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Wärmepumpe Verflüssiger: Grädigkeit, Bauarten und COP-Optimierung durch Kondensationstemperatur
Die großzügige Verflüssiger-Dimensionierung auf 3 bis 5 Kelvin Grädigkeit durch Verdopplung der Wärmeübertragerfläche von 5 auf 10 Quadratmeter kostet 250 bis 500 Euro Mehraufwand, steigert die Jahresarbeitszahl um 0,3 bis 0,8 Punkte und amortisiert sich durch 80 bis 150 Euro jährliche Stromeinsparungen innerhalb 3 bis 5 Jahren.
Der Verflüssiger definiert als druckbestimmendes Element den Kondensationsdruck und damit die erforderliche Verdichterarbeit jeder Kompressions-Wärmepumpe. Jedes Kelvin Absenkung der Verflüssigungstemperatur steigert den Coefficient of Performance um 1,5 bis 4 Prozent durch simultane Reduktion der Kompressionsarbeit und Erhöhung der Kälteleistung. Hocheffiziente Plattenwärmetauscher erreichen bei Gradiitäten von 3 bis 5 Kelvin zwischen Kondensationstemperatur und Heizwasser-Mitteltemperatur Wärmeübergangskoeffizienten von 3.000 bis 5.000 Watt pro Quadratmeter und Kelvin, während luftgekühlte Lamellenwärmetauscher nur 8 bis 15 Kelvin Grädigkeit bei 30 bis 80 Watt pro Quadratmeter und Kelvin luftseitig realisieren.
Thermodynamische Prozesszonen und Wärmeübertragung
Enthitzungszone für überhitztes Heißgas
Das vom Verdichter austretende Kältemittel weist Überhitzungen von 20 bis 40 Kelvin über der Kondensationstemperatur auf. Bei 60 Grad Celsius Kondensationstemperatur erreicht das Heißgas 80 bis 100 Grad Celsius Eintrittstemperatur. Die Enthitzungszone umfasst 15 bis 25 Prozent der gesamten Verflüssigerfläche und überträgt 10 bis 20 Prozent der Heizleistung als sensible Wärme.
Der einphasige Wärmeübergangskoeffizient liegt bei 300 bis 800 Watt pro Quadratmeter und Kelvin für gasförmiges Kältemittel. Die Temperaturdifferenz zum Heizwasser beträgt 15 bis 30 Kelvin und übertrifft die Kondensationszone um Faktor 3 bis 6. Bei 10 Kilowatt Gesamtleistung entfallen 1,5 bis 2 Kilowatt auf die Enthitzung bei 0,8 bis 1,5 Quadratmeter Fläche.
R410A kühlt von 85 auf 60 Grad Celsius bei 38 bar Kondensationsdruck und gibt dabei 25 Kilojoule pro Kilogramm sensible Wärme ab. R290 erreicht 95 Grad Celsius Heißgastemperatur bei 24 bar und kühlt auf 60 Grad Celsius mit 35 Kilojoule pro Kilogramm Enthalpieabnahme. R32 liegt mit 90 Grad Celsius bei 34 bar dazwischen.
Kondensationszone mit Phasenwechsel
Die Hauptzone realisiert 65 bis 75 Prozent der Gesamtfläche und überträgt 70 bis 80 Prozent der Heizleistung durch Phasenwechsel von Gas zu Flüssigkeit. Die latente Verdampfungsenthalpie beträgt 150 bis 250 Kilojoule pro Kilogramm abhängig vom Kältemittel. R290 erreicht 320 Kilojoule pro Kilogramm bei 24 bar, R410A liefert 190 Kilojoule pro Kilogramm bei 38 bar, R32 bietet 240 Kilojoule pro Kilogramm bei 34 bar.
Der Wärmeübergangskoeffizient steigt während der Filmkondensation auf 1.500 bis 4.000 Watt pro Quadratmeter und Kelvin. Die hohen Werte resultieren aus turbulenter Kondensatströmung an gerippten oder gewellten Oberflächen. Glatte Rohroberflächen erreichen nur 800 bis 1.500 Watt pro Quadratmeter und Kelvin. Die Grädigkeit zwischen Kondensationstemperatur und mittlerer Heizwassertemperatur bestimmt die erforderliche Fläche.
Reale Verflüssiger weisen Druckverluste von 0,2 bis 0,8 bar kältemittelseitig auf. Der kontinuierliche Druckabfall reduziert die Kondensationstemperatur um 0,5 bis 2 Kelvin vom Eintritt zum Austritt. Die Gleittemperatur beeinflusst die mittlere logarithmische Temperaturdifferenz und muss bei der Auslegung mit Korrekturfaktoren von 0,85 bis 0,95 berücksichtigt werden.
Unterkühlungszone zur Effizienzsteigerung
Die vollständig kondensierte Kältemittelflüssigkeit kühlt in der finalen Zone 3 bis 8 Kelvin unter die Sättigungstemperatur ab. Diese Unterkühlung nutzt 10 bis 20 Prozent der Verflüssigerfläche und überträgt 5 bis 10 Prozent der Heizleistung. Der sensible Wärmeübergangskoeffizient sinkt auf 400 bis 1.200 Watt pro Quadratmeter und Kelvin für einphasige Flüssigkeitsströmung.
Die Unterkühlung reduziert die Enthalpie vor dem Expansionsventil von 270 auf 255 Kilojoule pro Kilogramm bei 5 Kelvin Temperaturabsenkung. Die verfügbare Enthalpiedifferenz im Verdampfer steigt von 180 auf 195 Kilojoule pro Kilogramm, was die Kälteleistung um 8,3 Prozent erhöht. Der COP verbessert sich um 0,15 bis 0,25 Punkte bei konstantem Massenstrom.
Unzureichende Unterkühlung unter 2 Kelvin birgt Dampfblasenbildung durch Druckverluste in der Flüssigkeitsleitung. Jeder Meter vertikaler Höhenunterschied verursacht 0,1 bar Druckverlust, was die Sättigungstemperatur um 0,3 bis 0,5 Kelvin senkt. Anlagen mit 3 Meter Höhendifferenz benötigen mindestens 4 Kelvin Unterkühlung für stabilen Betrieb ohne Flashgas vor dem Expansionsventil.
Plattenwärmetauscher: Konstruktion und Leistungsparameter
Gelötete Bauweise für kompakte Hochleistung
Gelötete Plattenwärmetauscher vereinen 20 bis 80 gewellte Edelstahlplatten mit 0,4 bis 0,6 Millimeter Dicke zu kompakten Einheiten. Die Chevron-Wellung mit 30 bis 60 Grad Winkel erzeugt Turbulenzen und erreicht Wärmeübergangskoeffizienten von 3.000 bis 5.000 Watt pro Quadratmeter und Kelvin. Die Plattengröße variiert zwischen 0,15 und 0,45 Quadratmeter pro Stück für Einfamilienhaus-Anwendungen.
Eine 10-Kilowatt-Wärmepumpe benötigt 30 bis 40 Platten bei 3 bis 5 Kelvin Grädigkeit. Die Gesamtübertragungsfläche beträgt 6 bis 12 Quadratmeter bei Außenabmessungen von 200 × 150 × 400 Millimeter. Das Gewicht liegt bei 8 bis 18 Kilogramm betriebsbereit. Die volumetrische Leistungsdichte erreicht 0,8 bis 1,2 Kilowatt pro Liter Bauvolumen.
Kupferlötung mit 50 bis 72 Prozent Kupferanteil erfolgt bei 720 bis 900 Grad Celsius Löttemperatur. Die Verbindung erreicht 200 bis 300 Newton pro Quadratmillimeter Zugfestigkeit. Nickellötung für aggressive Medien verwendet 70 bis 95 Prozent Nickelanteil bei 950 bis 1.100 Grad Celsius. Die höhere Temperatur erfordert spezielle Lötöfen und erhöht Kosten um 40 bis 60 Prozent.
Der maximale Betriebsdruck liegt bei 30 bis 45 bar für Standardausführungen mit Edelstahl 1.4404 und Kupferlötung. Hochdruckversionen für R410A erreichen 50 bar mit verstärkten Plattendicken von 0,6 bis 0,8 Millimeter. Die Prüfdrücke betragen das 1,3- bis 1,5-fache des Betriebsdrucks. Die Temperaturbeständigkeit erstreckt sich von minus 195 bis plus 200 Grad Celsius.
Geschraubte Ausführung für Wartbarkeit
Geschraubte Plattenwärmetauscher fixieren einzelne Platten zwischen Stahlrahmen mit M16- bis M24-Schrauben bei 80 bis 120 Newton-Meter Anzugsdrehmoment. EPDM-Dichtungen mit 5 bis 8 Millimeter Dicke trennen Kältemittel- und Heizwasserkanäle. Die Dichtungen widerstehen Temperaturen von minus 40 bis plus 150 Grad Celsius und Drücken bis 25 bar.
Die variable Plattenzahl erlaubt nachträgliche Anpassung der Übertragungsfläche durch Hinzufügen oder Entfernen von Platten ohne kompletten Tausch. Eine 10-Kilowatt-Anlage startet mit 35 Platten und erweitert auf 50 Platten für 15 Kilowatt Leistung durch 15 zusätzliche Platten à 45 bis 65 Euro. Die Rahmenkonstruktion dimensioniert auf maximale Plattenzahl.
Der Platzbedarf übertrifft gelötete Versionen um 40 bis 60 Prozent durch 100 bis 150 Millimeter Rahmenbreite je Seite. Eine 10-Kilowatt-Einheit benötigt 300 × 200 × 500 Millimeter Bauraum gegenüber 200 × 150 × 400 Millimeter gelötet. Das Gewicht steigt um 30 bis 50 Prozent auf 12 bis 25 Kilogramm durch Stahlrahmen und Verschraubung.
Die Anschaffungskosten betragen 600 bis 1.500 Euro für 10-Kilowatt-Leistung und übertreffen gelötete Ausführungen um 50 bis 80 Prozent. Die Wartungskosten sinken durch manuelle Plattenreinigung alle 3 bis 5 Jahre für 200 bis 400 Euro ohne Spezialchemikalien. Gelötete Tauscher erfordern chemische CIP-Reinigung für 400 bis 800 Euro oder Austausch bei Verockerung.
Dimensionierung nach Grädigkeit
Die erforderliche Übertragungsfläche berechnet sich aus Heizleistung, Grädigkeit und Wärmeübergangskoeffizient. Bei 10 Kilowatt Leistung, 4 Kelvin Grädigkeit und 4.000 Watt pro Quadratmeter und Kelvin beträgt die Fläche 0,625 Quadratmeter reine Übertragungsfläche ohne Sicherheitszuschlag. Mit 20 Prozent Reserve resultieren 0,75 Quadratmeter Nettofläche.
Die Bruttoplattenanzahl inkludiert Strömungsverteilung und Randeffekte mit Faktor 1,8 bis 2,2. Eine 0,75 Quadratmeter Nettofläche erfordert 1,35 bis 1,65 Quadratmeter Bruttoplattenfläche. Bei 0,20 Quadratmeter pro Platte ergeben sich 7 bis 8 Platten für die Kondensationszone. Die Gesamtanlage benötigt 25 bis 35 Platten inklusive Enthitzung und Unterkühlung.
Eine Reduktion der Grädigkeit von 8 auf 4 Kelvin halbiert die treibende Temperaturdifferenz und verdoppelt die erforderliche Fläche von 0,375 auf 0,75 Quadratmeter. Die Plattenzahl steigt von 15 auf 30 Stück. Die Materialkosten erhöhen sich um 250 bis 500 Euro von 450 auf 700 bis 950 Euro. Der COP steigt von 3,6 auf 4,0 durch 4 Kelvin niedrigere Kondensationstemperatur.
Rohr-in-Rohr-Verflüssiger für Extremdrücke
Konstruktion für R744-Hochdruckanwendungen
Koaxiale Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher bestehen aus Innenrohren mit 12 bis 22 Millimeter Außendurchmesser und Außenrohren mit 22 bis 35 Millimeter Innendurchmesser. Die Wandstärken betragen 1,5 bis 2,5 Millimeter innen und 2 bis 3 Millimeter außen für R744-Betriebsdrücke bis 120 bar. Standard-Kältemittel benötigen nur 1 bis 1,5 Millimeter Wandstärke bei maximal 45 bar.
Das Kältemittel strömt im Innenrohr mit Geschwindigkeiten von 1,5 bis 3,5 Meter pro Sekunde. Das Heizwasser zirkuliert im Ringspalt mit 0,3 bis 0,8 Meter pro Sekunde. Die höhere Kältemittelgeschwindigkeit kompensiert den schlechteren Wärmeübergang von Wasser im Ringspalt. Die Gegenstrom-Anordnung maximiert die mittlere logarithmische Temperaturdifferenz auf 8 bis 12 Kelvin.
Die Rohrlänge variiert zwischen 3 und 8 Meter für 8 bis 15 Kilowatt Heizleistung. Spiralförmige Anordnung mit 300 bis 400 Millimeter Wickeldurchmesser reduziert den Platzbedarf auf 400 × 250 × 250 Millimeter Einbauvolumen. Gerade Rohrbündel benötigen 3.000 bis 8.000 × 80 × 80 Millimeter bei schwieriger Montage in Gerätegehäusen.
Materialien für transkritischen Betrieb
Kupferlegierung K65 mit erhöhter Zugfestigkeit von 280 bis 380 Newton pro Quadratmillimeter ersetzt Standard-Kupfer mit 200 bis 250 Newton pro Quadratmillimeter für R744-Anwendungen. Die Legierung enthält 0,8 bis 1,2 Prozent Phosphor für Kaltverfestigung. Die Wärmeleitfähigkeit liegt bei 330 Watt pro Meter und Kelvin und erreicht 85 Prozent von Reinkupfer mit 385 Watt pro Meter und Kelvin.
Das Außenrohr verwendet Edelstahl 1.4404 oder Kupfer abhängig von Heizwasser-Qualität. Edelstahl bietet Korrosionsschutz bei chloridhaltigen Wässern über 100 Milligramm pro Liter. Kupfer erreicht bessere Wärmeleitfähigkeit bei Trinkwasser unter 50 Milligramm pro Liter Chlorid und pH-Werten zwischen 7 und 8,5.
Die Rohrverbindung erfolgt durch Hartlötung mit Silberlot bei 600 bis 750 Grad Celsius. Die Lötnaht erreicht 180 bis 250 Newton pro Quadratmillimeter Festigkeit. Schweißverbindungen für Edelstahl verwenden WIG-Verfahren mit Argon-Schutzgas. Die Schweißnaht muss nach DIN EN 13480 röntgengeprüft werden für Drücke über 100 bar.
Leistungscharakteristik und Einsatzgrenzen
Der Wärmeübergangskoeffizient liegt bei 800 bis 1.500 Watt pro Quadratmeter und Kelvin und erreicht nur 25 bis 45 Prozent der Werte von Plattenwärmetauschern. Die glatte Rohrgeometrie verhindert Turbulenzerzeugung. Innere Rippen steigern den Koeffizienten auf 1.200 bis 2.000 Watt pro Quadratmeter und Kelvin bei 20 bis 30 Prozent höheren Kosten.
Eine 10-Kilowatt-Anlage benötigt 5 bis 6 Meter Rohrlänge bei 18 Millimeter Innendurchmesser und 28 Millimeter Außendurchmesser. Die Übertragungsfläche beträgt 0,28 Quadratmeter innen und 0,44 Quadratmeter außen bei 6 Meter Länge. Die volumetrische Leistungsdichte erreicht nur 0,3 bis 0,5 Kilowatt pro Liter Bauvolumen gegenüber 0,8 bis 1,2 Kilowatt pro Liter bei Plattenwärmetauschern.
Die Kosten betragen 800 bis 1.800 Euro für Standard-Kältemittel bis 45 bar. R744-Hochdruckausführungen bis 120 bar erreichen 1.200 bis 2.500 Euro durch K65-Kupfer und verstärkte Konstruktion. Die Lebensdauer übertrifft Plattenwärmetauscher bei 20 bis 25 Jahren gegenüber 15 bis 18 Jahren durch robuste Bauweise ohne Lötverbindungen zwischen Platten.
Lamellenwärmetauscher für luftgekühlte Systeme
Aufbau und geometrische Parameter
Luftgekühlte Verflüssiger vereinen Kupferrohre mit 8 bis 12 Millimeter Außendurchmesser und aluminiumbeschichtete Lamellen mit 0,15 bis 0,25 Millimeter Dicke. Der Lamellenabstand beträgt 2 bis 4 Millimeter für optimalen Kompromiss zwischen Wärmeübertragung und Luftwiderstand. Engere Abstände unter 2 Millimeter erhöhen Verschmutzungsneigung durch Staub und Pollen.
Die Rohranordnung erfolgt in 2 bis 4 Reihen hintereinander mit 25 bis 35 Millimeter Rohrabstand pro Reihe. Die Lamellengeometrie verwendet Wellungen oder Schlitze zur Turbulenzerzeugung. Glatte Lamellen erreichen nur 40 bis 60 Prozent der Wärmeübertragung von strukturierten Oberflächen. Die Rippeneffizienz liegt bei 0,75 bis 0,85 abhängig von Lamellendicke und Wärmeleitfähigkeit.
Die Gesamtübertragungsfläche beträgt 8 bis 25 Quadratmeter für 8 bis 15 Kilowatt Heizleistung. Eine 10-Kilowatt-Anlage nutzt 15 Quadratmeter Lamellenfläche bei Außenabmessungen von 900 × 700 × 120 Millimeter. Das Gewicht erreicht 12 bis 20 Kilogramm. Die flächenspezifische Leistung liegt bei 0,4 bis 0,8 Kilowatt pro Quadratmeter Lamellenfläche.
Luftseitiger Wärmeübergang und Grädigkeit
Der luftseitige Wärmeübergangskoeffizient liegt bei 30 bis 80 Watt pro Quadratmeter und Kelvin und limitiert die Gesamtwärmeübertragung. Die niedrigen Werte resultieren aus geringer Wärmekapazität und Dichte der Luft. Kältemittelseitig erreichen Kupferrohre 800 bis 1.500 Watt pro Quadratmeter und Kelvin, was den Luftwiderstand dominiert.
Die erforderliche Grädigkeit zwischen Kondensationstemperatur und Lufteintrittstemperatur beträgt 8 bis 15 Kelvin. Bei 25 Grad Celsius Außenluft und 10 Kelvin Grädigkeit kondensiert das Kältemittel bei 35 Grad Celsius für Kühlbetrieb oder 50 bis 65 Grad Celsius für Heizbetrieb mit höheren Gradiitäten von 12 bis 18 Kelvin.
Die Lufterwärmung liegt bei 8 bis 15 Kelvin vom Eintritt zum Austritt. Bei 2.500 Kubikmeter pro Stunde Luftdurchsatz und 10 Kelvin Erwärmung beträgt die abgegebene Leistung 8,7 Kilowatt. Die Luftgeschwindigkeit erreicht 1,5 bis 2,5 Meter pro Sekunde durch den Wärmetauscher. Höhere Geschwindigkeiten steigern Wärmeübergang um 15 bis 25 Prozent bei verdoppeltem Druckverlust und Ventilatorleistung.
Ventilatorleistung und COP-Einfluss
Axialventilatoren mit 400 bis 600 Millimeter Durchmesser fördern 2.000 bis 6.000 Kubikmeter Luft pro Stunde gegen Druckverluste von 80 bis 180 Pascal. Die elektrische Leistungsaufnahme beträgt 80 bis 250 Watt für Einfamilienhaus-Anlagen. EC-Motoren erreichen Wirkungsgrade von 75 bis 85 Prozent gegenüber 50 bis 65 Prozent bei AC-Motoren.
Die Ventilatorleistung reduziert den System-COP um 0,15 bis 0,35 Punkte gegenüber wassergeführten Systemen ohne Ventilator. Bei COP 4,0 ohne Ventilator sinkt die Leistungszahl auf 3,65 bis 3,85 mit Ventilator. Eine 10-Kilowatt-Anlage mit 150 Watt Ventilatorleistung und 2.500 Watt Verdichterleistung erreicht COP 3,77 statt 4,0 bei rein wassergeführter Ausführung.
Drehzahlregelung über Frequenzumrichter passt die Luftmenge an die Außentemperatur an. Bei 15 Grad Celsius Außentemperatur genügen 60 Prozent Ventilatorleistung für ausreichende Kondensation. Die kubische Leistungsreduktion senkt den Verbrauch auf 22 Prozent bei 60 Prozent Drehzahl. Die Jahresarbeitszahl steigt um 0,08 bis 0,15 Punkte durch bedarfsgerechte Regelung.
Grädigkeit als Effizienz-Hauptparameter
Quantifizierung des COP-Gewinns
Jedes Kelvin Absenkung der Verflüssigungstemperatur steigert den Coefficient of Performance um 1,5 bis 4 Prozent abhängig vom Kältemittel und Temperaturniveau. R290 erreicht 2,8 bis 3,5 Prozent COP-Steigerung pro Kelvin bei Kondensationstemperaturen zwischen 50 und 70 Grad Celsius. R410A liegt bei 1,8 bis 2,5 Prozent, R32 bei 2,2 bis 3,0 Prozent pro Kelvin.
Die Mechanismen wirken kumulativ. Die reduzierte Kondensationstemperatur senkt den erforderlichen Kondensationsdruck proportional zur Dampfdruckkurve. Bei R290 sinkt der Druck von 26 bar bei 65 Grad Celsius auf 22 bar bei 60 Grad Celsius. Das Druckverhältnis reduziert sich von 4,3 auf 3,7 bei 6 bar Verdampfungsdruck. Die Verdichterarbeit sinkt um 12 bis 15 Prozent.
Gleichzeitig steigt die Unterkühlung bei konstanter Verflüssigerfläche von 3 auf 6 Kelvin durch niedrigere Austrittstemperatur. Die Kälteleistung erhöht sich um 5 bis 8 Prozent durch größere Enthalpiedifferenz im Verdampfer. Die kombinierte Wirkung aus 12 bis 15 Prozent weniger Verdichterarbeit und 5 bis 8 Prozent mehr Kälteleistung ergibt 18 bis 25 Prozent COP-Verbesserung bei 5 Kelvin Kondensationstemperatur-Absenkung.
Dimensionierungsstrategie und Amortisation
Die Reduktion der Grädigkeit von 8 auf 4 Kelvin erfordert Verdopplung der Wärmeübertragerfläche bei konstantem Wärmeübergangskoeffizienten. Ein 10-Kilowatt-Verflüssiger mit 5 Quadratmeter bei 8 Kelvin Grädigkeit benötigt 10 Quadratmeter für 4 Kelvin. Die Plattenzahl steigt von 25 auf 50 Stück bei 0,20 Quadratmeter pro Platte.
Die Materialkosten erhöhen sich um 250 bis 500 Euro von 450 auf 700 bis 950 Euro für gelötete Plattenwärmetauscher. Geschraubte Ausführungen verteuern sich um 400 bis 700 Euro von 700 auf 1.100 bis 1.400 Euro. Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher verlängern sich um 3 bis 4 Meter mit Mehrkosten von 300 bis 600 Euro.
Der COP steigt von 3,6 auf 4,0 durch 4 Kelvin niedrigere Kondensationstemperatur von 64 auf 60 Grad Celsius. Bei 2.000 Volllaststunden jährlich und 2.500 Watt Verdichterleistung sinkt der Stromverbrauch von 1.389 Kilowattstunden auf 1.250 Kilowattstunden. Die Einsparung beträgt 139 Kilowattstunden oder 35 Euro bei 25 Cent pro Kilowattstunde Strompreis.
Die Amortisationszeit beträgt 7 bis 14 Jahre bei 35 Euro jährlicher Einsparung und 250 bis 500 Euro Mehrkosten. Bei steigenden Strompreisen auf 35 Cent pro Kilowattstunde verkürzt sich die Amortisation auf 5 bis 10 Jahre durch 49 Euro Jahreseinsparung. Die BEG-Förderung von 30 bis 70 Prozent reduziert die Eigenkosten um 75 bis 350 Euro und beschleunigt die Amortisation auf 3 bis 5 Jahre.
Flächenheizung als Voraussetzung
Niedrige Vorlauftemperaturen von 30 bis 45 Grad Celsius durch Fußbodenheizung, Wandheizung oder Deckenheizung ermöglichen Verflüssigungstemperaturen von 35 bis 50 Grad Celsius bei 3 bis 5 Kelvin Grädigkeit. Heizkörpersysteme benötigen 55 bis 70 Grad Celsius Vorlauf und erzwingen Kondensationstemperaturen von 60 bis 75 Grad Celsius.
Die höheren Temperaturen steigern den Kondensationsdruck von 22 auf 32 bar bei R290 oder von 34 auf 50 bar bei R32. Das Druckverhältnis erhöht sich von 3,7 auf 5,3 bei R290 oder von 5,7 auf 8,3 bei R32. Die Verdichterarbeit steigt um 30 bis 45 Prozent. Der COP sinkt von 4,5 auf 3,2 bei Flächenheizung gegenüber Heizkörpern.
Die Nachrüstung von Niedertemperatur-Plattenheizkörpern mit 0,8 bis 1,2 Quadratmeter Fläche pro Kilowatt Heizlast senkt die Vorlauftemperatur von 70 auf 50 bis 55 Grad Celsius. Die Investition von 2.500 bis 4.500 Euro für 10 Kilowatt Heizlast steigert die JAZ von 2,8 auf 3,5 bis 3,8. Die Amortisation erfolgt durch 350 bis 550 Euro jährliche Stromeinsparung innerhalb 5 bis 8 Jahren.
Materialwahl nach Medienqualität
Edelstahl 1.4404 für Standardwässer
Edelstahl 1.4404 (316L) mit 16 bis 18 Prozent Chrom, 10 bis 14 Prozent Nickel und 2 bis 3 Prozent Molybdän bildet das Standardmaterial für Plattenwärmetauscher. Der Kohlenstoffgehalt unter 0,03 Prozent verhindert Chromkarbidausscheidung und interkristalline Korrosion in Wärmeeinflusszone von Schweißnähten. Die Kupferlötung erfolgt bei 720 bis 900 Grad Celsius ohne Sensibilisierung des Grundmaterials.
Die Korrosionsbeständigkeit reicht für Trinkwasser mit Chloridkonzentrationen bis 200 Milligramm pro Liter und pH-Werten zwischen 5 und 9. Heizungswasser mit 50 bis 100 Milligramm pro Liter Chlorid und pH 7 bis 8,5 stellt keine Gefährdung dar. Die Temperaturbeständigkeit erstreckt sich von minus 195 bis plus 400 Grad Celsius für strukturelle Integrität und minus 40 bis plus 200 Grad Celsius für Betriebstemperaturen.
Die Wärmeleitfähigkeit liegt bei 15 Watt pro Meter und Kelvin und erreicht nur 4 Prozent von Kupfer mit 385 Watt pro Meter und Kelvin. Die dünnen Plattendicken von 0,4 bis 0,6 Millimeter kompensieren den Nachteil durch minimalen thermischen Widerstand von 0,000027 bis 0,00004 Quadratmeter Kelvin pro Watt. Die Plattengeometrie dominiert die Gesamtwärmeübertragung.
Kupfergelötete Plattenwärmetauscher kosten 300 bis 800 Euro für 10-Kilowatt-Anlagen mit 30 bis 40 Platten. Die Lebensdauer beträgt 15 bis 18 Jahre bei Standardheizungswasser. Grundwasser mit Eisenkonzentrationen über 0,2 Milligramm pro Liter oder Mangangehalten über 0,1 Milligramm pro Liter reduziert die Lebensdauer auf 8 bis 12 Jahre durch Verockerung.
Titan für aggressive Grundwässer
Titan Grade 1 oder Grade 2 mit 99,5 bis 99,7 Prozent Titananteil bietet überlegene Korrosionsbeständigkeit durch selbstreparierende Passivschicht aus Titandioxid. Die Oxidschicht bildet sich spontan bei Sauerstoffkontakt und regeneriert nach mechanischer Beschädigung innerhalb Millisekunden. Die Beständigkeit umfasst Chloridkonzentrationen bis 10.000 Milligramm pro Liter und pH-Werte von 2 bis 12.
Die Eisentoleranz erreicht 5 Milligramm pro Liter ohne Verockerung der Wärmeübertragerflächen. Mangangehalte bis 1 Milligramm pro Liter verursachen keine Ablagerungen. Schwefelwasserstoff bis 2 Milligramm pro Liter greift Titan nicht an, während Edelstahl bei 0,1 Milligramm pro Liter Lochkorrosion erleidet. Die Temperaturbeständigkeit liegt zwischen minus 270 und plus 600 Grad Celsius.
Die Wärmeleitfähigkeit beträgt 17 Watt pro Meter und Kelvin und übertrifft Edelstahl um 13 Prozent. Die Dichte liegt bei 4,5 Gramm pro Kubikzentimeter gegenüber 7,9 Gramm pro Kubikzentimeter für Edelstahl. Ein Titan-Plattenwärmetauscher wiegt 5 bis 11 Kilogramm gegenüber 8 bis 18 Kilogramm Edelstahl bei gleicher Leistung. Die Zugfestigkeit erreicht 270 bis 410 Newton pro Quadratmillimeter abhängig vom Grade.
Titan-Plattenwärmetauscher kosten 2.500 bis 5.500 Euro für 10-Kilowatt-Anlagen und übertreffen Edelstahl-Ausführungen um Faktor 4 bis 8. Die Lebensdauer verlängert sich auf 25 bis 30 Jahre in aggressiven Grundwässern gegenüber 8 bis 12 Jahren für Edelstahl. Die Mehrkosten von 2.000 bis 4.500 Euro amortisieren durch vermiedenen Austausch nach 8 bis 12 Jahren für 3.000 bis 6.000 Euro Neuinvestition plus 1.500 bis 2.500 Euro Montage.
Grundwasseranalyse als Entscheidungsgrundlage
Die chemische Wasseranalyse vor Wärmepumpen-Installation bestimmt die erforderliche Materialwahl. Kritische Parameter umfassen Eisen, Mangan, Chlorid, Sulfat, pH-Wert, elektrische Leitfähigkeit und Sauerstoffgehalt. Die Analyse kostet 150 bis 350 Euro durch akkreditierte Labore nach DIN 38406 und DIN EN ISO 10304.
Eisenkonzentrationen über 0,2 Milligramm pro Liter oder Mangangehalte über 0,1 Milligramm pro Liter erfordern Titan-Verflüssiger oder regelmäßige Reinigung alle 6 bis 12 Monate. Chloridgehalte über 200 Milligramm pro Liter gefährden Edelstahl 1.4404 und erzwingen höherlegierte Edelstähle 1.4539 oder Titan. Schwefelwasserstoff über 0,05 Milligramm pro Liter verlangt zwingend Titan.
Die elektrische Leitfähigkeit sollte unter 800 Mikrosiemens pro Zentimeter liegen für minimale Korrosionsneigung. Werte über 1.500 Mikrosiemens pro Zentimeter beschleunigen elektrochemische Korrosion um Faktor 3 bis 5. Der pH-Wert zwischen 7,0 und 8,5 minimiert Korrosionsrisiken. Werte unter 6,5 erhöhen Kupferlösung aus Lötverbindungen auf 0,5 bis 2 Milligramm pro Liter.
Fouling-Management und Wartung
Verockerung durch Eisen- und Manganoxide
Die Verockerung beschreibt Ablagerung von Eisenoxiden und Manganoxiden auf Wärmeübertragerflächen durch Oxidation zweiwertiger zu dreiwertigen Ionen. Das gelöste zweiwertige Eisen Fe²⁺ oxidiert zu dreiwertigem Eisen Fe³⁺ und fällt als rotbraunes Eisenhydroxid Fe(OH)₃ aus. Zwerwertiges Mangan Mn²⁺ bildet schwarzbraunes Braunstein MnO₂.
Die Oxidation erfolgt bei Sauerstoffkontakt, pH-Werten über 7,0 und Redoxpotenzialen über 100 Millivolt. Grundwasser mit 0,5 Milligramm pro Liter Eisen und 3 Milligramm pro Liter Sauerstoff bildet 0,9 Milligramm pro Liter Eisenhydroxid-Schlamm. Bei 2.000 Liter pro Stunde Durchfluss akkumulieren 1,8 Gramm Schlamm pro Stunde oder 43 Gramm pro Tag.
Die Ablagerungen erhöhen den thermischen Widerstand um 0,0001 bis 0,0005 Quadratmeter Kelvin pro Watt pro Millimeter Schichtdicke. Eine 2 Millimeter Verockerungsschicht steigert den Widerstand um 0,0002 bis 0,001 Quadratmeter Kelvin pro Watt. Die Grädigkeit erhöht sich von 4 auf 6 bis 8 Kelvin bei konstanter Heizleistung. Die Kondensationstemperatur steigt um 2 bis 4 Kelvin. Der COP sinkt von 4,0 auf 3,6 bis 3,8.
Reinigungsmethoden und -intervalle
Die chemische CIP-Reinigung (Cleaning in Place) ohne Demontage nutzt verdünnte Säuren oder Komplexbildner. Zitronensäure mit 5 bis 10 Prozent Konzentration bei 40 bis 60 Grad Celsius löst Kalkablagerungen und Eisenoxide. Die Einwirkzeit beträgt 2 bis 4 Stunden bei 0,2 bis 0,5 Meter pro Sekunde Durchflussgeschwindigkeit. Die Chemikalienkosten liegen bei 80 bis 150 Euro pro Reinigung.
Phosphorsäure mit 3 bis 8 Prozent Konzentration entfernt hartnäckige Manganoxide und Braunstein. Die Kontaktzeit erstreckt sich auf 4 bis 6 Stunden bei 50 bis 70 Grad Celsius Temperatur. Anschließende Neutralisation mit Natronlauge stellt pH 7 bis 8 wieder her. Die Gesamtkosten betragen 150 bis 300 Euro inklusive Neutralisationsmittel und Entsorgung.
Die mechanische Reinigung geschraubter Plattenwärmetauscher erfordert Demontage und manuelle Plattenreinigung. Die Arbeitsdauer beträgt 3 bis 5 Stunden für 30 bis 50 Platten. Hochdruckreiniger mit 80 bis 120 bar entfernen lose Ablagerungen. Hartnäckige Verockerungen benötigen Bürsten und Schleifvliese. Die Arbeitskosten liegen bei 250 bis 450 Euro zuzüglich 50 bis 100 Euro Dichtungssätze.
Die Reinigungsintervalle variieren nach Wasserqualität. Grundwasser mit 0,2 bis 0,5 Milligramm pro Liter Eisen erfordert Reinigung alle 2 bis 3 Jahre. Konzentrationen von 0,5 bis 1 Milligramm pro Liter verkürzen das Intervall auf 12 bis 18 Monate. Werte über 1 Milligramm pro Liter erzwingen halbjährliche Reinigung oder Titan-Verflüssiger mit 3- bis 5-jährigen Intervallen.
Präventive Maßnahmen
Geschlossene Systeme mit Zwischenwärmetauscher isolieren das aggressive Grundwasser vom Kältekreislauf. Das Grundwasser durchströmt einen separaten Wärmetauscher und erwärmt ein geschlossenes Solegemisch, das wiederum den Verdampfer speist. Die Investition erhöht sich um 2.000 bis 4.000 Euro für den zusätzlichen Wärmetauscher. Die Jahresarbeitszahl sinkt um 0,2 bis 0,4 Punkte durch zusätzliche Temperaturdifferenz.
Kontinuierliche mechanische Reinigung durch TAPROGGE-Kugelsysteme hält Wärmeübertragerflächen sauber. Schwammgummikugeln mit 2 bis 4 Millimeter größerem Durchmesser als die Rohre zirkulieren permanent und reinigen durch mechanischen Abrieb. Das System kostet 3.500 bis 6.500 Euro Installation plus 300 bis 500 Euro jährliche Wartung. Die Effizienzverbesserung von 8 bis 12 Prozent durch saubere Flächen amortisiert die Investition innerhalb 4 bis 7 Jahren.
Wasseraufbereitung durch Belüftung und Filtration oxidiert und entfernt Eisen vor dem Verflüssiger. Eine Belüftungsanlage mit 3 bis 5 Kubikmeter pro Stunde Kapazität kostet 2.500 bis 4.500 Euro. Sandfilter mit 0,8 bis 1,2 Meter Durchmesser entfernen ausgefälltes Eisen. Die Gesamtinvestition beträgt 5.000 bis 9.000 Euro. Die Betriebskosten liegen bei 150 bis 300 Euro jährlich für Filterwechsel und Strom.
Regelung und Betriebsoptimierung
Dynamische Hochdruckregelung
Die Kondensationstemperatur wird durch Heizwasser-Durchfluss oder Ventilator-Drehzahl beeinflusst. Elektronische Expansionsventile (EEV) mit Schrittmotoren ermöglichen präzise Unterkühlung von 4 bis 8 Kelvin gegenüber 2 bis 6 Kelvin bei thermostatischen Expansionsventilen. Die EEV-Regelung steigert die Jahresarbeitszahl um 0,1 bis 0,2 Punkte durch optimierte Kältemittelfüllung.
Die Heizwasser-Umwälzpumpe mit Frequenzumrichter passt den Volumenstrom an die Heizlast an. Bei 50 Prozent Teillast genügen 70 Prozent Durchfluss für ausreichende Wärmeabfuhr. Die kubische Leistungsreduktion senkt den Pumpenverbrauch von 100 auf 34 Prozent bei 70 Prozent Drehzahl. Die jährliche Stromeinsparung beträgt 60 bis 120 Kilowattstunden oder 15 bis 30 Euro.
Die Gleittemperatur-Regelung senkt die Vorlauftemperatur bei milden Außentemperaturen. Bei 10 Grad Celsius Außentemperatur sinkt der Vorlauf von 45 auf 35 Grad Celsius für Fußbodenheizung. Die Kondensationstemperatur reduziert sich von 50 auf 40 Grad Celsius. Der COP steigt von 4,0 auf 4,8. Die durchschnittliche Jahresarbeitszahl verbessert sich um 0,3 bis 0,5 Punkte.
Abtauzyklen bei luftgekühlten Verflüssigern
Luftgekühlte Verflüssiger vereisen bei Außentemperaturen zwischen minus 5 und plus 5 Grad Celsius und relativen Feuchtigkeiten über 70 Prozent. Die Eisbildung blockiert Luftströmung und reduziert Wärmeübertragung um 40 bis 70 Prozent. Abtauzyklen alle 45 bis 90 Minuten entfernen das Eis durch Heißgas-Umkehr oder elektrische Heizmatten.
Die Heißgas-Abtauung kehrt den Kältekreislauf um und leitet heißes Kältemittel vom Verdichter direkt zum Verflüssiger. Die Eisschmelze dauert 3 bis 8 Minuten bei 60 bis 80 Grad Celsius Kältemitteltemperatur. Der Energieverbrauch beträgt 0,3 bis 0,6 Kilowattstunden pro Abtauzyklus. Bei 8 Zyklen täglich ergeben sich 2,4 bis 4,8 Kilowattstunden oder 3 bis 6 Prozent des Tagesverbrauchs.
Elektrische Heizmatten mit 1.000 bis 2.500 Watt Leistung schmelzen Eis in 5 bis 10 Minuten. Der Stromverbrauch liegt bei 0,08 bis 0,42 Kilowattstunden pro Zyklus. Die niedrigere Effizienz resultiert aus direkter Stromanwendung statt Nutzung der Verdichterenergie. Die Jahresarbeitszahl sinkt um 0,05 bis 0,15 Punkte bei elektrischer Abtauung gegenüber Heißgas-Methode.
Kosten und Wirtschaftlichkeit
Investitionskosten nach Bauart
Gelötete Plattenwärmetauscher für 10-Kilowatt-Anlagen kosten 300 bis 800 Euro mit Kupferlötung und Edelstahl 1.4404. Nickelgelötete Ausführungen erreichen 500 bis 1.200 Euro. Titan-Plattenwärmetauscher liegen bei 2.500 bis 5.500 Euro. Die Materialkosten dominieren mit 60 bis 75 Prozent der Gesamtkosten. Fertigungskosten betragen 15 bis 25 Prozent, Montage und Prüfung 10 bis 15 Prozent.
Geschraubte Plattenwärmetauscher kosten 600 bis 1.500 Euro für Edelstahl-Standardausführungen. Titan-Versionen erreichen 3.500 bis 7.500 Euro. Die höheren Kosten resultieren aus Rahmenkomponenten, Schrauben und Dichtungssätzen. Die variable Plattenzahl rechtfertigt Mehrkosten durch Anpassungsfähigkeit und Wartbarkeit.
Rohr-in-Rohr-Verflüssiger kosten 800 bis 1.800 Euro für Standard-Kältemittel bis 45 bar. R744-Hochdruckausführungen bis 120 bar erreichen 1.200 bis 2.500 Euro durch K65-Kupfer und verstärkte Wandstärken. Lamellenwärmetauscher für luftgekühlte Systeme liegen bei 400 bis 1.200 Euro abhängig von Größe und Lamellengeometrie.
Betriebskosten und Energieverbrauch
Der Verflüssiger selbst verbraucht keine elektrische Energie außer bei luftgekühlten Systemen mit Ventilatoren. Die Ventilatorleistung von 80 bis 250 Watt verursacht Stromkosten von 40 bis 125 Euro jährlich bei 2.000 Volllaststunden und 25 Cent pro Kilowattstunde. EC-Motoren senken den Verbrauch um 25 bis 35 Prozent auf 30 bis 95 Euro jährlich.
Die Heizwasser-Umwälzpumpe mit 60 bis 120 Watt Leistung kostet 30 bis 60 Euro Strom pro Jahr. Hocheffizienz-Pumpen mit 40 bis 80 Watt reduzieren die Kosten auf 20 bis 40 Euro. Die Mehrkosten von 150 bis 300 Euro für Hocheffizienz-Pumpen amortisieren sich innerhalb 8 bis 15 Jahren durch 10 bis 20 Euro jährliche Einsparung.
Die indirekten Betriebskosten resultieren aus Effizienzverlusten durch Fouling. Eine 10-Prozent-Reduktion der Wärmeübertragung erhöht den Stromverbrauch um 8 bis 12 Prozent. Bei 5.000 Kilowattstunden Jahresverbrauch und 25 Cent pro Kilowattstunde steigen die Kosten um 100 bis 150 Euro. Die präventive Reinigung alle 2 bis 3 Jahre für 300 bis 500 Euro vermeidet kumulative Verluste von 200 bis 450 Euro über 3 Jahre.
Lebensdauer und Ersatzkosten
Gelötete Plattenwärmetauscher erreichen 15 bis 18 Jahre Lebensdauer bei Standardheizungswasser. Aggressive Grundwässer reduzieren die Dauer auf 8 bis 12 Jahre. Titan-Ausführungen verlängern die Lebensdauer auf 25 bis 30 Jahre. Geschraubte Plattenwärmetauscher halten 20 bis 25 Jahre durch austauschbare Dichtungen und Wartbarkeit.
Der Austausch gelöteter Plattenwärmetauscher kostet 300 bis 800 Euro Material plus 200 bis 400 Euro Montage. Die Gesamtkosten betragen 500 bis 1.200 Euro. Geschraubte Versionen benötigen nur Dichtungssätze für 50 bis 150 Euro alle 5 bis 8 Jahre. Die kumulativen Wartungskosten über 20 Jahre liegen bei 200 bis 450 Euro gegenüber 500 bis 1.200 Euro Totalersatz bei gelöteten Ausführungen.
Rohr-in-Rohr-Verflüssiger erreichen 20 bis 25 Jahre ohne Wartung bei korrekter Wasserqualität. Lamellenwärmetauscher halten 15 bis 20 Jahre bei jährlicher Lamellenreinigung. Vernachlässigte Reinigung reduziert die Lebensdauer auf 10 bis 15 Jahre durch Korrosion unter Verschmutzungen.
Fazit: Verflüssiger als COP-Haupthebel
Der Verflüssiger bestimmt als druckgebendes Element die erforderliche Verdichterarbeit und damit die Gesamteffizienz der Wärmepumpe. Die großzügige Dimensionierung auf 3 bis 5 Kelvin Grädigkeit durch Verdopplung der Wärmeübertragerfläche steigert den Coefficient of Performance um 0,3 bis 0,8 Punkte bei Mehrkosten von 250 bis 500 Euro. Die Amortisation erfolgt durch 80 bis 150 Euro jährliche Stromeinsparungen innerhalb 3 bis 5 Jahren, beschleunigt auf 2 bis 3 Jahre durch BEG-Förderung von 30 bis 70 Prozent.
Gelötete Plattenwärmetauscher mit 3.000 bis 5.000 Watt pro Quadratmeter und Kelvin Wärmeübergangskoeffizient dominieren wassergeführte Systeme durch kompakte Bauweise bei 300 bis 800 Euro Kosten. Titan-Verflüssiger für 2.500 bis 5.500 Euro verlängern die Lebensdauer in aggressiven Grundwässern von 8 bis 12 auf 25 bis 30 Jahre und vermeiden vorzeitige Totalausfälle. Rohr-in-Rohr-Konstruktionen ermöglichen R744-Betriebsdrücke bis 120 bar für transkritische Hochtemperatur-Anwendungen bei 1.200 bis 2.500 Euro.
Die Materialwahl basiert zwingend auf Grundwasseranalyse mit kritischen Grenzwerten von 0,2 Milligramm pro Liter Eisen, 0,1 Milligramm pro Liter Mangan und 200 Milligramm pro Liter Chlorid. Präventives Fouling-Management durch CIP-Reinigung alle 2 bis 3 Jahre für 150 bis 300 Euro erhält die Auslegungseffizienz und vermeidet 8 bis 12 Prozent Leistungsverlust durch Verockerung. Die Kombination aus optimaler Dimensionierung, korrekter Materialwahl und systematischer Wartung maximiert die Jahresarbeitszahl auf 4,5 bis 5,0 bei Flächenheizungen mit 35 bis 45 Grad Celsius Vorlauftemperatur.
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