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Einsatz von Kältemitteln in Wärmepumpen

Warum werden Kühl- und Kältemittel in Wärmepumpen eingesetzt?

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Vorteile von Kälte- und Kühlmitteln

Kältemittel werden in Wärmepumpen als Arbeitsmittel eingesetzt, da sie aufgrund ihrer thermodynamischen Eigenschaften bereits bei einer sehr geringen Temperatur verdampfen (Verdampfer) und sich durch Kompression in einem Verdichter auf ein für Heizzwecke höheres, nutzbares Temperaturniveau anheben lassen. Daher lässt sich nur mit Kühl- und Kältemitteln der physikalischen Effekt der Verdampfungswärme (Verdampfungsenthalpie) bei Wechsel des Aggregatzustandes von flüssig zu gasförmig in Wärmepumpen nutzbar machen.

Eignung und Auswahl von Kältemitteln

Kältemittel in Wärmepumpen sollten vor Allem gute thermodynamische Eigenschaften besitzen. Insbesondere sollten Kältemittel in Wärmepumpen dabei eine hohe volumetrische Kälteleistung besitzen, für den Temperaturbereich der Wärmepumpenanwendung geeignet sein, niedrige Druckverluste aufweisen und chemisch als auch thermisch stabil sein. Darüber hinaus wird aus Sicherheits- und Umweltschutzgründen vom Kältemitteleinsatz in Wärmepumpen verlangt, dass diese nicht giftig, nicht brennbar und kein Ozonabbaupotenzial bzw. Treibhauspotenzial besitzen.

Physikalische Eigenschaften der heute in Wärmepumpen eingesetzten Kältemittel (Tabelle: energie-experten.org)
Physikalische Eigenschaften der heute in Wärmepumpen eingesetzten Kältemittel (Tabelle: energie-experten.org)

Ozonschicht abbauende Kältemittel

Viele Jahre wurden in Wärmepumpen Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) als Kältemittel verwendet, da sie leicht handhabbar, nicht giftig und nicht brennbar sind und nicht mit den in Wärmepumpen eingesetzten Werkstoffen reagieren. Wird das Kältemittel FCKW allerdings freigesetzt, so schädigt es die Ozonschicht. Daher wurde 1987 zunächst vollhalogenierte FCKW wie R-12 und R-114 im Zuge des Montreal-Protokolls verboten und ab 1994 auch teilhalogenierte H-FCKW wie R-22 in der Verwendung eingeschränkt. Unter Berücksichtigung von Übergangsfristen darf seit dem 01.01.2000 z. B. das vielfach in Wärmepumpen verwendete Kältemittel R22 nicht mehr eingesetzt werden.

Klimaaktive Kältemittel

R407c als Kältemittel für Wärmepumpen - In diesen Gasflaschen wird das Kältemittel angeliefert (Foto: energie-experten.org)
R407c als Kältemittel für Wärmepumpen - In diesen Gasflaschen wird das Kältemittel angeliefert (Foto: energie-experten.org)

Die daraufhin in Wärmepumpen als Ersatz verwendeten Fluorkohlenwasserstoffe (FKW) und teilhalogenierte Fluorkohlenwasserstoffe (H-FKW) wie z. B. R-134a, R-404A, R-407C, R-410A, R-417A und R-507A schädigen nicht die Ozonschicht sind jedoch in der Luft "stabil", d. h. klimaaktiv und tragen zum Treibhauseffekt bei und sind deshalb auch im Kyoto-Protokoll als umweltgefährdend erfasst. Der Einsatz von klimaaktiven Kältemitteln in Wärmepumpen ist in Deutschland nicht verboten. Aus Umweltschutzgründen versuchen die Wärmepumpenhersteller die Kältemittelmenge jedoch zu reduzieren oder natürliche Kältemittel wie z.B. Ammoniak (R-717), 60% Ammoniak und 40% Dimethylather (R-723), Kohlenwasserstoffe (R-600a, R-290), Kohlendioxid CO2 (R-744) oder Wasser (R-718) einzusetzen.

Natürliche Kältemittel in Wärmepumpen

Brennbares Kältemittel Butan R600a (Foto:energie-experten.org)
Brennbares Kältemittel Butan R600a (Foto:energie-experten.org)

Als natürliche Kältemittel gelten reine, nicht halogenierte und chlorierte oder fluorierte Kohlenwasserstoffe wie z. B. Propan, Propen bzw. Propylen oder Butan. Sie sind weder ozonschädigend noch klimaschädlich und ungiftig. Dafür sind sie jedoch brennbar und stellen bei nennenswerten Luftkonzentrationen eine Explosionsrisiko dar. Daher ist ihr Einsatz in Wärmepumpen auch mit einem höheren technischen Sicherheitsaufwand verbunden. Nicht brennbare, natürliche Kältemittel wie Ammoniak, Kohlendioxid oder Wasser machen aufgrund ihrer thermodynamischen Eigenschaften ebenfalls einen höheren technischen Aufwand notwendig und haben sich daher als Kältemittel in Wärmepumpen nicht im größeren Umfang durchsetzen können. Ammoniak und Kohlendioxid werden aber generell in industriellen Kühlanlagen wie Kühlhäusern und Brauereien als auch in Kleinanlagen wie z. B. in Absorptionswärmepumpen verwendet.

Kurzfilm "naturally cool" über den Gebrauch natürlicher Kältemittel wie etwa Ammoniak, CO2 und Kohlenwasserstoffe wie Propan

Umgang mit Wärmepumpenkältemittel

Nur eigens dafür ausgebildete Kältetechniker sollten Arbeiten am Kühlmittelkreislauf vornehmen, um ein unnötiges Entweichen von Kältemittel in die Atmosphäre zu vermeiden. Dies ist insbesondere bei Wärmepumpen notwendig, die wie z. B. Direktverdampfungssysteme eine wesentliche größere Kältemittelmenge im Wärmepumpenkreislauf beinhalten. Kommt es bei einer Wärmepumpe trotzdem zu einer Leckage, so sind auch kleine Kältemittelmengen zwischen 1 und 3 kg bei Wärmepumpen in Einfamilienhäusern als klimaschädlich anzusehen.

Entweichen z. B. 2 kg des Kältemittels FKW R404A, so entwickelt diese Menge an Kältemittel das gleiche Treibhauspotenzial wie 6,5 Tonnen Kohlendioxid, die beispielsweise bei der Verbrennung von 32.500 kWh Erdgas anfallen. Dies entspricht in etwa der Energiemenge, die man 3 Jahre zum Beheizen eines normalen Neubaus einsetzen würde. Daher sollte gerade beim Befüllen und Entsorgen der Wärmepumpe auf einen umweltgerechten Umgang mit dem Wärmepumpenkältemittel geachtet werden.

Abbildung der Luft-Wasser-Wärmepumpe HPSU compact Ultra mit Kältemittel R-32
Die Luft-Wasser-Wärmepumpe HPSU compact Ultra mit Kältemittel R-32. R-32 besitzt ein Treibhauspotential (englisch Global warming potential, greenhouse warming potential, GWP) von 675 und erfüllt schon so die Anforderungen der F-Gase-Verordnung für 2025. (Fotos: ROTEX Heating Systems GmbH)

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"Kältemittel in der Wärmepumpe" wurde am 26.07.2018 das letzte Mal aktualisiert.