Wärmetauscher in der Wärmepumpe: Wichtiger Bestandteil der Heizung

Wärmetauscher für Wärmeübertragung zuständig

Ein Wärmetauscher ist in der Lage, Wärme von einem erwärmten gasförmigen, flüssigen oder festen Medium auf ein  kühleres Medium zu übertragen. Der Begriff „Wärmetauscher“ ist die gebräuchliche Bezeichnung für diese Komponente , der tatsächliche Fachbegriff lautet „Wärmeübertrager“.

Die Wärmeübertragung durch den Wärmetauscher kann zum Beispiel bei einer Luft-Wärmepumpe von der Außenluft auf den Kältemittelkreislauf erfolgen. In der Heiztechnik kommt außerdem die Übertragung von Flüssigkeit auf Flüssigkeit häufig vor. Das ist etwa bei der Sole/Wasser-Wärmepumpe (Erdwärmepumpe) der Fall. Dort geht die Wärme von einer frostsicheren Solelösung im Außenbereich auf das Heizwasser im Inneren des Hauses über.

Selbst die Heizkörper in den Räumen sind in der Hinsicht Wärmetauscher, als dass sie die Wärme vom Wasser des Heizkreises auf die Raumluft übertragen.

Arten von Wärmetauschern

In der Heiztechnik gibt es direkte, indirekte und halbindirekte Wärmetauscher.

Indirekte Wärmetauscher sind am weitesten verbereitet. In diesen separiert eine gut wärmeleitende Trennwand die beiden Medien. Im Gegensatz dazu vermischen sich die Medien bei direkten Wärmetauschern und die Wärme wird ohne Trennung direkt von Molekül zu Molekül ausgetauscht.

Von halbindirekter Wärmeübertragung spricht man, wenn Aufheizen und Abkühlen ohne räumliche Trennung, dafür aber zeitversetzt erfolgt. Das ist zum Beispiel bei der kontrollierten Wohnraumlüftung mit Wärmerückgewinnung der Fall.

Stoffstromführung im Wärmetauscher

Für eine kontinuierliche und effektive Wärmeübertragung muss das warme Medium am kühlen Medium vorbeiströmen. Diese sogenannte Stoffstromführung geschieht auf unterschiedliche Art und Weise:

• Gegenstromprinzip

Beim Gegenstromprinzip strömt das kühle Medium von der einen Seite in den Wärmetauscher und das heiße Medium von der anderen. Dadurch trifft der kalte Stoffstrom auf das schon abgekühlte warme Medium. Er erwärmt sich also langsam, aber stetig, da im weiteren Verlauf das gegenlaufende Medium im Gegenstrom immer wärmer wird. Im Idealfallentsteht ein vollständiger Wärmeaustausch, bei dem das anfänglich kühlere Medium dieselbe Temperatur wie das ursprünglich warme Medium hat und umgekehrt. In der Praxis ist ein Wärmetausch von mehr als 80% ein guter Wert.

• Gleichstromprinzip

Im Gleichstromprinzip strömen beide Medien von der gleichen Seite in den Wärmetauscher. Die maximal erreichbare Temperatur ist in diesem Fall die Mischungstemperatur von 50% des wärmeren Mediums.

• Kreuzstromprinzip

Eine weitere Variante ist das Kreuzstromprinzip, bei dem sich die Stoffströme kreuzen. Mit dem Kreuzstrom ist es möglich, den kalten Strom effektiver zu erwärmen als bei parallel verlaufenden Kanälen mit gleicher Stoffstromführung. Insgesamt liegt die Effizienz des Kreuzstromwärmetauschers zwischen der Gegenstrom- und Gleichstromwärmeübertragung.

Bauweisen von Wärmetauschern

Die einfachste Bauweise des Wärmetauschers besteht aus einem Rohr mit Übertragungsfläche. Da für die Effizienz des Wärmeaustausches die Übertragungsfläche möglichst groß sein sollte, sind in einem Rohrbündelwärmetauscher viele Rohre parallel angeordnet. Diese Bauform ist leicht zu warten, aber nicht so effizient wie ein Plattenwärmetauscher.

Viel Austauschfläche auf wenig Raum bietet der Plattenwärmetauscher. Sein Aufbau besteht aus vielen dünnen Platten, an denen die beiden Medien vorbeiströmen. Er unterscheidet sich nur im Aufbau, jedoch nicht in der Funktionsweise von einem Rohrbündelwärmetauscher. Eine Sonderform des Plattenwärmetauschers ist der Spiralwärmetauscher. Er enthält spiralförmig aufgewickelte Bleche, zwischen denen die Medien zirkulieren.

Der Mantelrohrwärmetauscher besteht aus zwei konzentrischen Rohren, also einem größeren Rohr, in dem ein kleineres eingelassen ist. So können die Medien für die Wärmeübertagung aneinander vorbeiströmen.

Wärmetauscher in der Heiztechnik

1. Wärmepumpen

   Jede Wärmepumpe benötigt zwei Wärmetauscher. Der erste absorbiert die Umweltwärme aus Luft, Erdreich oder Grundwasser und leitet sie auf das Kältemittel in der Wärmepumpe. Der zweite überträgt die Wärmeenergie des erhitzten Kältemitteldampfs dann auf das Wasser im Heizkreislauf.

2. Heizkessel

   Bei Gas-, Öl-, oder Pelletkesseln befindet sich der Wärmetauscher in der Brennkammer. Die Flamme erhitzt die Luft in der Brennkammer, diese Wärme überträgt ein Rohrwärmetauscher anschließend auf das Heizwasser. Bei der effizienteren Brennwerttechnik kommt ein zweiter Wärmetauscher zum Einsatz. Dieser befindet sich im Abgasstrom und entzieht dem heißen Abgas weitere Wärme, die sich für die Heizung im Haus nutzen lässt.

3. Solarthermie

   Die im Solarkollektor auf dem Dach erzeugte Solarwärme geht auf das Wärmeträgermedium im Solarkreis über. Anschließend überträgt ein Wärmetauscher die Solarwärme vom Solarkreis auf das Heizwasser im Solarspeicher. Da die Kollektoren auf dem Dach im Winter Frost ausgesetzt sind, enthält die Solarwärmeträgerflüssigkeit einen Frostschutzzusatz. Deshalb kann sie nicht direkt in den Speicher strömen. In manchen Solarthermie-Anlagen übernimmt ein externer Plattenwärmetauscher die Wärmeübertragung.

4. Warmwasserbereitung

   Pufferspeicher sind häufig mit einem innenliegenden Warmwasser-Wärmetauscher ausgestattet. Dieser besteht aus einem Edelstahlwellrohr, das sich von unten nach oben durch den gesamten Speicher zieht. Dieses Wellrohr hat den Vorteil, dass es eine große Oberfläche für die Wärmeübertragung aufweist. Der Wärmeaustausch erfolgt hierbei im Gleichstrom.

   Das kalte Trinkwasser strömt unten in den Speicher und erwärmt sich auf seinem Weg nach oben, bis es nahezu die Temperatur des oberen Speicherbereiches erreicht hat. In Speichern mit Frischwasserstationen sind externe Plattenwärmetauscher verbaut.

5. Wohnraumlüftung

   Bei der kontrollierten Wohnraumlüftung mit Wärmerückgewinnungsanlage erfolgt der Wärmeaustausch von Luft zu Luft. Die kalte Außenluft strömt im Wärmetauscher an der warmen Abluft vorbei. Dadurch kühlt die Abluft aus und die Zuluft erwärmt sich. Das hält die Wärme im Raum und spart Heizkosten ein. Soll neben der Wärme auch die Feuchtigkeit auf die Frischluft übertragen werden, kommen zum Beispiel Rotationswärmetauscher mit einem Tauscherrad zum Einsatz.

Wärmetauscher in den unterschiedlichen Arten der Wärmepumpe

Ein Kessel gewinnt die Wärme aus der chemisch gebundenen Energie in Öl oder Gas und stößt dabei CO₂ aus. Im Unterschied dazu extrahiert die Wärmepumpe die Wärme aus der Umwelt. Dabei ist das Temperaturniveau trotz Abweichungen je nach Wärmequelle noch nicht hoch genug für die Heizung. Die Aufgabe der Wärmepumpe ist daher, die Temperatur mithilfe des Kältemittelkreislaufs auf ein nutzbares Niveau anzuheben.

Im ersten Schritt des Kreislaufes strömt kaltes, flüssiges Kältemittel in den Verdampfer. Als Verdampfer bezeichnet man in der Wärmepumpe den Wärmetauscher, der die Umweltwärme aufnimmt und auf das Kältemittel überträgt. Aufgrund der chemischen Eigenschaften reicht die Temperatur der Umweltwärme aus, dass es verdampft.

Durch die Kompression im Verdichter steigt die Temperatur des Kältemittels weiter an und gelangt im dritten Schritt in den Verflüssiger. Dabei handelt es sich um den zweiten Wärmetauscher in der Wärmepumpe, der die Wärme des komprimierten Kältemitteldampfs auf den Heizkreis überträgt. Anschließend sorgt ein Expansionsventil dafür, dass das abgekühlte und wieder flüssige Kältemittel seinen Ausgangsdruck zurückerhält. Dabei kühlt es sich so weit ab, dass es im Verdampfer wieder in der Lage ist, Umweltwärme aufzunehmen.

Wärmetauscher in Luft/Wasser-Wärmepumpen

Bei der Luft/Wasser-Wärmepumpe oder der Luft/Luft-Wärmepumpe besteht der Verdampfer in der Regel aus Kupferrohren mit aufgepressten Aluminiumrippen. Die Aluminiumrippen vergrößern die Oberfläche und sorgen damit für einen optimalen Wärmeaustausch von der Luft auf das Kältemittel. Ein Ventilator saugt die Außenluft an, damit der Verdampfer die Wärme der Umgebungsluft effektiv aufnehmen kann. Der Verflüssiger der Luft/Wasser-Wärmepumpe besteht meist aus einem Plattenwärmetauscher, der eine platzsparende und kosteneffiziente Lösung darstellt.

Wärmetauscher in Sole/Wasser-Wärmepumpen (Erdwärmepumpen)

Bei der Sole-Wasser-Wärmepumpe kann die Aufnahme der Erdwärme nicht direkt erfolgen. Darum ist diese Wärmepumpe mit einem weiteren, vorgeschalteten Wärmetauscher ausgestattet. Dieser liegt entweder in Form eines Erdkollektors oder einer Erdsonde vor, die für die Wärmeübertragung vom Boden auf das Wärmeträgermedium – die Sole – zuständig sind.

Diese Sole strömt dann zur Wärmepumpe, wo sie im Verdampfer die Erdwärme auf das Kältemittel überträgt. Dabei besteht der Verdampfer der Erdwärmepumpe wie auch der Verflüssiger meist aus einem Plattenwärmetauscher.

Wärmetauscher in Wasser/Wasser-Wärmepumpen (Grundwasserwärmepumpen)

Wenn die Heizung die Wärme des Grundwassers nutzt, wird diese, ähnlich wie bei der Luftwärmepumpe, direkt aus der Wärmequelle gewonnen. Das Grundwasser fließt dabei in den Verdampfer der Wasser/Wasser-Wärmepumpe, der ebenso wie der Verflüssiger meist in Form eines Plattenwärmetauschers zum Einsatz kommt.

Wärmetauscher in Brauchwasser-Wärmepumpen

Auch in der Warmwasser-Wärmepumpe sind Wärmetauscher verbaut. Bei dieser Art der Wärmepumpe handelt es sich um eine spezielle Variante der Luft-Wasser-Wärmepumpe. Sie entnimmt jedoch nicht der Umgebungsluft die Wärme zum Heizen, sondern entzieht der Raumwärme die Energie für die Warmwasserbereitung.

Der Verflüssiger windet sich in Form eines Rohres spiralförmig um den Trinkwasserspeicher, der bei dieser Form der Wärmepumpe meist in das Gerät integriert ist. Somit kann das heiße, gasförmige Kältemittel, das durch den Verflüssiger strömt, seine Wärme an das Trinkwasser im Inneren des Speichers abgeben und dabei kondensieren. Es gibt zudem Brauchwasser-Wärmepumpen in Kombination mit Solarthermie. Dann ist ein Solarwärmetauscher im Inneren der Warmwassertanks eingebaut.

Wärmetauscher wichtig für die Effizienz der Heizung

Wärmetauscher spielen eine zentrale Rolle in der Wärmepumpe. Der Verdampfer sorgt für eine optimale Aufnahme der Umweltwärme, während der Verflüssiger die Wärmeenergie effizient an den Heizkreis weitergibt. So trägt die Wärmeübertragung dazu bei, dass eine Heizung kostensparend arbeiten kann. Entsprechend sind Wärmetauscher eine zentrale Komponente, die maßgeblich die Leistung und Effizienz einer Heizung beeinflussen.