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Direktverdampfer

Bei einer Erwärmesonde nach dem Prinzip des Direktverdampfers wird der Verdampferteil der Wärmepumpe in die Erdwärmesonde verlagert.

Hierzu ist es notwendig ein Wärmeträgerfluid mit einem entsprechend niedrigen Siedepunkt zu benutzen. In Frage kommen da Wasser/Ammoniak Gemische, aber auch CO₂. Wird das Fluid nicht mechanisch umgepumpt, sondern der natürliche (gravitative) Verdampfer-Kondenser Kreislauf genutzt spricht man auch von einem Wärmerohr oder einer Heatpipe.

Bei der Direktverdampfung wird das Kältemittel in der Wärmepumpe direkt in einem Verdampfer verdampft. Im Verdampfer nimmt das Kältemittel Wärmeenergie aus der Umgebung auf, z. B. aus dem Erdreich oder der Luft. Der Vorteil der Direktverdampfung ist, dass kein zusätzlicher Wärmetauscher benötigt wird. Das Kältemittel selbst dient als Medium zur Aufnahme der Umweltwärme.

Nach der Verdampfung im Verdampfer gelangt das Kältemittel in den Verdichter der Wärmepumpe. Dort wird es verdichtet, was zu einem Temperatur- und Druckanstieg führt. Das erwärmte Kältemittel wird dann in den Kondensator geleitet, wo es die aufgenommene Wärmeenergie an das Heizsystem des Gebäudes abgibt. Anschließend wird das abgekühlte Kältemittel durch ein Expansionsventil entspannt und der Kreislauf beginnt von neuem.

Die Direktverflüssigung ermöglicht eine effiziente Nutzung der Umweltwärme, da kein zusätzlicher Wärmeübertrager benötigt wird. Dadurch können Wärmepumpen hohe Heiz- oder Kühlleistungen erzielen und gleichzeitig Energie einsparen. Die Wahl der geeigneten Wärmeübertragungsart, ob Direktverdampfung oder ein anderes Verfahren, wie z.B. indirekte Verdampfung, hängt von verschiedenen Faktoren ab, u.a. der Verfügbarkeit und Eignung der Wärmequelle sowie den spezifischen Anforderungen des Gebäudes.

Wie funktioniert die Direktverdampfung in einer Wärmepumpe?

Die Direktverdampfung in einer Wärmepumpe ist ein Verfahren zur effizienten Wärmeübertragung. Dabei wird das Kältemittel im Verdampfer der Wärmepumpe direkt verdampft, um die Wärmeenergie der Umgebung aufzunehmen und auf ein höheres Temperaturniveau zu bringen.

Der Prozess beginnt mit dem Verdampfer, der sich in der Außeneinheit der Wärmepumpe befindet. Im Verdampfer strömt das flüssige Kältemittel, das eine niedrige Temperatur hat, durch Rohre oder Platten. Gleichzeitig wird dem Verdampfer Wärmeenergie aus der Umgebung zugeführt, sei es aus der Luft, dem Erdreich oder dem Wasser. Diese Wärmeenergie bewirkt, dass das Kältemittel im Verdampfer verdampft.

Während des Verdampfungsprozesses ändert das Kältemittel seinen Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig. Dabei nimmt es Wärmeenergie aus der Umgebung auf und kühlt diese. Der Verdampfer fungiert als Wärmeübertrager, der die Umgebungswärme an das Kältemittel abgibt.

Das gasförmige Kältemittel, das die Wärmeenergie aufgenommen hat, gelangt nun in den Verdichter der Wärmepumpe. Der Kompressor erhöht den Druck und die Temperatur des Gases, wodurch die Wärmeenergie weiter ansteigt. Das komprimierte Kältemittel verlässt den Verdichter und strömt in den Kondensator.

Im Kondensator gibt das Kältemittel seine Wärmeenergie an das Heizsystem des Gebäudes ab. Das Kältemittel gibt die Wärmeenergie ab, indem es durch Rohre oder Platten im Verflüssiger strömt und dabei vom gasförmigen wieder in den flüssigen Zustand übergeht. Die abgegebene Wärme wird zur Beheizung des Gebäudes genutzt.

Nachdem das Kältemittel im Kondensator abgekühlt ist, wird es durch ein Expansionsventil entspannt und der Kreislauf beginnt von neuem. Das entspannte Kältemittel gelangt zurück in den Verdampfer, wo es erneut verdampft und Wärmeenergie aus der Umgebung aufnimmt.

Welche Vorteile hat die Direktverflüssigung gegenüber anderen Verfahren?

Die Direktverflüssigung in Wärmepumpen bietet im Vergleich zu anderen Wärmeübertragungstechniken mehrere Vorteile. Einige wichtige Aspekte sind:

Hoher Wirkungsgrad: Die Direktverdampfung ermöglicht eine effiziente Nutzung der Umweltwärme, da kein zusätzlicher Wärmeübertrager wie z.B. ein Kältemittel-Wasser-Wärmetauscher erforderlich ist. Durch den direkten Wärmeaustausch im Verdampfer wird die Wärmeübertragung maximiert, was zu einem höheren Wirkungsgrad der Wärmepumpe führt. Das bedeutet, dass weniger elektrische Energie benötigt wird, um die gewünschte Heiz- oder Kühlleistung zu erzeugen und somit Energie eingespart werden kann.
Geringere Investitionskosten: Da keine zusätzlichen Wärmeübertrager benötigt werden, sind die Installationskosten für eine Wärmepumpe mit Direktverdampfung in der Regel geringer. Der Verzicht auf komplexe Wärmeübertragersysteme vereinfacht die Installation und reduziert die Anzahl der benötigten Komponenten. Dies kann sowohl die Material- als auch die Arbeitskosten und damit die Gesamtkosten der Wärmepumpeninstallation senken.
Platzersparnis: Durch den Wegfall des Wärmeübertragers spart die Direktverdampfung auch Platz. Da der Verdampfer allein für die Aufnahme der Umweltwärme verantwortlich ist, wird weniger Platz für zusätzliche Wärmeübertrager oder Wärmeübertragergruppen benötigt. Dies ist besonders in Gebäuden mit beengten Platzverhältnissen von Vorteil und ermöglicht eine flexible Aufstellung der Wärmepumpe.
Geringerer Wartungsaufwand: Da keine zusätzlichen Wärmetauscher erforderlich sind, reduziert sich auch der Wartungsaufwand. Bei der Direktverdampfung sind weniger Komponenten zu warten, was die Wartung der Wärmepumpe vereinfacht. Weniger Teile bedeuten auch eine geringere Störanfälligkeit und eine höhere Zuverlässigkeit des Systems.
Schnelle Reaktionszeit: Die Direktverdampfung ermöglicht eine schnelle Reaktionszeit der Wärmepumpe. Da das Kältemittel direkt im Verdampfer verdampft, ist der Wärmeaustauschprozess effizient und die Wärmeübertragung schnell. Dies führt zu einer schnellen Erwärmung oder Abkühlung des Gebäudes, was den Komfort für die Bewohner erhöht.

Es ist wichtig zu beachten, dass die Wahl des Wärmeübertragungsverfahrens, ob Direktverdampfung oder andere Verfahren wie indirekte Verdampfung, von verschiedenen Faktoren abhängt, einschließlich der spezifischen Anforderungen des Gebäudes, der Verfügbarkeit der Wärmequelle und der regionalen Bedingungen. Daher wird eine detaillierte Analyse und Beratung empfohlen.