In der Kälte- und Klimatechnik gehört die Abtauung von Wärmeübertragern seit jeher zum Alltag. In der Heiztechnik dagegen sind Abtauprozesse und ihre Auswirkungen erst durch den breiten Einsatz von Luft/Wasser-Wärmepumpensystemen in das Bewusstsein der Anwender gerückt.
Wie entsteht eine Eisschicht auf Wärmeübertragern von Wärmepumpen?
Um diese Frage beantworten zu können, ist es notwendig, sich die Vorgänge in Außengeräten von Luft/Wasser-Wärmepumpen anzusehen. Um Energie aus der Außenluft gewinnen zu können, wird diese über einen Ventilator angesaugt und durch einen Wärmeübertrager geführt. Im Wärmeübertrager selber fließt ein Kältemittel (als Energieträger), das stets kälter sein muss als die Außenluft selbst, die über den Wärmeübertrager geführt wird. Nur so kann entsprechend den physikalischen Gesetzen zur Wärmeübertragung Energie auf das Kältemittel übergehen, die im folgenden Wärmepumpenprozess auf ein nutzbares Niveau für die Beheizung angehoben wird. Innerhalb des Wärmeübertragers ist das Kältemittel dampfförmig. Weil der Wärmeübertrager damit auch eine geringere Temperatur als die Umgebung hat, schlägt sich automatisch Luftfeuchtigkeit auf ihm nieder – der Taupunkt wird unterschritten. Sobald der Wärmeübertrager Temperaturen von 0 °C oder weniger aufweist, gefriert diese Feuchtigkeit und führt nach und nach zu einer Eisbildung an den Wärmeübertragerlamellen. Besonders intensiv ist dieser Prozess im Temperaturkorridor der Außenluft von +5 °C bis 3 °C. Bereits bei einer Außentemperatur von +5 °C sollte das Kältemittel z. B. eine Verdampfungstemperatur von 5 °C haben. Weil bei rund 5 °C Außentemperatur die Luft eine besonders hohe absolute Feuchte hat, schlägt sich diese entsprechend am Wärmeübertrager nieder. Sinkt die Außentemperatur dagegen z. B. auf –15 °C, ist der absolute Feuchtegehalt der Luft äußerst gering und die Notwendigkeit zur Abtauung sinkt.
Die gleiche Systematik spielt sich natürlich nicht nur in Wärmepumpen, sondern auch in Klima- und Kälteanlagen ab. Hier sind die gleichen physikalischen Grundbedingungen anzutreffen.
Warum muss die Eisschicht auf Wärmeübertragern von Wärmepumpen abgetaut werden?
Im entsprechenden Temperaturkorridor entsteht auf den Wärmeübertragern von Luft/Wasser-Wärmepumpen eine Eisschicht, die kontinuierlich weiter wächst. Ist der Wärmeübertrager vollständig mit Eis überzogen, kann kein Wärmeübergang mehr stattfinden. Das heißt, die Luft, die abgekühlt werden soll, erreicht den Wärmeübertrager nicht mehr, weil sich das Eis als Isolationsschicht dazwischen befindet. Die Leistung der Wärmepumpe sinkt rapide ab und sie kann in Extremsituationen auch beschädigt werden.
Welche gängigen Verfahren der Abtauung sind bekannt?
Umluftabtauung
Ausschließlich in der reinen Kältetechnik kommt das Verfahren der Umluftabtauung zum Einsatz. In einem Normal-Kühlraum wird für die notwendige Abtauung die Kältemaschine vorübergehend abgeschaltet und einfach die im Raum vorhandene Luft für einen gewissen Zeitraum über den Wärmeübertrager geführt, ohne dass dieser von Kältemittel durchflossen wird. Weil die Luft etwas wärmer als die Oberfläche des Wärmeübertragers ist, taut diese das Eis langsam ab. Der klare Vorteil: Es wird kaum Energie für die Abtauung verwendet. Der Nachteil ist der oft lange Zeitaufwand. Darüber hinaus fehlt dem Kühlraum die von den Maschinen ansonsten zur Verfügung gestellte Kälteenergie. Die Kosten und der Regelungsaufwand dieser Abtauvariante sind gering.
Elektrischer Heizstab
Ebenfalls fast ausschließlich in der Kältetechnik wird das Verfahren der Abtauung über einen elektrischen Heizstab verwendet. Hierbei wird ein elektrischer Heizstab im Wärmeübertrager verbaut und bei Bedarf aktiviert. Die Abtauung ist äußerst schnell und zuverlässig – aber letztendlich durch den hohen energetischen Einsatz kaum noch eine tragfähige Alternative.
Heißgasabtauung
Sowohl bei Wärmepumpen als auch Klimaanlagen wird die Heißgasabtauung verwendet. Dabei wird das Heißgas nach dem Kompressionsvorgang nicht zum Verflüssiger geführt, sondern über den Verdampfer, sprich den Wärmeübertrager geleitet. Dafür muss hinter den Kompressor ein Bypass zum Verdampfer gesetzt werden. Der konstruktive Aufwand dafür ist jedoch vergleichsweise hoch. Die Abtauung ist sehr sicher und schnell, da das Heißgas in der Regel Temperaturen von rund 80 bis 90 °C aufweist. Auch die energetische Bilanz stellt sich besser dar als bei einem elektrischen Heizstab, denn die hier verwendete Wärme wurde immer mit einem COP oberhalb 1 hergestellt. Mit einem COP von 1 wird bestenfalls ein elektrischer Heizstab bewertet, weil aus einem kW elektrischer Energie 1 kW Wärme entsteht.
Prozessumkehr
Relativ häufig wird in der Klimatechnik die Methode der Prozessumkehr eingesetzt. Hierfür wird einfach der Kältekreislauf umgedreht“ und statt des Kondensators im Außengerät werden die Innengeräte zum Verdampfer. Dadurch wird nicht mehr der Außenluft, sondern der Raumluft im Gebäude Wärme entzogen. Mit dieser Energie wird dann der Wärmeübertrager im Außengerät abgetaut. In ihrer energetischen Bilanz ist die Prozessumkehr vergleichsweise gut aufgestellt. Auch die technische Voraussetzung – ein 4-Wege-Ventil – ist bereits in den Geräten in der Regel vorhanden. Mehrinvestitionen sind dadurch nicht erforderlich. Problematisch ist der Wärmeentzug in den Räumen. Früher wurde hierfür sogar abgekühlte Luft in die Räume eingebracht. Das ist unter Komfort-Gesichtspunkten heute kaum noch denkbar. Deswegen werden bei der Abtauung mit der Prozessumkehr die Ventilatoren in den Innengeräten ausgeschaltet und die notwendige Energie aus dem Kältemittel gezogen. Die Abtauung dauert dadurch zwar länger, ist aber auch deutlich komfortabler.
Heizungswasser (bei Luft/Wasser-Wärmepumpen)
Die direkte Abtauung mit Heizungswasser ohne den Einsatz eines Pufferspeichers wird teilweise bei Wärmepumpen eingesetzt. Hierbei wird das Wasser des Heizkreislaufs über den Plattenwärmeübertrager geleitet. Diese Lösung erfordert jedoch aus verschiedenen Gründen eine fundierte Fachkenntnis, denn denkbar wäre es beispielsweise, dass Heizungswasser entweder aus den falschen Bereichen entzogen wird oder gar nicht zur Verfügung steht. Deswegen müssen hierbei hydraulische Lösungen wie Überströmventile oder eine hydraulische Weiche an den entsprechenden Stellen in das Heizsystem integriert werden. Hier sollten dringend die Planungshinweise des jeweiligen Herstellers beachtet werden, weil es im Extremfall zum Bruch des Wärmeübertragers durch gefrierendes Wasser kommen könnte. Wird diese Form der Abtauung sachgemäß umgesetzt, ist sie relativ schnell, lässt sich aber nicht ohne Komfortverlust durchführen.
Pufferspeicher (bei Luft/Wasser-Anwendungen)
Das gängigste Verfahren der Abtauung bei Wärmepumpen ist heute der Einsatz von Energie aus einem Pufferspeicher. Dafür wird dem Pufferspeicher zur Abtauung des Wärmeübertragers im Außengerät Energie entzogen. Bedingt durch die Trägheit eines Wassersystems zur Beheizung und der vergleichsweise großen Speichermasse – egal ob beim Einsatz von Radiatoren oder Fußbodenheizungen – ist der Wärmekomfort sehr hoch. Die Abtauung an sich lässt sich zügig und sicher durchführen. Abhängig ist dies jedoch auch vom eingesetzten Kompressor. Bei einem konventionellen Klimagerät bzw. einer Wärmepumpe werden ca. zehn Minuten für die Abtauung kalkuliert. Anschließend startet der Kompressor wieder in den Normalbetrieb und es sind weitere fünf bis sieben Minuten erforderlich, um die Betriebstemperatur zu erreichen. Im Vergleich dazu schließen beispielsweise Zubadan-Kompressoren ihre Abtauung nach rund drei Minuten ab und benötigen dann ca. fünf bis sieben Minuten, um wieder die gewünschte Leistung zu erbringen.
Wie wird eigentlich bestimmt, wann der optimale Zeitpunkt für die Abtauung ist?
Diese Frage wird wiederum mit verschiedenen Verfahren gelöst. In Tiefkühlhäusern werden beispielsweise Piezo- oder fotooptische Elemente eingesetzt, die einen Hinweis darauf geben, inwieweit die Reif- oder Eisschicht den Wärmeübertrager bedeckt. Es handelt sich hierbei um einfachste Verfahren, die durch das Schließen oder Unterbrechen eines Kontaktes die Abtauung auslösen. Eine alternative Möglichkeit ist die feste Einstellung von Abtauzyklen nach Erfahrungen des jeweiligen Anlagenbauers. Um hier auf der sicheren Seite zu sein, wurde durchweg großzügig kalkuliert und dadurch die Wirtschaftlichkeit der Gesamtanlage gesenkt.
In der Klimatechnik wird in den meisten Fällen ebenfalls periodisch abgetaut. Die Regelung registriert jedoch die allgemeine Laufzeit und Frequenz des Kompressors in Abhängigkeit der Umweltdaten und leitet aus diesen Daten die Notwendigkeit der Abtauung ab.
In modernen Wärmepumpen mit der Zubadan-Technologie hingegen wird beim Beginn der Heizperiode zunächst in festen Zeitabständen abgetaut. Parallel wird beim Abtauvorgang die Oberflächentemperatur des Wärmeübertragers gemessen und beim Erreichen einer flexiblen Zieltemperatur von seiner Eisfreiheit ausgegangen. Je nach der Länge dieses Zeitintervalls wird dann die darauf folgende Abtauung entweder später oder früher stattfinden. So ergibt sich im Tagesablauf unter allen Betriebszuständen eine bedarfsgerechte und sichere Bedarfsabtauung mit hoher Wirtschaftlichkeit.
Welche Möglichkeiten der Abtauung könnten künftig für noch höheren Komfort und eine weiter verbesserte Effizienz sorgen?
Professionelle Klimatisierungssysteme für gewerbliche Lösungen auf Basis der VRF-Technologie werden immer häufiger als monovalente Anlagen eingesetzt. Diese übernehmen dann sowohl die Kälte- als auch Wärme- und Warmwasserversorgung eines Gebäudes. Die Gründe dafür sind vielfältig und überzeugend – sowohl auf Seiten der Investitions- als auch der Betriebskosten, können aber nicht Gegenstand dieses Beitrages sein. In Bürohäusern, Ladengeschäften oder öffentlichen Gebäuden bilden oft deutlich weitergehende Anforderungen die Planungsgrundlage für Systeme der Klima- und Heiztechnik als in privaten Anwendungen. So sind in den Filialen zahlreicher Laden-Ketten, die ausschließlich noch auf die VRF-Technik setzen beispielsweise Türluftschleier im Einsatz. In der Abtauphase der VRF-Anlage könnten diese Türluftschleier ihre Funktion nicht mehr wahrnehmen und kalte Luft würde ungehindert in das Ladengeschäft strömen.
Hierfür halten Hersteller ebenfalls verschiedene Möglichkeiten bereit, wie sich die notwendige Abtauphase überbrücken lässt, ohne dass es zu einem Komfortverlust kommt. Konventionelle Lösungen arbeiten auf der Basis eines Latent-Wärmespeichers, der konstant mit Heißgas versorgt und so aufgeladen wird. Der Vorteil: Es wird Energie gespeichert, die im Bedarfsfall abgerufen werden kann. Doch die Nachteile überwiegen: Die gespeicherte Energie senkt die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems, beispielsweise über Bereitschafts-Energieverluste. Darüber hinaus ist der investive Aufwand höher als bei einem einfachen VRF-System.
Innovative Verfahren setzen hier auf die konstruktive Teilung des Wärmeübertragers in zwei separate Module, die im zeitlich getrennten Rhythmus abgetaut werden. Während hierbei eine Hälfte des Wärmeübertragers abgetaut wird, kann die andere Hälfte weiterhin Wärme produzieren. Der Nachteil: Die gesamte Abtauzeit verlängert sich natürlich. Der Vorteil liegt jedoch klar auf der Hand: Auch bei einer nur“ 50-prozentigen Leistung der Anlagentechnik kann noch genügend Wärme produziert werden, ohne dass ein Komfortverlust in Kauf genommen werden muss.
Fazit
An Wärmeübertragern der Außeneinheiten von Klimageräten oder Wärmepumpen bilden sich bedingt durch physikalische Prozesse in einem bestimmten Temperaturkorridor Reif- bzw. Eisschichten. Ist der Wärmeübertrager vollständig mit Eis überzogen, kann kein Wärmeübergang mehr stattfinden und die Wirtschaftlichkeit sinkt rapide. In Extremsituationen könnte der Wärmeübertrager sogar irreversibel beschädigt werden. In periodischen Abtauphasen wird der Wärmeübertrager deswegen automatisch von der Eisschicht befreit. Hierzu sind verschiedenste Verfahren im Markt bekannt, die auf die jeweils individuellen Anforderungen hin optimiert worden sind. Fachhandwerker und Anlagenbauer müssen diese Abtauprozesse in die Planung und Ausführung einer Wärmepumpenanlage oder klimatechnischer Geräte einbeziehen.
