche mit Temperaturen unter dem Gefrierpunkt befinden. Um Schäden durch Einfrieren zu vermeiden, können folgende Maßnahmen ergriffen werden:
- Spezial-Wärmetauscher: Der SWEP B26FH-Wärmetauscher, speziell entwickelt für R410A-Wärmepumpen, reduziert das Risiko des Einfrierens. Diese modifizierte Version des SWEP B26H eliminiert Kanäle in der Ecke des Kältemittel-Einlasses, die besonders anfällig für Frost sind.
- Temperatursensor am Wasserauslass: Ein Sensor überwacht die Wassertemperatur am Wärmetauscher-Auslass. Fällt die Temperatur unter einen festgelegten Schwellenwert, schaltet sich der Kompressor automatisch ab.
- Frostschutz: Elektrische Beheizung des Wärmetauschers während des Umkehrbetriebs (z. B. beim Abtauen) verhindert, dass die Temperatur kritisch absinkt.
- Durchflussschalter: Um das Einfrieren zu verhindern, muss der volle Wasserdurchfluss im Wärmetauscher aufrechterhalten werden. Eine konstante Geschwindigkeit der Umwälzpumpe ist notwendig, und Ventile an den Heizkörpern sollten geöffnet bleiben, um den Durchfluss nicht zu blockieren.
- Filtersieb: Ein Filtersieb am Wassereinlass des Wärmetauschers verhindert, dass Partikel größer als 1 mm in das System gelangen. Verstopfungen könnten den Durchfluss behindern und das Risiko des Einfrierens erhöhen.
- Verzögerter Pumpenbetrieb: Die Wasserpumpe sollte nach dem Ausschalten des Kompressors einige Minuten weiterlaufen, um Restwärme zu nutzen. Umgekehrt sollte die Pumpe vor dem Start des Kompressors eingeschaltet werden, um eine optimale Temperaturverteilung zu gewährleisten.
- Lüftersteuerung: Das Ausschalten des Lüfters während des Abtauvorgangs erhöht die Verdampfertemperatur und verhindert das Einfrieren des Außenwärmetauschers.
- Sanfter Kompressorstart: Der Kompressor sollte mit möglichst geringer Leistung starten, um den Abfall der Verdampfungstemperatur während des Anlaufs zu minimieren.
- Optimierung der Außenwärmetauscher: Klimaanlagen, die zu Wärmepumpen umgebaut werden, können größere Probleme mit Frostbildung an der Außeneinheit aufweisen. Der Grund dafür sind die kleineren Lamellenabstände in Klimaanlagen, die für den Sommerbetrieb optimiert wurden. Wärmepumpen haben in der Regel größere Abstände, um Frostbildung zu reduzieren.
Das Einfrieren des Wassers im Wärmetauscher kann erhebliche Schäden verursachen, darunter: Beschädigung des Wärmetauschers selbst, da das gefrorene Wasser die Kanäle sprengen kann. Schäden an der gesamten Wärmepumpe, da gefrorenes Wasser in den Kältemittelkreislauf eindringen kann. Um diese Risiken zu minimieren, bietet SWEP die modifizierte B26FH-Version des Wärmetauschers an, die speziell auf den Betrieb mit R410A-Wärmepumpen abgestimmt ist. Diese Bauweise reduziert das Risiko des Einfrierens und erhöht die Betriebssicherheit.
Verdampfer für Wärmepumpe
Der Verdampfer ist der Wärmetauscher im Primärkreislauf der Wärmepumpe, in dem das kalte, flüssige Kältemittel verdampft.
Das System ist so ausgelegt, dass das Expansionsventil vor dem Verdampfer den Druck des Kältemittels reduziert. Durch die Druckabsenkung sinkt auch die Siedetemperatur des Kältemittels. Die Temperatur im Verdampfer wird typischerweise auf etwa 0 °C eingestellt, kann jedoch auch niedriger sein. Damit das Kältemittel verdampfen kann, muss ihm Wärme zugeführt werden. Diese Wärme wird aus externen Quellen wie der Umgebungsluft oder dem Boden entnommen und später im Verflüssiger an das Heizwasser abgegeben.
Ein Großteil der aufgenommenen Wärme wird während der Phasenumwandlung des Kältemittels (von flüssig zu gasförmig) gespeichert.
Für kleine Wärmepumpenanwendungen können klassische B-Typ SWEP Plattenwärmetauscher verwendet werden. Der Kältemittel-Einlassanschluss sollte niemals größer sein als der Kältemittel-Auslassanschluss. Die Kältemittelgeschwindigkeit sollte wie folgt eingehalten werden, um eine optimale Funktion zu gewährleisten und die Ansammlung von Öl im Wärmetauscher zu verhindern: Einlass: 10 bis 25 m/s Auslass: 5 bis 10 m/s (bzw. 2,5 bis 5 m/s bei horizontalem Anschluss).
Für Hochleistungssysteme sind mehr Platten im Wärmetauscher erforderlich. Wenn der Verdampfer mehr als 30 Platten benötigt, sollte eine spezialisierte Art von Plattenwärmetauscher gewählt werden, wie z. B. der V-Typ, P-Typ, F-Typ oder Q-Typ. V-Serie Wärmetauscher (z. B. V25, V80) sind klassische Modelle, die mit einem System zur gleichmäßigen Verteilung des Kältemittels ausgestattet sind. Dieses Verteilsystem verhindert, dass das Kältemittel nur durch die Platten nahe des Einlasses fließt, was sonst zu einem Effizienzverlust und dem Risiko des Einfrierens führen könnte. Das Verteilersystem stellt kein Hindernis dar, wenn der Wärmetauscher auch als Verflüssiger verwendet wird.
Spezialisierte Wärmetauscher-Typen (wie die meisten Modelle der V-Serie, insbesondere der P-Typ und andere Verdampfer) sind in der Regel nicht lagernd und müssen auf Bestellung gefertigt werden.
Trennwärmetauscher für Wärmepumpen
Ein Trennwärmetauscher wird häufig eingesetzt, um zwei Kreisläufe voneinander zu trennen, beispielsweise den Frostschutzmittelkreislauf vom Heizungswasserkreislauf. Dadurch kann im Außenbereich eine Glykolmischung verwendet werden, während im Heizkreislauf im Gebäude reines Heizungswasser zirkuliert. Zusätzlich dient der Trennwärmetauscher dazu, die Wärmepumpe vor verschmutzten oder aggressiven Medien zu schützen, indem diese von der Wärmepumpe isoliert werden
Die Effizienz der Wärmepumpe hängt davon ab, dass die Temperaturen in den beiden Kreisläufen möglichst ähnlich sind. Beachten Sie, dass die Druckverluste mit dem Quadrat des Durchflusses steigen. Eine präzise Auslegung des Systems ist daher essenziell, um unnötige Energieverluste zu vermeiden.
| Durchflussrate | Wärmetauschertyp | Druckverlust |
|---|---|---|
| 1 m3/h | E8THx20 , B85Hx20 ,XB06H-1-30 |
10 kPa |
| 2 m3/h | E8THx40 , B85Hx40 ,XB12H-1-40 ,XB37M-1-26 ,XB37H-1-36
|
13 kPa |
| 3 m3/h | B28Hx36 , B85Hx50 ,XB12H-1-50 ,XB37M-1-36 ,XB37H-1-50
|
16 kPa |
| 5 m3/h | B28Hx56 , B85Hx70 ,XB12H-1-80 ,XB37M-1-60 ,XB37H-1-80
|
20 kPa |
| 10 m3/h | B28Hx116 , B85Hx140 |
25 kPa |
CZ 
SK 
EN