Split-Klima Kältekreislauf im Heizbetrieb

Split-Klima Kältekreislauf im Heizbetrieb

Der Kältekreislauf

Split-Klimaanlagen, die heizen können, haben ein sogenanntes 4-Wege-Ventil. Darüber kann der Kältekreislauf umgedreht werden. Der Wärmetauscher am Außengerät wird zum Verdampfer, der Wärmetauscher am Innengerät wird zu Verflüssiger.

Der Einfachheit halber habe ich in der obigen Skizze das 4-Wege-Ventil weggelassen und nur den Kreislauf im Heizbetriebs gezeichnet. 

Die meisten Split-Klimageräte arbeiten nach dem gleichen Prinzip, wie hier beschrieben. Wir gehen hier auch von einem eingeschwungenen Kälteprozess aus, der sich natürlich nach Start der Anlage erstmal aufbauen muss.

Beginnen wir beim Kompressor, der im Außengerät sitzt. Der Kompressor ist der Antrieb des Kältekreislaufes. Auch wenn es hier ums Heizen geht, spricht man weiterhin vom Kältekreislauf. Der Kompressor wird hier auch als Verdichter bezeichnet.

Der Verdichter saugt gasförmiges Kältemittel aus dem davorliegenden Kältemittelsammler an und komprimiert es. Dadurch steigt der Druck und auch die Temperatur des Gases, denn die Arbeit im Verdichter wird in Wärme gewandelt.

Das warme Gas, was typisch im Bereich von 30-50 Grad liegt, muss ein wenig wärmer als der Dampfdruck des Kältemittels sein. Sonst würde es unmittelbar wieder kondensieren und flüssig werden. Dies soll hier aber noch nicht passieren. Wir brauchen gasförmiges Kältemittel. Man sagt, dass das Kältemittel überhitzt ist, also einen gewissen Abstand zum Taupunkt hat und damit auch noch gasförmig bleibt, wenn es in den Rohren nach dem Verdichter leicht abkühlt. 

Das warme Gas geht nun durch die Saugleitung zum Innengerät. Die Saugleitung ist das dickere Rohr mit typisch 3/8 Zoll. Die Funktion der Saugleitung hat sie eigentlich nur im Kältebetrieb, aber die meisten Begrifflichkeiten stammen aus der "normalen" Funktion als Kälteanlage. Es hat sich aber auch der Begriff Heißgasleitung dafür etabliert, der im Heizbetrieb stimmig ist. 

Im Innengerät läuft das gasförmige Kältemittel durch den Wärmetauscher. Im Wärmetauscher schlängelt sich das Rohr mäanderförmig und hat rundherum jede Menge Kühlbleche. Durch diesen Wärmetauscher wird die Raumluft mittels Querstromventilator gesaugt. Die Raumluft ist deutlich kühler, als das gasförmige Kältemittel.

Das Kältemittel kühlt sich dadurch über die Rohrstrecke des Wärmetauschers deutlich ab. Zuerst wird dem Kältemittel so viel Wärme entzogen, dass es nicht mehr überhitzt ist. Es nähert sich also immer mehr dem Punkt, wo es den Dampfdruck erreicht. Der Dampfdruck gibt an, bei welcher Druck-Temperaturkombination der Phasenübergang gasförmig-flüssig stattfindet. Hier bleibt der Druck konstant auf einem recht hohen Niveau, aber wir kühlen das Kältemittelgas herunter. Damit erreichen wir diesen Punkt, wo das Gas sich verflüssigt. Einfach nur dadurch, dass wir das warme Gas kühlen. Oder anders ausgedrückt, in dem wir ordentlich Wärme in den Raum ableiten.

Der Phasenübergang ist nun das große Geheimnis, warum wir so viel Wärme in den Raum bekommen über relativ wenig Kältemittel. Kältemittelgas enthält viel mehr gespeicherte Energie, als flüssiges Kältemittel. Es ist sozusagen jede Menge Energie im Gas gespeichert, welche abgegeben wird, wenn man es in den flüssigen Zustand überführt, wo die gespeicherte Energie deutlich geringer ist. Im Phasenübergang verringert sich die Temperatur des Kältemittels nicht, obwohl man jede Menge Energie abnimmt.

Diesen Effekt kann man vergleichen, wenn man Eis schmilzt. Hier führt man jede Menge Wärmeenergie zu, aber das Eis bleibt lange auf etwa 0 Grad, bis es vollständig geschmolzen ist. Aufgrund des Energieerhaltungsgesetzes ist diese Energie nicht verloren, sie ist vielmehr im flüssigen Wasser gespeichert und muss wieder abgeführt werden, soll es wieder zu Eis werden.

Hier soll kurz der Begriff der Enthalpie erwähnt werden, über den sich die Wärmemenge bzw. der Energiezustand eines Stoffes beschreiben lässt, hier speziell bei einem Kältemittel. Bei R32 steckt bei 30 Grad in Gasform etwa doppelt so viel Energie, wie im flüssigen Zustand (Gas=516 kJ/kg, flüssig=255 kJ/Kg).

Der Wärmetauscher am Innengerät wird damit zu einem Verflüssiger. Der Ventilator saugt sich jede Menge Wärme aus dem Kältemittel, ohne das es kälter wird, weil es im Phasenübergang ist. Das ist auch der Grund, warum die Flüssigleitung im Heizbetrieb nicht deutlich kälter ist, als die Saugleitung.

Was die Druckverhältnisse angeht, so haben wir nach dem Kompressor bis zum Expansionsventil die Hochdruckseite. R32 hat bei 30 Grad einen Dampfdruck von 19,3 bar und bei 50 Grad von 31,4 bar. In diesem Bereich liegt also der Druck etwa auf dieser Seite. Der Maximaldruck liegt bei R32 Anlagen typisch bei 42 bar. 

Aus dem Wärmetauscher (Verflüssiger) geht es dann flüssig zurück über die dünnere 1/4 Zoll Flüssigleitung. Die Flüssigleitung geht dann wieder zum  Außengerät.

Im Verflüssiger muss sichergestellt werden, dass das Kältemittel im weiteren Verlauf stabil flüssig bleibt, es wird deshalb ein Stück weiter heruntergekühlt, um sich von dem Punkt des Phasenübergangs zu entfernen. Man nennt dies Unterkühlung. In etwa so, als würde man Eis auf -5 Grad bringen, damit es nicht sofort wieder auftaut. 

Wichtig ist hier zu sehen, dass in dem Teil des Kältekreislaufes von den Verschraubungen des Außengerätes über Heißgasleitung, Innengerät, Flüssigleitung keinerlei steuernde Komponenten enthalten sind. Es ist im Grunde nur ein einfacher Rohrkreislauf. Die ganzen Komponenten, die den Kältekreislauf steuern und beeinflussen, sitzen im Außengerät. Lediglich ein paar Temperatur-Sensoren im Innengerät werden für die Regelung des Kältekreislaufes benötigt. 

Das flüssige Kältemittel, was nun über die Flüssigleitung ins Außengerät geht, wird typisch zuerst über ein Kapillarrohr geleitet. Ein Kapillarrohr ist ein Rohr mit einem sehr kleinen Innendurchmesser von z.B. 1-2 mm. In diesem Rohr reduziert sich der Druck des Kältemittels durch Reibung. Mit einer Länge von 200-300mm wird es in der Regel aufgewickelt.

Jetzt geht das Kältemittel zu einem zentralen Bauteil, dem elektronischen Expansionsventil (EEV). Das Expansionsventil regelt, wie viel Kältemittel in den Wärmetauscher am Außengerät eingespritzt wird. Dieser Wärmetauscher fungiert im Heizbetrieb als Verdampfer. Am Expansionsventil sinkt der Druck weiter wodurch das Kältemittel an den Punkt geführt wird, wo es zu verdampfen beginnt, sich also von flüssig nach gasförmig wandelt. Diesen Teil des Kältekreislaufes nach dem Expansionsventil bis zum Verdichter nennt man Niederdruckseite.

Hier ist es dann genau umgedreht, wie beim Innengerät. Das Kältemittel benötigt hier im Übergang von flüssig zu gasförmig jede Menge Energie. Würde es hier keine Wärme von außen bekommen, würde das Kältemittel extrem kalt werden. In etwa so, wie man es bei Propangasflaschen sehen kann, wenn man viel Propangas entnimmt. Dann kühlt sich die Flasche so ab, dass sich Reif rundherum bildet.

Damit dies nicht passiert, wird dem Kältemittel Wärme über den Wärmetauscher zugeführt. Mit der Temperatur sind wir hier flexibel. Wenn die Luft -10 Grad hat, sinkt die Temperatur des Kältemittels auf -10 Grad plus ein kleines Delta von z.B. 2 Grad, also auf -12 Grad. Wird nun gut Luft durch den Wärmetauscher gezogen, entnimmt man der Außenluft Energie, die dem Kältemittel bei -12 Grad zugeführt wird. Das Delta entsteht deshalb, weil nur bei einem Delta auch Wärme fließen kann. Je stärker der Ventilator Außenluft zuführt, um so geringer das Delta. Ebenso hängt das Delta natürlich von der Menge Kältemittel ab, die pro Zeit verdampft werden soll. Je höher die angeforderte Leistung, um so mehr Kältemittel muss hier verdampft werden und um so höher ist das Delta.

Dieses Delta ist auch der Grund, warum der Wärmetauscher am Außengerät schon bei 2-5 Grad anfängt, Reif zu bilden. Der Wärmetauscher hat hier schon die 0 Grad erreicht, wodurch kondensierte Luftfeuchte an den Lamellen friert. Natürlich passiert das nur, wenn die Luft feucht genug ist.

Tritt das Kältemittel in den Verdampfer noch flüssig ein, verlässt es den Verdampfer durch die zugeführte Energie und den Phasenwechsel gasförmig. Es ist hier also schon überhitzt, im Sinne, dass es stabil dampfförmig ist. Das Expansionsventil regelt den Zufluss des Kältemittels so, dass am Ausgang das Verdampfers wirklich nur noch gasförmiges Kältemittel abgeht.

Von da aus geht es dann über den Kältemittelsammelbehälter hin zum Kompressor, wo wir gestartet haben. Der Kältekreislauf schließt sich.

Der Kältemittelsammelbehälter enthält einiges an flüssigem Kältemittel und fungiert als Zwischenpuffer, weil die Anlage je nach Leitungslänge und Betriebszustand mehr oder weniger Kältemittel im Kreislauf benötigt.

Es ist übrigens wichtig, dass der Verdichter immer nur gasförmiges Kältemittel ansaugt. Sonst würde die Mechanik beschädigt (Flüssigkeitsschlag).

Damit der Kälteprozess geregelt werden kann, braucht es typisch folgende Sensoren:

• Raumtemperatursensor
• Temperatursensor am Eingang des Wärmetauschers am Innengerät
• Temperatursensor am Ausgang des Wärmetauschers am Innengerät
• Temperatursensor am Eingang des Wärmetauschers am Außengerät
• Temperatursensor Außenluft
• Temperatursensor Heißgasleitung am Ausgang des Kompressors

Abtauprozess

Eine Vereisung des Wärmetauschers am Außengerät führt recht schnell dazu, dass der Wärmetauscher seine Leistungsfähigkeit verliert. Die Wärmeleistung ist beeinträchtigt, weshalb bei gleicher Anlagenleistung das Temperaturdelta steigt. Das macht die Anlage schon recht bald ineffizienter und ist der Grund, warum die Anlagen so um 2-5 Grad herum einen stärkeren Effizienzknick haben. Wenn die Vereisung nun weiter voranschreitet, kann irgendwann keine Luft mehr durch die Lamellen gezogen werden. Dann muss abgetaut werden, weil die Leistung des Wärmetauschers nochmal stark abnimmt. Es gelingt einfach nicht mehr, hinreichend Wärme aus der Außenluft dem Kälteprozess zuzuführen.

Wann das Gerät abtaut, ist eine Optimierungsaufgabe. Das Abtauen verschlingt nämlich einiges an Energie. Würde man zu früh abtauen, verliert man mehr Energie für die Abtauvorgänge. Taut man zu spät ab, arbeitet der Kälteprozess ineffizient. Tendenziell arbeiten die Anlagen noch recht lange mit stark vereisten Wärmetauschern.

Beim Abtauprozess wird die Anlage über das 4-Wege-Ventil in den Kühlbetrieb umgeschaltet. Der Ventilator vom Innengerät wird abgeschaltet. Man nutzt nur noch die Restwärme im Wärmetauscher des Innengerätes und des noch warmen Kältemittels, um nun bei umgedrehten Kältekreislauf den äußeren Wärmetauscher zu erwärmen. Nach ein paar Minuten hat der Wärmetauscher so viel Wärme produziert, dass das Eis geschmolzen ist. Dabei taut er zuerst oben ab, weil dort die höchste Wärmeleistung entsteht. Wenn also ganz unten an der Anlage das Eis geschmolzen ist, kann man sicher sein, dass der ganze Wärmetauscher enteist ist.

Die Anlage kann dies über den Temperatursensor am äußeren Wärmetauscher erkennen. So lange noch Eis vorhanden ist, ist die Temperatur nahe 0 Grad. Steigt die Temperatur dort aber auf z.B. 4 Grad, kann die Anlage sicher sein, dass komplett enteist wurde. Es wäre nämlich nicht gut, einfach ungeregelt abzutauen, weil man so mehr Energie verliert, als nötig.

Genau genommen wird bei diesem Prozess dem Innenraum etwas Wärme entzogen. Denn die Wärme muss ja irgendwo herkommen. Weil aber der Lüfter am Innengerät nicht läuft, ist die Energiemenge recht beschränkt. Das ist kritisch, man hat nicht viel Reserven, um das AG wirklich komplett zu enteisen. Auch bemerkt man den Wärmeabfluss aus dem Raum, was man ja auch nicht möchte. Insofern ist das für Hersteller eine knifflige Angelegenheit, diesen Prozess zu optimieren. Hier unterscheiden sich auch die Anlagen, nicht jede Anlage beherrscht eine gut optimierte Abtauung.

Beim Abtauen läuft der Lüfter am Außengerät natürlich nicht. Man will ja keine Energie abführen, sondern damit den Wärmetauscher enteisen.

Ist die Enteisung abgeschlossen, läuft der Lüfter des Außengerätes für ein paar Minuten auf hoher Drehzahl. Damit wird versucht, möglichst viel Restwasser zu verdampfen. Man sieht es auch an einer Dampfwolke, die aufsteigt. Dies ist wichtig, weil ja dieses Wasser nach dem Start sofort wieder auf den Lamellen einfrieren würde.

Ist der Wärmetauscher des Außengerätes auf diese Weise getrocknet, startet die Anlage wieder wie gewohnt. Der Regler startet typisch mit deutlich mehr Wärme, um die Wärmeverluste schnell wieder zu kompensieren.

Wie oft abgetaut werden muss, hängt stark von der Luftfeuchte der Außenluft ab. Typischerweise ist die um den Gefrierpunkt bei Schnee oder Regen besonders hoch. Bei tiefen Minustemperaturen ist die Luft oft wieder deutlich trockener. Abtauzyklen bewegen sich typisch in einem Bereich von 30min - 4 Stunden.

Multisplit

Wie unterscheidet sich der Kältekreislauf bei Multisplit? Er ist fast identisch. Es wird typischerweise lediglich der Bereich Kapillar+EEV mehrfach ausgelegt, für jedes Innengerät separat. In Richtung Verdampfer laufen sie wieder zusammen. Auf der Heißgasseite sind alle Inneneinheiten parallel geschaltet, bedeutet also, dass die Heißgasleitung sich einfach aufsplittet auf mehrere Anschlüsse. Bei einem Innengerät, was nicht in Betrieb ist, ist das EEV dann einfach geschlossen. Es hat damit eine Doppelfunktion, einerseits reguliert es wie bei einer Single-Split die genaue Einspritzmenge des flüssigen Kältemittels, andererseits kann es komplett schließen und fungiert damit als Abschaltelement eines Innengerätes.

Weil die Heißgasleitung nicht durch Ventile gesteuert wird, steigt zu jedem Innengerät etwas heißes Gas auf. Die dadurch eingebrachte Wärme ist aber sehr gering.

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