Der Kältemittelkreis in der Wärmepumpe lässt sich in einem Druck/Enthalpie-Diagramm darstellen, das die Enthalpie h (Verdampfungs- und Kondensationsenergie) und den Druck p (in logarithmischer Form) darstellt, das log p, h Diagramm.
Die Enthalpie ist der Energieinhalt. Sie nimmt zu, wenn Wärme zugeführt wird. Die Aggregatzustandsänderungen des Kältemittels im Verdampfer und Kondensator finden bei etwa konstanten Temperaturen statt, da hier fast nur latente Wärme für den Phasenwechsel von flüssig nach dampfförmig und umgekehrt übertragen wird. Die in der Abbildung eingetragene Bogenkurve umschließt den Bereich des „Nassdampfes“. Links von der Bogenkurve liegt das Kältemittel als Flüssigkeit, rechts als überhitzter Dampf, dem „Heißdampf“, vor. Die Temperatur-und Druckverhältnisse im Kältekreislauf richten sich nach den unterschiedlichen Wärmequellen und klimatischen Bedingungen.
Phasen im Kältekreis Heizbetrieb
Verdampfen (6 – 1)
Das flüssige Kältemittel gelangt mit niedrigem Druck (z. B. 6.8 bar) und niedriger Temperatur (z. B. - 5 °C) in den Verdampfer. Die Temperatur des Kältemittels ist niedriger als die der Wärmequelle Sole (z. B. 0 °C). Infolge des Temperaturgefälles fließt ein Energiestrom von der Wärmequelle zum Kältemittel und erwärmt dieses. Dadurch verdampft das Kältemittel und die Enthalpie (Wärmeinhalt) nimmt zu. Die dazu erforderliche Verdampfungsenergie (latente Wärme) wird der Wärmequelle aufgrund der Temperaturdifferenz entzogen. Die Sole kühlt dadurch ab (z. B. -3 °C).
Komprimieren (1 - 3)
Der Kältemitteldampf wird vom Scrollkompressor angesaugt und komprimiert. Dadurch steigt der Druck und die Temperatur des Kältemitteldampfes an (z. B. auf 67 °C bei 21.6 bar). Die vom Scrollkompressor aufgenommene elektrische Antriebsenergie wird in Kompressionsarbeit umgewandelt und dem Kältemittel durch Druck- und Temperaturanstieg zugeführt. Am Ausgang des Kompressors liegt nach dem Kompressionsvorgang überhitzter Kältemitteldampf (Heißdampf) vor.
Dampfzwischeneinspritzung (2)
Die Dampfzwischeneinspritzung in den Kompressor ist im Heizbetrieb und bei Speicherladung aktiv. Mit dieser Maßnahme erfolgt eine Abkühlung des Kältemitteldampfes während des Komprimierens. Der Vorteil dieser Technik liegt in einem höheren Energietransfer (höherer COP) bei niedrigen Wärmequellentemperaturen und gleichzeitig hohen Vorlauftemperaturen. Verflüssigen (3 - 4)
Der hoch temperierte und unter Druck stehende Kältemitteldampf strömt vom Scrollkompressor in den Kondensator. Im Kondensator trifft der Kältemitteldampf (z.B. 67°C) auf das kältere Heizungswasser und gibt aufgrund des Temperaturunterschiedes die Energie an das Heizungswasser (z. B. 35°C) ab. Es ändert sich der Aggregatzustand von Dampf zu flüssig, der Druck 21.6 bar bleibt konstant. Der aus der Kondensation des Kältemittels her rührende Anteil, der auf das Heizwasser übertragenen Wärme (latente Wärme) ist wesentlich größer als der Wärmeanteil aus der fühlbaren Abkühlung des Kältemitteldampfs. Mit der Unterkühlung, die überwiegend im Verflüssiger stattfindet wird erreicht, dass das Expansionsventil immer mit flüssigen Kältemittel beschickt wird.
Unterkühlen im Economizer (4 - 5)
In Abhängigkeit von den Temperaturverhältnissen der Wärmequelle bzw. Wärmenutzungsanlage findet im Heizbetrieb und bei Speicherladung ein Teil der Unterkühlung in einem nachgeschalteten Plattenwärmetauscher (Economizer) statt. Dort wird dem Kältemittel zusätzlich Wärmeenergie entzogen, um damit das Kältemittel für die Dampfzwischeneinspritzung zu verdampfen.
Entspannen (5 - 6)
Durch das elektronische Expansionsventil (EEv) zwischen Kondensator und Verdampfer schließt sich der Kältemittelkreis. Über das elektronische Entspannungsventil wird das unter hohem Druck stehende Kältemittel über einen Druckmindervorgang auf das niedrigere Druckniveau (6.8 bar) entspannt. Dabei sinkt auch die Temperatur des Kältemittels wieder, bis die Ausgangstemperatur erreicht ist. Das Kältemittel ist zur erneuten Wärmeaufnahme bereit. Der Wärmepumpen-Kreislauf ist somit geschlossen.
Funktionsschema Kältekreis Heizbetrieb
Die folgende Darstellung ist ein Beispiel unter den nachstehenden Bedingungen:
- Wärmequelle Sole Bohrung
- Soleeinlass 0 °C, Soleauslass -3 °C,
- Vorlauftemperatur Heizung: 35°C
- Rücklauftemperatur Heizung: 30°C
Legende zum Kältekreis
| 1. | Kondensator (Verflüssiger) |
| 2. | EVI Plattenwärmetauscher (Überhitzer/Unterkühler) |
| 3. | Schmutzfilter |
| 4. | Elektronisches Expansionsventil (VI= Volume Injektion) |
| 5. | Schmutzfilter |
| 6. | Elektronisches Expansionsventil |
| 7. | Scroll-Kompressor |
| 8. | Verdampfer |
| 9. | 4 Wege Ventil (Heizen oder Aktiv Kühlen) |
