Funktion von Expansionsventilen in Wärmepumpen

• Das Expansionsventil (auch Drosselorgan oder Druckreduzierventil genannt) sorgt durch einen Strömungswiderstand dafür, dass das aus dem Verflüssiger kommende flüssige Kältemittel wieder auf das niedrigere Druck- und Temperaturniveau des Verdampfers entspannt wird.
• Funktionsweise: Die Druckregelung im thermostatischen Expansionsventil (TEV/ TXV) erfolgt durch das Zusammenspiel von drei Kräften: Der Fühlertemperaturdruck öffnet das Ventil, während der Verdampferdruck und eine einstellbare Federkraft es schließen. Dadurch passt das Ventil den Kältemittelfluss automatisch an die Lastbedingungen an, um eine konstante Überhitzung im Verdampfer zu gewährleisten.
• Ein elektronisch geregeltes Expansionsventil (EEV) gewährleistet eine präzisere und dynamischere Steuerung des Kältemittelflusses. Es wird über Sensoren gesteuert, die kontinuierlich Druck, Temperatur und Überhitzung messen, und passt die Ventilöffnung über einen Schrittmotor oder ein Magnetventil exakt an die aktuellen Betriebsbedingungen an.
• Expansionsventil richtig einstellen: Das Expansionsventil sollte unter Berücksichtigung der Überhitzung und Unterkühlung eingestellt werden. Der Federdruck am Ventil hilft, die richtige Drosselung und den optimalen Kältemittelfluss zu gewährleisten, um eine effiziente Wärmeübertragung im Verdampfer zu erzielen. Für die Regelung gibt es unter Fachhandwerkern eine goldene Regel: "Ist die Überhitzung zu gross, so muss die Schraube los. Überhitzung zu klein, mach die Schraube rein."
• Defektes Expansionsventil: Häufige Anzeichen sind eine unzureichende Kühlung oder eine Überhitzung des Verdampfers. Zur Prüfung sollte der Kältemittelkreislauf auf Lecks, den Druck des Systems und die Temperaturdifferenzen an verschiedenen Stellen kontrolliert werden. Eine Reparatur ist meistens dann fällig, wenn das Expansionsventil vereist und die Überhitzung viel zu groß ist. Sie erkennen den Fehler daran, dass Expansionsventil nicht weiter geöffnet werden kann und die Fehlermeldung immer wieder "Heissgasstörung" meldet.
• Expansionsventil kaufen: Expansionsventile für Wärmepumpen können online über spezialisierte Anbieter oder in Fachgeschäften für Heizungs- und Kältetechnik gekauft werden. Die Kosten für ein Expansionsventil Wärmepumpe variieren je nach Typ und Hersteller. Ein thermostatisches Expansionsventil kann etwa 100 bis 200 Euro kosten, während ein elektronisches Expansionsventil je nach Modell und Leistungsbereich auch deutlich teurer sein kann.

Der Kältemittelkreislauf in einer Wärmepumpe besteht aus vier Hauptkomponenten: und folgt diesem Ablauf:

1. Im Verdampfer nimmt das Kältemittel Umweltwärme (z. B. aus Luft, Wasser oder Erde) auf und verdampft dabei bei niedriger Temperatur.
2. Der Verdichter - auch Kompressor genannt - komprimiert das gasförmige Kältemittel, wodurch dessen Druck und Temperatur stark ansteigen.
3. Ein Verflüssiger (Kondensator) sorgt nun dafür, dass das heiße, unter Druck stehende Kältemittel seine Wärme an das Heizsystem abgibt (z. B. Fußbodenheizung oder Heizkörper) und kondensiert dabei zurück in den flüssigen Zustand.
4. Der Kältemittelkreislauf wird letztlich durch ein Expansionsventil (auch Drosselorgan oder Druckreduzierventil genannt) geschlossen, in dem das aus dem Verflüssiger kommende nun flüssige Kältemittel wieder auf das niedrigere Druck- und Temperaturniveau des Verdampfers entspannt wird.

Das Expansionsventil stellt aus physikalischer Sicht lediglich einen Strömungswiderstand für die Flüssigkeit dar, die durch das Absaugen des Dampfes auf der Verdampferseite an Druck hinter dem Expansionsventil verliert.

In seiner einfachsten Form ist das Bauteil lediglich eine Verengung im Rohrdurchmesser, die die Strömung des Kältemittels stört und dafür sorgt, dass dessen Druck schnell sinkt. Das Kältemittel selbst dehnt sich aus – es expandiert und entspannt sich.

Durch diesen Entspannungsprozess kühlt sich die Kühlmittelflüssigkeit hinter dem Ventil stark ab. Durch das Expansionsventil werden beim Eintritt in den Verdampfer somit wieder der ursprüngliche Anfangsdruck und die Anfangstemperatur erreicht. Der Wärmepumpen-Kreislauf kann von Neuem beginnen.

Aus energetischer Sicht spricht man bei diesem Entspannungsprozess auch von einer isenthalpen Drosselung mit einem positiven Joule-Thomson-Effekt. Hinter dem Expansionsventil beginnt dann der Wärmepumpenkreislauf von neuem.

Eine genaue Beschreibung der thermodynamischen Zusammenhänge in einer Wärmepumpe finden Sie in unserem Ratgeber zum Carnot-Prozess.

Einfache Klimaanlagen besitzen vielfach kein Expansionsventil, sondern stattdessen eine feste Drossel (Orifice). Diese "drosselt" den Durchfluss des Kältemittels und sprüht das flüssige Kältemittel in den Verdampfer.

Für Wärmepumpen, die bei unterschiedlichen Bedingungen wie z. B schwankenden Temperaturen auf der Quellen- und Senkenseite betrieben werden, werden im Allgemeinen thermostatische, ungeregelte Expansionsventile verwendet, die präzise dem Verdampfer immer diejenige Kältemittelmenge zuführen, die unter den jeweiligen Arbeitsbedingungen verdampft werden soll.

Damit erhalten thermostatische Expansionsventile das Gleichgewicht zwischen Zufluss und Absaugung in jedem Betriebszustand aufrecht, um die wärmeübertragenden Verdampferoberflächen immer voll auszunutzen.

Das thermostatische Expansionsventil verhindert zudem, dass der Verdichter das flüssige Kältemittel ansaugt. Da Flüssigkeiten nicht kompressibel sind, würden sie erhebliche Schäden am Verdichter anrichten.

Im Inneren des thermostatischen Expansionsventils befindet sich eine Membrane, durch die ein Kapillarrohr führt.

• Auf der Hochdruckseite des Verflüssigers befindet sich oberhalb dieser Membrane ein Fühler, der den Verflüssigerdruck misst und das Ventil öffnet.
• Unterhalb der Membrane am Ende des Kapillarrohrs befindet sich ein Fühler, der den Verdampferdruck misst und das Ventil wieder schließt.
• Am Ventil selbst befindet sich eine Feder, über deren Federdruck sich die statische Überhitzung einstellen lässt.

Wenn das Expansionsventil regelt, besteht dann ein Gleichgewicht zwischen dem Fühlerdruck auf der Oberseite der Membrane und dem Verdampferdruck plus des Federdrucks auf der Unterseite der Membrane.

Unter Überhitzung versteht man die Differenz aus der am Fühler des thermostatischen Expansionsventils gemessenen Temperatur und der Verdampfungstemperatur. Die Verdampfungstemperatur wird über Manometer an der Saugseite ermittelt.

Die Unterkühlung ist als Differenz zwischen Flüssigkeitstemperatur und Verflüssigerdruck bzw. -temperatur am Eintritt des Expansionsventils definiert.

Eine Unterkühlung der Kältemittelflüssigkeit ist notwendig, um Dampfblasen vor dem Expansionsventil zu vermeiden, die die Funktion des Expansionsventils beeinträchtigen und die Flüssigkeitszufuhr zum Verdampfer behindern könnten.

Neben thermostatischen Expansionsventilen mit innerem und äußerem Druckausgleich gibt es auch elektronische Expansionsventile.

Wesentlicher Vorteil der elektronischen Variante ist die nicht wirksame, bei thermostatischen Ventilen konstruktionsbedingte minimale Sauggasüberhitzung und der größere Leistungsbereich eines Expansionsventils.

Dies bringt Vorteile bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen und im Teillastverhalten der Wärmepumpe.