From RC-Autopilot Wiki

Einführung

Diese Infos habe ich jeweils Bruchstückhaft aus folgenden Quellen:

Eigenes Vorwissen (großes Physik-Allgemeinwissen aber wenig Kältetechnik-Spezifisch)
Fachbuch "Der Kältemonteur - Handbuch für die Praxis" von Seidel/Noack
diverse Foren im Internet, allen voran http://www.haustechnikdialog.de und http://www.kaelte-treffpunkt.de

Angefangen habe ich diese Seite als Merkzettel für mich selbst, da gerade die Foren zwar voller Infos sind, die Bruchstücke an wichtigen Infos aber über zig Seiten verteilt sind, die muß man sich beim erstmaligen Durchlesen (was Tage dauert) sofort rausschreiben sonst findet man sie nie wieder.

Wärmepumpentypen

Luft-Luft-WP

Dies ist im Prinzip eine Split-Klimaanlage mit Heizfunktion (C+H), kein Umbau erforderlich. Allerdings kann damit pro vorhandene Inneneinheit nur ein Raum beheizt werden, man hat die (wenn auch geringen) Betriebsgeräusche der Inneneinheit, und die Wärme kommt von einem zentralen Punkt und ist immer mit einem Luftstrom verbunden, was nicht immer gewünscht ist.

Luft-Wasser-WP

Hier wird die Wärme der Außenluft entzogen und einem Wasserkreislauf zugegeben, die kann z.B. direkt ein Fußbodenheizkreis oder ein Wärmetauscher im Brauchwasserpuffertank sein.

Vorteil: Kostengünstig und einfach aufzustellen
Nachteil: Bei Außentemperaturen unter 0° zunehmend unwirtschaftlich, häufige Abtauung nötig

Wasser-Wasser-WP

Hier wird ebenfalls Wasser erwärmt, jedoch statt der Außenluft wird Wasser als Wärmeabgebendes Medium benutzt. Dies kann ein offener Kreislauf sein (z.B. Brunnenwasser (man spricht dann von einer Grundwasser-Wärmepumpe, GW-WP), oder Wasser aus einem Bach oder See), oder ein geschlossener Kreislauf, meist mit Frostschutzzugabe, man spricht dann von einer Sole-WP, die Sole wird dann entweder durch Flächenkollektoren (schlangenförmig flächig verlegte Rohre in ca. 1,50m Tiefe, mit ca. 50cm Abstand, benötigt wird ungefähr die doppelte Kollektorfläche wie Wohnfläche beheizt werden soll) oder durch ein Wärmetauscher in einer Tiefbohrung (mind. 50m tief) gepumpt.

Ein großer Vorteil einer Sole- oder Wasser-WP ist daß im ganzen Jahr das Medium eine konstante Temperatur (ca. 10°C) hat, wohingegen die Außenluft an vielen Tagen unter 0° und zuweilen sogar -10°C und kälter werden kann. Hierdurch ist effizienteres und vor allem sichereres Heizen möglich (Außentemperaturen unterhalb -10°C sind problematisch für Luft-WP).

Funktionsweise eines Split-Klimageräts

Ein handelsübliches Split-Klimagerät (Split = getrenntes Außen- und Innenteil, werden bei der Montage mittels dünnen Rohrleitungen verbunden) ist je nach Leistung und Qualität bereits ab ca. 200 EUR in Baumärkten erhältlich. Ein solch einfaches Gerät kann schon ausreichen um Brauchwasser für mehrere Personen zu erzeugen.

Ein Klimagerät ist technisch gesehen bereits im Lieferzustand eine Wärmepumpe, damit dürfte klar sein daß das Grundprinzip schon seit über 40 Jahren in vielen Haushalten weltweit genutzt wird. Üblicherweise wird aber die Wärme aus dem Innenraum nach draußen "gepumpt", bei den immer häufiger anzutreffenden Geräten mit Heizfunktion ist die "Pumprichtung" jedoch umschaltbar. Nach demselben Prinzip arbeiten auch Kühl- und Gefrierschränke.

Im Außengerät befindet sich das Herzstück einer jeden Klimaanlage, der Kompressor bzw. Verdichter. Dieser saugt das kalte, gasförmige Kältemittel an und komprimiert es, wodurch die Temperatur stark ansteigt. Von dort fließt das nun stark erwärmte (meist >50°C), noch gasförmige Kältemittel in den Verflüssiger/Kondensator (Kühlschlangen) im Außengerät, wo es durch die Außenluft mit Hilfe eines starken Lüfters abgekühlt wird (meist <40°C je nach Außentemperatur). Durch die Abkühlung bei konstantem (noch hohen) Druck wird das Kältemittel flüssig. Als nächstes fließt das Kältemittel durch das Expansionsventil/Kapillarrohr/Drosselventil, was die Aufgabe hat, mittels "Durchflußbremse" den Druck auf der einen Seite aufrecht zu erhalten, und auf der anderen Seite den Druck herabzusetzen. Man kann es sich wie ein Gartenschlauch vorstellen dessen Sprühkopf nur leicht geöffnet ist, im Schlauch ist Wasser unter Leitungsdruck, und aus dem Sprühkopf tritt mit sehr wenig Druck ein feiner Sprühnebel aus. Das Kältemittel ist also immer noch flüssig aber der Druck ist stark gesunken (von 10-40 bar auf 0-5 bar), hierdurch möchte das Kältemittel am liebsten sofort verdampfen sobald es Wärme aufnehmen kann, kann es aber noch nicht, da die Temperatur ebenfalls stark gesunken ist (oft auf unter -10°C) und die Rohrleitung isoliert ist. Aber als nächstes verläßt das Kältemittel endlich das Außengerät, wird über gut isolierte Rohrleitungen zum Innengerät transportiert, worin sich dann der Verdampfer befindet. Hier wird wieder ein Kühlschlangenartiges Register durchströmt, das mittels Lüfter mit viel Luft durchströmt wird, und wärmt sich am Luftstrom auf, entzieht diesem also die Wärme. Durch die aufgenommene Wärme erwärmt sich das Kältemittel um 10-20°C (von Minusgraden auf immerhin über 0), verdampft und wird hierdurch wieder gasförmig. Dann gehts wieder durch Rohrleitung zurück zum Außengerät in den Kompressor, wo sich der Kreislauf wiederholt.

Im Fall einer Klimaanlage mit Heizfunktion ist ein Magnetventil im Außengerät eingebaut, das den Strom des Kältemittels über Kreuz umkehrt so daß Verdampfer und Verflüssiger vertauscht werden, der Rest bleibt gleich. Als Folge wird im Innengerät das heiße Gas abgekühlt und verflüssigt (und somit die Luft erwärmt) und im Außengerät die kalte Flüssigkeit erwärmt und verdampft (und somit die Außenluft gekühlt).

Eigenbau einer Luft-Wasser-WP

Benötigte Teile

Split-Klimaanlage mit R407C oder R410A (besser) vorbefüllt, mit Kühlen+Heizfunktion (C+H)
Geeigneter Plattenwärmetauscher mit passenden Anschlüssen
Kälteanlagen-Monteurhilfe (HD und ND Manometer)
Vakuumpumpe
Optional: Filtertrockner
Optional: Schauglas

Vorgehensweise

Der einfachste und günstigste Umbau ist der Tausch des Innengeräts (KM-Luft-Wärmetauscher) gegen einen KM-Wasser-Wärmetauscher. Diese sind zwar als solches nur schwer zu beziehen, aber es kann auch ein Wasser-Wasser-Wärmetauscher (Plattenwärmetauscher) verwendet werden, sofern dieser einige Bedingungen erfüllt: Druckfestigkeit (je nach Kältemittel 30-45 bar), Anschlußmöglichkeit für Kältemittel-Leitung (idealerweise Bördelanschlüsse passend zu den vorhandenen Kältemittelleitungen der Klimaanlage), sowie ausreichende Leistung. Die meist angegebene Wasser-Wasser-Leistung (hier bieten handflächengroße PWT bereits 10kW) ist nicht direkt auf die Kältemittel-Wasser-Leistung übertragbar, so ist für eine 10kW Wärmepumpe ein PWT mit ca. 50kW notwendig. Passende PWT mit Bördelanschluß sind auf Ebay für 150-200 EUR erhältlich. Weiterhin ist eine lange, schmale Bauform vorteilhaft.

Zu beachten ist, daß Plattenwärmetauscher gemäß Druckbehälterrichtlinie mit einem "CE"-Kennzeichen und den Betriebs- und Prüfdrücken gelabelt sein müssen. Jeder Wärmetauscher, der kein CE-Kennzeichen hat, ist nur bis 0,5 bar zulässig und darf daher nicht in Wärmepumpen eingesetzt werden.

Zur Dimensionierung der PWT kann eine Software wie z.B. SWEP SSP CBE [1] oder [2] eingesetzt werden. Nach Eingabe der Leistung, der Medien, Volumenstrom, Temperaturen ... erhält man einen optimales Ergebnis (thermal length & closed temperature program).

Bei der Montage senkrecht montieren und beachten daß das Heißgas (dickeres Kupferrohr) oben eintritt und das verflüssigte KM unten (dünnes Kupferrohr) abgepumpt wird, so wird vermieden daß sich Kompressoröl (das als Nebel immer beim KM mitgeführt wird) im PWT absetzen kann. Empfohlen wird der Einbau eines Trockners und eines Schauglases (je ca. 20 EUR) in die dünne Leitung (Pfeilrichtung des Trockners Richtung Verdichter), so kann man kontrollieren daß das Kältemittel a) keine Feuchtigkeit gezogen hat (durch Verfärbung im Schauglas) und b) das Kältemittel vollständig kondensiert/verflüssigt (keine Gasblasen im Schauglas). Der Wasserkreislauf sollte dem Kältemittel entgegen fließen (Gegenstrom-Wärmetauscher), also von unten nach oben, hierdurch erfolgt der Wärmeübergang effizienter (im unteren Teil des PWT ist das KM bereits etwas abgekühlt, aber immer noch wärmer als das eintretende Wasser; im oberen Teil ist das Wasser bereits erwärmt aber immer noch kühler als das frisch eintretende, heiße KM).

(TODO: Evakuieren beschreiben)

Die beim Splitgerät mitgelieferten KM-Rohre sind meist etwa 4m lang und können ungekürzt verwendet werden, durch Kürzen kann jedoch der Wirkungsgrad etwas verbessert werden, ebenso durch starke Isolierung (z.B. durch Solar-Isolierung, EPDM, keine normale Heizungsrohrisolierung nehmen da Temperaturen von über 100°C auftreten können). Eine Mindestlänge von ca. 1m sollte jedoch nicht unterschritten werden. Empfehlenswert ist ebenfalls die Montage des Außengeräts außen, aber des PWT innen, so daß die KM-Leitungen durch die Hauswand geführt werden. So ist gewährleistet daß die Wasserleitungen und vor allem der teure PWT nicht einfrieren (und somit bersten) kann, denn die Anlage läuft ja nicht konstant. Somit dürften die 1m Leitungslänge ohnehin kaum zu untertreffen sein. Man bedenke in diesem Zusammenhang auch, je mehr die Leitungen gekürzt werden, desto wahrscheinlicher ist die KM-Füllmenge zu hoch und muß korrigiert werden.

Tuning

Eine Klimaanlage ist im Lieferzustand mit einer sorgfältig ermittelten Kältemittelmenge vorgefüllt. Durch das Funktionsprinzip bedingt müssen in einer Wärmepumpe die Komponenten sorgfältig aufeinander abgestimmt sein, denn erst die perfekte Balance aus Verdichter, Kapillarrohr (Expansionsventil), Leitungslängen und KM-Füllmenge erlauben einen störungsfreien und effizienten Betrieb.

Kapillarrohr

Es kann von Vorteil sein, das Kapillarrohr zu kürzen (nicht ohne Absaugen des KM und Löten am Kupferrohr machbar) da hierdurch das Druckgleichgewicht verändert wird, was dem WP-Betrieb zugunsten kommt da die Anlage ja eigentlich für andere Betriebsparameter konzipiert war. Ich habe in Foren gelesen daß das kürzen um bis zu 80% von einigen empfohlen wird. Es ist möglich das Kapillarrohr unter Verwendung des Kältemitteltyps und den gewünschten Temperstur/Druckverhältnissen zu berechnen, z.B. mit dem Freeware-Tool DanCap (http://www.danfoss.com/South_Africa/BusinessAreas/Refrigeration+and+Air+Conditioning/Software). Hierzu sind jedoch tiefgehende Kenntnisse nötig, kleine Änderungen bewirken bereits große Änderungen der Betriebsparameter, nicht leichtfertig dran rumspielen ohne sich ausführlich mit der Theorie auseinanderzusetzen!

Eine weitere Möglichkeit ist, das Kapillar gegen ein thermostatisches oder elektronisches Expansionsventil auszutauschen.

KM-Füllmenge

Die KM-Füllmenge sollte für optimalen Betrieb angepaßt werden. Befindet sich zuviel KM in der Anlage (weil z.B. Rohrleitungen und PWT im Volumen kleiner sind als im Lieferzustand) kann es passieren daß nicht alles KM im Verdampfer verdampft und flüssiges Kältemittel vom Verdichter angesaugt wird, was sehr schlecht ist und u.U. zum schnellen Tod des Verdichters führen kann. (Wenn man Glück hat, spricht der Überdruckschalter rechtzeitig an und man bemerkt dies rechtzeitig daß es nicht zu oft passiert). Befindet sich zuwenig KM in der Anlage, läuft diese nicht wirtschaftlich.

Abtaufunktion

Bereits unterhalb +10°C (je kälter, desto mehr) kann sich aufgrund der Luftfeuchtigkeit Eis in den Lamellen des Verdampfers bilden. Hierdurch wird der Luftdurchfluß behindert, der Wirkungsgrad verschlechtert und bei massiver Eisbildung sogar die Funktion komplett behindert werden (z.B. wenn das KM nicht mehr vollständig verdampft, kann Flüssigkeit vom Verdichter angesaugt werden) bis hin zum Ausfall des Verdichters wenn der Zustand länger ohne Eingreifen anhält.

Daher ist die Implementation eines Abtauvorgangs (natürlich möglichst automatisch) für den Alltagsbetrieb notwendig. Es gibt mehrere Möglichkeiten abzutauen:

Durch Lüfterbetrieb bei abgeschaltetem Verdichter (natürlich nur bei >0° sinnvoll)
Durch elektrische Beheizung des Verflüssigers (unwirtschaftlich und erfordert Zusatzkomponenten)
Durch die sogenannte Heißgasabtauung, was nichts anderes bedeutet als die Funktionsumkehr von Heizfunktion in Kühlfunktion, so daß der vereiste Luft-Wärmetauscher mittels Wärme aus dem Heizungswasser erwärmt wird. Hierzu wird einfach das Magnetventil von Heiz- in die Kühlstellung gebracht (einige aus den Foren empfehlen, dies nicht bei laufendem Kompressor zu tun sondern diesen erst abzuschalten und eine Minute ruhen zu lassen, und nach dem Umschalten wieder einzuschalten).

Die eigentliche Schwierigkeit ist aber das Feststellen der Notwendigkeit des Abtauens sowie das Ende des Abtauvorgangs. Hierzu gibt es mehrere Ansätze die Eisbildung im Register zu detektieren:

Lichtschranke
Widerstandsmessung zwischen 2 Elektroden
Luftstrommessung (der Luftstrom durch vereiste Lamellen wird ebenfalls behindert)
Vergleich der KM-Temperatur am Verdampferausgang mit der Außentemperatur, fällt diese bei Verdichterbetrieb in kurzer Zeit (wenige Minuten) stark ab, oder ist die Verdampferausgangstemp deutlich (>10°) kälter als die Außenluft, kann von einer Vereisung ausgegangen werden. Hierzu wird am besten ein Mikrocontroller verwendet, möglicherweise bekommt man das aber auch mit einer analogen Komparatorschaltung hin.

Umwälzpumpe

Wichtig ist eine Durchflußmenge durch den PWT von mind. 1000 l/h (1m³/h) zu gewährleisten, denn je niedriger der Temperaturhub, desto höher der Wirkungsgrad. Der Rücklauf sollte nur wenige °C wärmer als der Vorlauf sein. Einige Forumsautoren raten von einer Heizkreis-Umwälzpumpe ab und empfehlen eine Brauchwasser-Pumpe, wohl wegen der höheren Fördermenge. Andere schreiben daß sie mit einer Heizkreispumpe über 1m³/h schaffen und damit gut klarkommen. Eine Reserve nach oben ist sicher nicht verkehrt. Wichtig ist natürlich daß die Pumpe nur läuft wenn die WP auch läuft, und möglichst effizient ist, hier kann sich eine Hocheffizienzpumpe (ab 150 EUR) durchaus rentieren gegenüber einer normalen Pumpe (ca. 50 EUR).

Ein Forumsuser der mit R407C arbeitet, berichtet von guten Ergebnissen bei 500L/h und einem resultierenden Spread im Wasserkreislauf von 8K. Bei R410A ist vermutlich ein kleinerer Spread besser.

Beispiele von Erfolgreiche Eigenbauten

Betreiber	WP-Typ	Kältemittel	Leistung	KM-VL	KM-RL	WW-VL	WW-RL	WW-Q	KapLänge	Kap-DM	COP
E.	L-W	R407C	5kW	?	?	?	?	?	?	?
A.	L-W	R407C	?	?	?	X	X+8	500 L/h	?	?
B.	GW-W	R410A	?	?	?	?	?	?	?	?
W.	L-W	R407C	5kW	?	?	49°C	24-39°C	190-320L/h	?	?
N.	L-W	R407C	2,5kW	?	?	54°C	49°C	?	?	?	2,3-3,8

Eigenbau einer Wasser-Wasser-WP

Hierbei wird im Prinzip bei einer bereits vorhandenen Luft-Wasser-WP der Verdampfer im Außenteil durch einen weiteren PWT ersetzt und durch diesen Wasser (oder Sole) gepumpt. Bei Verwendung eines offenen Systems mit Grund- oder Oberflächenwasser muß darauf geachtet werden daß die Durchflußmenge und Eintrittstemperatur zu jeder Zeit ausreicht um die Austrittstemperatur noch deutlich über den Gefrierpunkt zu halten, da sonst Eisansatz im PWT droht und somit dessen Zerstörung. Bei einer Sole-WP kann die Sole durch Frostschutzmittel behandelt werden, so daß diese Gefahr stark verringert werden kann.

Das Hauptproblem bei diesem Umbau ist, daß der Kältemittelkreis im Außengerät geöffnet und umgelötet werden muß, so daß praktisch nur Kältemonteure mit entsprechender Ausrüstung hierzu in der Lage sind.

Pufferspeicher

Die hier besprochene Lösung erhebt keineswegs Anspruch darauf, eine gute Lösung zu sein. In meinem speziellen Fall ist ein Kombi-Pufferspeicher (1000L, davon 200L Brauchwasserspeicher) bereits vorhanden und wird deswegen auch genutzt, so gut wie es eben geht.

Praxisbeispiel: Einhell SKA5000 C+H

Hinweis: Die hier dargestellte liegende Montage des PWT ist NICHT zu empfehlen! Besser senkrecht, wie oben besprochen.

Position des Rohrsensors der Einhell-Steuerung um die Abtaufunktion zu erhalten muß experimentell ermittelt werden, hier einige Beispiele:

Zweiter Versuch

Nach einem Umbau ist der PWT jetzt senkrecht und isoliert (mit 40mm Jackodur). Die Leitungslänge zwischen PWT und Verdichter kann auf ca. 1,20m verkürzt werden. Als Steuerung wird immer noch das Original benutzt, was das Abtauen zwar einleitet aber leider nicht rechtzeitig beendet so daß der Verdichter in Störung geht. Ich hab eine andere Steuerung aber schon bestellt und hoffe daß damit das Problem behoben sein wird.