Wärmetauscher in der Wärmepumpe
Ein wichtiger Bestandteil der Heizung
Die Wärmepumpe soll Wärmeenergie bereitstellen, die das Heizsystem im Haus verteilt und dann auf die Raumluft überträgt. Für die verschiedenen Schritte der Wärmeübertragung in der Heiztechnik sind die Wärmetauscher in der Wärmepumpe – und in allen anderen Heiztechnologien – unverzichtbar. Wie genau das funktioniert, welche Arten es gibt und welche Rolle die Wärmetauscher spielen, erfahren Sie im folgenden Artikel.
Wärmetauscher für Wärmeübertragung zuständig
Als Wärmetauscher bezeichnet man im Allgemeinen ein Gerät, das in der Lage ist, die Temperatur von einem erwärmten gasförmigen, flüssigen oder festen Medium auf ein kaltes Medium zu übertragen. Der in Fachkreisen gebräuchliche Begriff dafür ist Wärmeüberträger. Die Wärmeübertragung durch den Wärmetauscher kann zum Beispiel bei einer Luftwärmepumpe von der Außenluft auf das Heizwasser erfolgen.
Auch die Energieübertragung von Flüssigkeit zu Flüssigkeit kommt in der Heiztechnik häufig vor. Dies ist beispielsweise bei der Erdwärmepumpe der Fall, bei der die Wärmeübertragung von einer frostsicheren Solelösung im Außenbereich auf das Heizwasser im Hausinneren erfolgt. Ein weiteres Beispiel für Wärmetauscher aus der Heiztechnik sind herkömmliche Heizkörper in Innenräumen, da sie die Wärme des Wassers im Heizkreislauf an die Raumluft übertragen.
In der Heiztechnik werden hauptsächlich indirekte Wärmetauscher eingesetzt. Dabei trennt eine gut wärmeleitende Trennwand die beiden Medien. In der Technik gibt es auch direkte Wärmetauscher, bei denen sich die Medien ohne Trennung vermischen und die Wärme direkt von Molekül zu Molekül der Medien ausgetauscht wird.
Von einer halb indirekten Wärmeübertragung spricht man, wenn Aufheizen und Abkühlen zwar ohne räumliche Trennung, dafür aber zeitversetzt erfolgen. Das ist zum Beispiel der Fall, wenn heißes, vom Wärmeerzeuger kommendes Heizwasser einen Wärmespeicher erhitzt. Später strömt dieses Heizwasser aus dem Wärmespeicher durch die Heizkörper. So beheizt es die Räume, während es den Speicher wieder auskühlt.
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Für eine kontinuierliche und effektive Wärmeübertragung muss das warme Medium im Wärmetauscher am kalten Medium vorbeiströmen. Das Verfahren, die beiden Medien so zu lenken, dass sie wie gewünscht aneinander vorbeiströmen, nennt sich Stoffstromführung und kann auf unterschiedliche Art und Weise geschehen.
Beim Gegenstromprinzip beispielsweise erfolgt die Stoffführung entgegengesetzt. Das kalte Medium fließt von der einen Seite in den Wärmetauscher, während das heiße Medium von der anderen Seite einströmt. Dadurch trifft der kalte Stoffstrom auf das warme Medium – dabei kann es sich um Wasser, Gase, Öle oder weitere gängige Flüssigkeiten handeln – und wärmt sich dadurch langsam, aber stetig auf. Gleichzeitig kühlt das warme Medium immer weiter ab.
In einer Wärmepumpe läuft dieser Prozess beispielsweise zwischen gasförmigem, erhitzten Kältemittel und dem Wasserkreislauf des Heizsystems ab: Das Kältemittel gibt die notwendige Wärme an das Heizwasser ab.
Im Idealfall hat am Ende ein vollständiger Wärmeaustausch stattgefunden und das anfänglich kalte Medium hat nun die Temperatur des ursprünglich warmen Mediums und umgekehrt. In der Realität ist ein solcher kompletter Wärmetausch jedoch selten – generell sind Tauschwerte von mehr als 80% gut. Im Gleichstromprinzip strömen die Medien von der gleichen Seite in den Wärmetauscher. Das kalte Medium trifft direkt auf das warme und im weiteren Verlauf gleichen sich die Temperaturen an.
Eine weitere Variante ist das Kreuzstromprinzip, bei dem sich die Stoffströme kreuzen. Auch mit dem Kreuzstrom ist es möglich, den kalten Strom effektiv zu erwärmen und dabei den warmen gut auszukühlen. So kann am Ende auch hierbei die ursprünglich kalte Seite wärmer als die anfänglich warme Seite sein.
Die einfachste Bauweise eines Wärmetauschers besteht aus temperaturdurchlässigen Rohren. Da für einen möglichst hohen Wirkungsgrad des Wärmetauschers eine möglichst große Übertragungsfläche erforderlich ist, werden viele Rohre parallel in einem sogenannten Rohrbündelwärmetauscher angeordnet.
Eine große Austauschfläche auf kleinem Raum bietet ein Plattenwärmetauscher. Er besteht aus vielen dünnen Platten, an denen die beiden Medien vorbeiströmen. Eine Sonderform des Plattenwärmetauschers ist der Spiralwärmetauscher. Er enthält spiralförmig gewickelte Bleche, zwischen denen die Medien zirkulieren.
Der Mantelrohr-Wärmeübertrager hingegen besteht aus zwei konzentrischen Rohren, einem dicken Rohr, in das ein dünneres Rohr eingebettet ist. Die Wärmeträgermedien fließen also aneinander vorbei – eines im äußeren und eines im inneren Rohr.
04. Wärmetauscher in der Heiztechnik
In der Heiztechnik spielt der Wärmetauscher eine entscheidende Rolle für die Umwandlung von Energie. Durch den Einsatz eines Wärmetauschers kann Wärme zwischen verschiedensten Medien übertragen werden, was beispielsweise auch für Raumheizungen bedeutend ist. Somit ist der Wärmetauscher eine wichtige Komponente für eine effiziente und nachhaltige Energieversorgung in der Heiztechnik.
Wärmetauscher in der Wärmepumpe
Eine Wärmepumpe benötigt immer zwei Wärmetauscher. Der erste nimmt dabei die Umweltwärme aus Luft, Erdreich oder Grundwasser auf. Der zweite überträgt diese Wärmeenergie dann auf den Heizkreis. Die Wärme wird somit immer von einem Medium an ein anderes Medium abgegeben.
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Wärmetauscher im Heizkessel
Bei Gas- & Ölheizungen oder Pelletkesseln befindet sich der Wärmetauscher in der Brennkammer. Die Flamme erhitzt dabei die Luft in der Brennkammer. Diese Wärme überträgt ein Rohrwärmetauscher wiederum auf das Heizwasser. Bei der Brennwerttechnik kommt ein zweiter Wärmetauscher zum Ablauf hinzu. Dieser befindet sich im Abgasstrom und entzieht dem heißen Abgas weitere Wärme, die Sie dann im Haus nutzen können.
Wärmetauscher in der Solarthermie
Auch die Solarthermie braucht Wärmetauscher. Die im Solarkollektor auf dem Dach erzeugte Solarenergie überträgt ihre Temperatur auf das Wärmeträgermedium im Solarkreis. Anschließend geht die Solarwärme vom Solarkreis über einen Wärmetauscher auf das Heizwasser im Solarspeicher über. Da die Kollektoren im Winter auf dem Dach dem Frost ausgesetzt sind, enthält die Solarwärmeträgerflüssigkeit in aller Regel einen Frostschutzzusatz und kann darum nicht direkt als Heizwasser in den Speicher strömen.
Der Solarwärmetauscher kann ein Rohrwendel sein, das fest im Speicher eingebaut ist. In manchen Solarthermie-Anlagen übernimmt aber auch ein externer Plattenwärmetauscher die Wärmeübergabe.
Wärmetauscher in der Wohnraumlüftung
Bei der kontrollierten Wohnraumlüftung mit Wärmerückgewinnung erfolgt der Wärmeaustausch von Luft zu Luft. Die kalte Außenluft strömt im Wärmetauscher an der warmen Abluft vorbei. Dadurch kühlt die Abluft aus und die frische Zuluft erwärmt sich. Das hält die Wärme im Raum und spart Heizkosten ein.
Wärmetauscher in der Warmwasserbereitung
Eine weitere Anwendung für den Wärmetauscher in der Heiztechnik ist die Warmwasserbereitung. Die Pufferspeicher sind dabei häufig mit einem innenliegenden Trinkwarmwasser-Wärmetauscher ausgestattet. Dieser besteht aus einem Edelstahlwellrohr, das sich von unten nach oben durch den gesamten Speicher zieht. Ein Wellrohr hat dabei den Vorteil, dass es eine große Oberfläche für die Wärmeübertragung aufweist. Der Wärmeaustausch erfolgt hierbei im Gleichstrom.
Das Kaltwasser strömt unten in den Speicher und erwärmt sich auf seinem Weg nach oben, bis es nahezu die Temperatur des oberen Speicherbereiches erreicht hat. Alternativ können auch externe Plattenwärmetauscher zur Warmwasserbereitung mit Speicherwasser dienen, die in einer Frischwasserstation verbaut sind.
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05. So werden Wärmetauscher in verschiedenen Wärmepumpen-Arten eingesetzt
Während ein Kessel die Wärmeenergie aus der chemisch gebundenen Energie eines Brennstoffes gewinnt und dabei CO2 ausstößt, entnimmt die Wärmepumpe der Umgebung die Wärme für die Heizung.
Im ersten Schritt des Kältemittel-Kreislaufes strömt dazu kaltes Kältemittel in den Verdampfer. Als Verdampfer wird ein Wärmetauscher in der Wärmepumpe bezeichnet, der die Umweltwärme aufnimmt und auf das Kältemittel überträgt. Dabei verdampft das Kältemittel. Durch Kompression steigt die Temperatur des Kältemittels weiter an. Dann gelangt dieses in den Verflüssiger.
Auch der Verflüssiger ist wieder ein Wärmetauscher in der Wärmepumpe, der die Wärme vom Kältemittel auf den Heizkreis, z.B. die Fußbodenheizung, überträgt. Es findet also wieder ein Wechsel zwischen zwei Medien statt. Anschließend sorgt ein Expansionsventil dafür, dass das nun wieder flüssige Kältemittel seinen Ausgangsdruck zurückerhält und sich so weit abkühlt, dass es wieder Umweltwärme aufnehmen kann.
Wärmetauscher bei der Luftwärmepumpe
Bei der Luft/Wasser- oder der Luft/Luft-Wärmepumpe besteht der Verdampfer meist aus Kupferrohren, auf die Aluminiumrippen gepresst sind. Die Aluminiumrippen vergrößern die Oberfläche und sorgen damit für einen optimalen Wärmeaustausch zwischen der Luft und dem Kältemittel. Damit der Verdampfer die Wärme der Außenluft effektiv aufnehmen kann, saugt ein Ventilator die Luft an. Der Verflüssiger der Luftwärmepumpe besteht mehrheitlich aus einem Plattenwärmetauscher, der eine platzsparende und wirtschaftliche Lösung darstellt.
Wärmetauscher bei der Erdwärmepumpe
Bei der Sole/Wasser-Wärmepumpe kann die Aufnahme der Erdwärme nicht so direkt erfolgen wie aus der Luft. Darum ist diese Wärmepumpe mit einem weiteren, vorgeschalteten Wärmetauscher ausgestattet. Denn im Erdreich befindet sich entweder ein Erdkollektor oder eine Erdsonde, die für die Wärmeübertragung vom Boden auf das Wärmeträgermedium Sole zuständig sind. Diese Sole strömt dann zur Wärmepumpe, wo sie im Verdampfer die Erdwärme auf das Kältemittel überträgt. Dabei bestehen sowohl Verdampfer der Erdwärmepumpe als auch Verflüssiger meist aus einem Plattenwärmetauscher.
Wärmetauscher bei der Grundwasserwärmepumpe
Wenn die Heizung die Wärme des Grundwassers nutzt, wie es die Wasser/Wasser-Wärmepumpe tut, kann sie die Quelle direkt anzapfen. Der Einsatz der Wärmetauscher in solchen Wärmepumpen ist daher sehr ähnlich wie bei der Luftwärmepumpe. Das Grundwasser fließt in den Verdampfer der Wasser-Wasser-Wärmepumpe, der hier genauso wie der Verflüssiger auch meist in Form eines Plattenwärmetauschers zum Einsatz kommt.
Wärmetauscher bei der Brauchwasser-Wärmepumpe
Die Warmwasser-Wärmepumpe, auch Brauchwasser-Wärmepumpe genannt, ist ebenfalls mit mehr als einem Wärmetauscher ausgestattet. Bei dieser Art der Wärmepumpe handelt es sich um eine spezielle Form der Luft/Wasser-Wärmepumpe. Anders als herkömmliche Varianten entnimmt sie jedoch nicht die Wärme der Umgebungsluft zum Heizen, sondern nutzt diese (oftmals Raumwärme) zur Bereitung von Warmwasser.
Die Warmwasser-Wärmepumpe enthält einen Verdampfer mit Radialventilator, der die Umweltwärme aufnimmt. Der Verflüssiger windet sich in Form eines Rohres spiralförmig um den Trinkwasserspeicher, der bei dieser Form der Wärmepumpe im Gerät meist integriert ist. Somit kann das heiße, gasförmige Kältemittel, das durch den Verflüssiger strömt, seine Wärme an das Kaltwasser im Inneren des Speichers abgeben und dabei kondensieren.
Die CHA-Monoblock von WOLF
Diese moderne Luft/Wasser-Wärmepumpe schont nicht nur die Umwelt, weil sie keine fossilen Brennstoffe nutzt und effizient heizt. Sie verwendet auch das natürliche Kältemittel Propan beziehungsweise R290, dessen Treibhauspotenzial deutlich geringer ist als andere Kältemittel.
Es zeigt sich also: Wärmetauscher sind wesentliche Bestandteile von Wärmepumpen und haben einen signifikanten Einfluss auf deren Effizienz. Der Verdampfer sorgt für die optimale Aufnahme der Umweltwärme in die Wärmepumpe, während der Verflüssiger die Wärmeenergie verlustfrei an den Heizkreislauf abgibt.
Durch die direkte Wärmeübertragung werden Energieverluste minimiert und somit die Betriebskosten der Heizung gesenkt. Ohne den Wärmetauscher wäre eine effiziente Nutzung der Umweltwärme schlicht nicht möglich!
