Expansionsventil der Wärmepumpe: Funktion und Arten
Wärmepumpen heizen mit kostenloser Umweltwärme. Daher haben sie ein großes Zukunftspotenzial. Welche Technik steht dahinter und welche Bedeutung hat dabei das Expansionsventil?
Inhalt des Blogartikels
Das kann eine Wärmepumpe
Aktuell wird im Rahmen der Energiewende verstärkt auf die Wärmepumpe als umweltschonendes Heizsystem gesetzt. Der Staat fördert sie mit attraktiven Zuschüssen. Die Wärmepumpe überzeugt durch niedrige Betriebskosten. Die Module sind komplett vorinstalliert, was den Austausch und die Installation ganz einfach macht. Zudem arbeiten die Geräte sehr leise.
Das Besondere an der Wärmepumpe ist ihr Kreisprozess. Durch ihn hebt das System die aus der Umwelt – der Luft, Erde oder dem Wasser – aufgenommene Temperatur auf ein höheres Niveau, das zum Heizen und zur Warmwasserbereitung ausreicht. Dazu nutzt sie elektrische Energie. Das Verhältnis, welches den Wirkungsgrad der Wärmepumpe beeinflusst, beträgt bei modernen Geräten:
- 20 Prozent Antriebsenergie und
- 80 Prozent kostenlose Umweltwärme,
- um 100 Prozent Heizwärme bereitzustellen.
Ohne Expansionsventil kein Wärmepumpenkreislauf
Um die Bedeutung des Expansionsventils verstehen zu können, solltest du den kompletten Kreisprozess bzw. die Funktion der Wärmepumpe kennen. In dem geschlossenen Kreislauf zirkuliert eine Flüssigkeit (Kältemittel). Diese hat verhältnismäßig niedrige Verdampfungstemperaturen von beispielsweise minus 51 Grad Celsius bei denen zu sieden beginnt und verdampft. Zur Veranschaulichung: Wasser verdampft erst ab einem Siedepunkt von plus 100 Grad Celsius. Der hermetisch geschlossene Wärmepumpenkreislauf besteht aus folgenden Arbeitsabläufen:
- Verdampfen
- Verdichten
- Kondensieren
- Expandieren
1. Verdampfen des Kältemittels
Im Verdampfer ist das Kältemittel zunächst noch flüssig. Da die Temperatur der Wärmequelle (Luft, Erdreich, Wasser) höher ist als der Siedepunkt des Kältemittels, kommt es zur Wärmeübertragung von der Wärmequelle auf das flüssige Kältemittel. Es beginnt daher, zu sieden und anschließend zu verdampfen.
2. Verdichten des Kältemitteldampfes
Der Verdichter saugt den Kältemitteldampf fortwährend an und verdichtet ihn. Dadurch steigt der Druck. In der Folge erhöht sich die Temperatur des Kältemitteldampfes. Das kennst du vielleicht von Luftpumpen aus Metall. Während des Aufpumpens – verdichten der Luft – wird das Gehäuse immer wärmer. Das Verdichten erfolgt bei der Wärmepumpe allerdings nicht manuell. Das übernimmt in der Regel ein im Verdichter integrierter Elektromotor.
3. Kondensieren und Wärmeabgabe
Im Verflüssiger gibt der heiße Kältemitteldampf die Wärme entweder direkt an den Heizwasserkreislauf oder an einen Wärmepumpenspeicher wie einen Pufferspeicher bzw. Warmwasserspeicher ab. Die Temperaturen liegen dort unterhalb der Verflüssigungstemperatur des Kältemitteldampfes. Aus diesem Grund kühlt es bei der Wärmeabgabe ab und verflüssigt sich wieder, steht aber noch unter Druck.
4. Expandieren: Die Rolle des Expansionsventils
Das Expansionsventil sorgt dafür, dass das Kältemittel so viel Druck und Temperatur verliert, dass die Temperatur wieder unter der der Wärmequelle liegt. So kann das abgekühlte flüssige Kältemittel erneut im Verdampfer Wärme aus der Wärmequelle aufnehmen. Der Kreisprozess beginnt von vorne. Damit der Verdichter kontinuierlich mit gasförmigem Kältemittel versorgt wird, gibt das Expansionsventil stets nur so viel Kältemittel frei, wie das System verdampfen kann.
Funktionen und Arten des Expansionsventils im Überblick
Ohne das Expansionsventil ist der Kreisprozess also nicht möglich. Durch das Expansionsventil der Wärmepumpe nimmt das Kältemittel wieder seinen Ausgangszustand ein und ermöglicht den Kreislauf. Das Expansionsventil reduziert am Ende des Kreisprozesses den Druck des kondensierten Kältemittels. Es kontrolliert den Zufluss in den Verdampfer und verhindert ebenso, dass ein Überdruck entsteht. Zudem sorgt es dafür, dass kein flüssiges Kältemittel in den Verdichter fließt, der sonst erheblich beschädigt werden kann.
Um all das zu ermöglichen, verringert das Expansionsventil den Leitungsquerschnitt, wodurch ein Strömungswiderstand entsteht. Vor dem Expansionsventil ist der Druck also höher als dahinter. Der Druck des Kältemittels wird beim Überwinden dieses Widerstandes abgebaut. Es gibt ungeregelte Expansionsventile (einfache Verengung des Rohrquerschnittes) und geregelte Expansionsventile.
Ungeregelte Expansionsventile
Ungeregelte Ventile kommen vor allem in Kühlschränken, Tiefkühltruhen und kleinen Klimaanlagen zum Einsatz. Sie sind sehr einfach aufgebaut und daher recht preisgünstig.
Das ungeregelte Expansionsventil besteht aus einem langen und sehr dünnen Rohr (Kapillarrohr), durch welches das flüssige Kältemittel fließen muss. Dadurch wird dessen Strömungsgeschwindigkeit abgebremst. Der hohe Rohrinnenwiderstand bewirkt den gewünschten Druckabfall. Das ungeregelte Expansionsventil sorgt dafür, dass immer gleichbleibend viel Kältemittel austritt und immer die gleiche Menge Kältemittel an den Verdampfer abgegeben wird.
Ungeregelte Expansionsventile werden immer dann verwendet, wenn das Druckverhältnis zwischen Verflüssigung und Verdampfung gering ist, also bei Geräten mit kleiner Leistung.
Geregelte Expansionsventile
Diese regeln die Durchflussmenge des Kältemittels über Druck- und Temperaturfühler. Sie verändern automatisch ihren Querschnitt – je nachdem, wie viel Kältemittel verdampfen soll.
Eine Variante geregelter Expansionsventile sind thermostatische Expansionsventile (TEV), die sowohl auf das Temperaturniveau vor dem Verdichter als auch auf den im Verdampfer herrschenden Druck reagieren. Sobald die Temperatur vor dem Verdichter steigt und der Druck im Verdampfer sinkt, öffnet sich das Ventil und es kann eine größere Menge Kältemittel durchströmen. Steigt hingegen der Verdampfungsdruck zu stark an oder sinkt die Temperatur vor dem Verdichter, reduziert das TEV selbsttätig den Kältemitteldurchfluss.
Es sorgt dafür, dass der Verdampfer stets nur so viel Kältemittel erhält, wie er unter den aktuell vorherrschenden Betriebsbedingungen (Raumtemperatur und vorgegebener Absenkungswert) auch verdampfen kann. Um eine vollständige Verdampfung zu gewährleisten, ist eine leichte Überhitzung einkalkuliert.
Elektronisch geregelte Expansionsventile (EEV) Anlagen arbeiten wesentlich präziser und ermöglichen somit einen zuverlässigeren und vor allem effizienteren Betrieb der Wärmepumpe oder Kälteanlage. Der Vorteil des elektronischen Expansionsventils gegenüber dem thermostatischen Expansionsventil ist, dass sich die Menge an flüssigem Kältemittel, die in den Verdampfer fließt, wesentlich genauer dosieren lässt. Dadurch kannst du beispielsweise den Kältemittelkreis optimal an verschiedene Betriebsbedingungen wie Heizen und Kühlen anpassen.
Zudem lässt sich das EEV in beide Richtungen – bidirektional – durchströmen. Dadurch benötigst du für den Heiz- und Kühlbetrieb lediglich ein Ventil. Mit dem EEV werden außerdem bessere COP-Werte (Coefficient of Performance) erreicht.
Was passiert, wenn das Expansionsventil defekt ist?
Ist das Expansionsventil kaputt, strömt möglicherweise ständig zu viel Kältemittel durch die Anlage oder die Zuleitung zum Verdichter ist zu kalt, weil sich das Kältemittel nicht wie erforderlich erhitzt. Schwanken die Leistungs- und Druckwerte, kann das ein Indiz für ein zeitweise klemmendes Expansionsventil sein. Es ist möglich, dass die Anlage durch ein defektes Expansionsventil komplett ausfällt. Zudem kann es zu irreparablen Schäden an anderen Komponenten kommen.
