Kältemittel für Wärmepumpen: Das steckt dahinter

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Was ist Kältemittel eigentlich?

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Unter Kältemittel versteht man Fluide mit speziellen chemischen Eigenschaften und Beschaffenheiten, wie zum Beispiel einer hohen Wärmeleitfähigkeit. Im Alltag begegnen wir ihnen regelmäßig, wenn auch unbewusst im Rahmen der Wärmeübertragung in Heizsystemen wie Wärmepumpen, aber auch in Klimaanlagen oder dem Kühlschrank.

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Kältemittel funktionieren nach einem simplen Prinzip: In einem, sich ständig wiederholenden Kreislauf wird Wärme bei geringem Druck und geringer Temperatur aufgenommen und auf höherem Druck - und Temperaturniveau wieder abgegeben. Im Kältekreislauf der Wärmepumpe ändert sich der Aggregatszustand dabei von flüssig zu gasförmig, wobei das Kältemittel am Ende wieder als Fluid vorliegt.

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Generell lässt sich zwischen zwei Kältemittel Arten differenzieren: Natürliche und synthetische. Natürliche Kältemittel wie Propan haben geringe Auswirkungen auf die Umwelt und sind natürlichen Ursprungs, während synthetische Stoffe künstlich hergestellt werden. Sie werden auch als chemische bzw. halogenierte Kohlenwasserstoffe bezeichnet.

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Alle Kältemittel haben unterschiedliche spezifische Merkmale und Eigenschaften, weshalb sie auch für verschiedene Einsatzgebiete mal besser und mal schlechter geeignet sind. Auf Grund ihrer umweltschädlichen Eigenschaften gilt ein EU-Verbot für fluorierte Treibhausgase (F-Kältemittel) ab 2050.

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Exkurs Kältemittelkreislauf Wärmepumpe

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Kältemittel ist bei Wärmepumpen der Schlüssel zum eigentlichen Heiz- oder Kühlprozess. Es zirkuliert im Kreislauf der Wärmepumpe und wechselt dabei zwischen flüssigem und gasförmigem Zustand. Beim Verdampfen nimmt das Kältemittel Wärme aus der Umgebung auf (z.B. aus der Außenluft, dem Erdreich oder Wasser) und transportiert diese Wärme zum Verdichter. Dort wird das Gas komprimiert, wodurch die Temperatur weiter ansteigt. Anschließend gibt das Kältemittel die Wärme an das Heizsystem ab und kühlt dabei wieder ab, wodurch es erneut verflüssigt wird. Dieser Kreislauf wiederholt sich kontinuierlich.

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Grundlegende Eigenschaften von Kältemitteln

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Wie bereits erwähnt, unterscheiden sich Kältemittel je nach Einsatzgebiet in ihren Eigenschaften. Einige grundsätzliche Voraussetzungen sind allerdings bei allen Varianten gegeben:

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• Kältemittel weisen niedrige Siedepunkte auf
• Für die Verflüssigung wird geringer Druck benötigt
• Sie verfügen über ein geringes Dampfvolumen
• Sie zeichnen sich durch eine hohe Leistungszahl aus
• Kältemittel sind chemisch stabil

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Kältemittel und Kühlmittel: Was ist der Unterschied?

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Umgangssprachlich werden die Begriffe Kältemittel und Kühlmittel oft synonym verwendet. Tatsächlich beschreiben sie aber verschiedene Fluide. Ohne ein geeignetes Kältemittel lässt sich die Wärmepumpe nicht betreiben, ein einfaches Kühlmittel reicht hierfür nicht aus.

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Ein Kältemittel wird laut Definition (DIN 8960, Abschnitt 3.1) als ein Fluid beschrieben, das in einem Kältemaschinenprozess bei niedrigen Temperaturen und niedrigem Druck Wärme aufnimmt und diese bei höheren Temperaturen und höherem Druck wieder abgibt. Das bedeutet, dass ein Kältemittel in der Lage ist, Wärme zu transportieren, selbst wenn die Umgebungstemperatur höher ist als die des zu kühlenden Objekts – es handelt sich also um einen Wärmetransport entgegen dem natürlichen Temperaturgradienten. Das ist zum Beispiel beim Kühlschrank der Fall, dieser kühlt den Inhalt auf eine Temperatur herunter, die unter der Umgebungstemperatur liegt.

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Mit einem einfachen Kühlmittel wäre dies jedoch nicht möglich, da ein solches nur in der Lage ist, Wärme von einem Objekt abzuleiten, wenn die Umgebung kälter ist. Der Kühlkreislauf eines Autos arbeitet beispielsweise mit einem Kühlmittel, das durch den Motor erhitzt wird und die Wärme dann an die kühlere Umgebung abgibt.

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Kurz gesagt: Kältemittel sind für den eigentlichen Kühlprozess durch Phasenwechsel zuständig, während Kühlmittel vor allem zur Wärmeabfuhr in Systemen dienen, die selbst Wärme erzeugen.

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Kältemittel Arten - Ein Überblick

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Im Allgemeinen wird zwischen natürlichen und synthetischen Kältemitteln unterschieden. Die natürlichen setzten sich aus Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff und/oder Wasserstoff zusammen. Da sie nur geringe Auswirkungen auf die Umwelt haben, gelten sie als umwelt - und klimafreundlich. Synthetische Kältemittel werden im Gegensatz dazu künstlich synthetisiert und stehen aufgrund ihrem umweltschädlichen Treibhauspotenzial in der Kritik.

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Der GWP-Wert

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Der GWP-Wert zeigt an, wie schädlich das Kältemittel ist, wenn es in die Atmosphäre gelangt. GWP ist dabei kurz für Global Warming Potential, zu deutsch Treibhauspotenzial. Je höher die Werte, desto schädlicher das Kältemittel. Kohlenstoffdioxid hat einen wert von 1, ein Fluid mit einem GWP-Wert von 675 ( R32) ist demnach 675 mal so schädlich wie CO2.

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In den kommenden Jahren wird der zulässige GWP-Wert für Kältemittel weiter gesenkt. Ab dem 1. Januar 2027 dürfen Kältemittel in neu verkauften Monoblock-Wärmepumpen mit einer Leistung von bis zu 12 kW einen GWP-Wert von 150 nicht mehr überschreiten, es sei denn, dies ist aus Sicherheitsgründen erforderlich. Auch für bestehende Wärmepumpen gelten bald strengere Regelungen: Ab dem 1. Januar 2026 ist die Nutzung von F-Gasen mit einem GWP-Wert von 2.500 oder höher für Wartung und Instandhaltung untersagt. Ausnahmen gelten nur für recycelte F-Gase, die jedoch entsprechend gekennzeichnet sein müssen.

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Kältemittel Arten

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Natürliche Kältemittel:

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Zu den natürlichen Kältemitteln gehören Ammoniak (R717), Kohlenstoffdioxid (R744), Isobutan (R600A) und Propan (R290). Besonders letzteres erfreut sich in der letzten Zeit großer Beliebtheit.

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Synthetische Kältemitte:

• FKW: Fluorkohlenwasserstoffe (chlorfrei)
• HFKW: halogenierte Fluorkohlenwasserstoffe (chlorfrei)
• HFO: halogenierte Fluor-Olefine
• FCKW: Fluorchlorkohlenwasserstoffe (verboten)
• HFCKW: halogenierte Fluorchlorkohlenwasserstoffe (verboten)

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Aufgrund der zu hohen GWP-Werten und den demnach ausgestoßenen Treibhausgasen sind einige Kältemittel mittlerweile verboten. Andere, noch zulässige Fluide stehen derzeit aufgrund ihrer Umweltschädlichkeit in der Kritik. Die Zukunft der Kältemittel wird voraussichtlich in natürlichen Optionen liegen.

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Die F-Gas-Verordnung

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Die sogenannte F-Gas-Verordnung, ist eine Verordnung der EU, die darauf abzielt den Industriesektor, durch die Senkung der Emission durch teilfluorierte Treibhausgase (F-Gase) umwelt - und klimafreundlicher zu gestalten. Zudem soll ein Anreiz für die Nutzung natürlicher Kältemittel wie R290 geschaffen werden.

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Die F-Gas-Verordnung trat am 01.01.2015 in Kraft. Folgende Regelungssätze werden dabei im wesentlichen aufgegriffen:

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1. Schrittweise Einschränkung der verfügbaren Menge an teilfluorierten Kohlenwasserstoffen. Bis zum Jahr 2030 soll die Verkaufsmenge auf ein Fünftel der Werte aus 2015 reduziert werden.

2. Ein Verbot der Nutzung schädlicher Kältemittel, wenn andere Alternativen nutzbar sind.

3. Regeln bezüglich der Dichtheitsprüfungen, Entsorgung und Kennzeichnung.

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R290 - Ein natürliches Kältemittel

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Propan oder der technischen Bezeichnung nach R290 ist ein natürliches Kältemittel mit einem GWP-Wert von 3, was wiederum für ein sehr geringes Treibhauspotenzial steht. Propan zeichnet sich neben seiner Klimafreundlichkeit durch seine hervorragenden kältetechnischen Eigenschaften aus. Schon seit Jahren werden natürliche Kältemittel in Alltagsprodukten wie Kühlschränken, Deos und Haarsprays genutzt. Nun hat sich Propan auch für den Gebrauch in Wärmepumpen etabliert.

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R290 macht höhere Vorlauftemperaturen möglich, weshalb es auch für Heizkörper geeignet ist. Zudem zeichnet es sich durch eine nahezu unbegrenzte Verfügbarkeit aus, was es sehr zukunftssicher macht. Ein weiteres Plus, Propan ist vergleichsweise preiswert erhältlich.

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Da R290 zu den neueren Kältemitteln auf dem Markt zählt, arbeiten viele Modelle noch mit etablierten Varianten wie R410A, der Trend geht aber zweifellos in Richtung natürliche Kältemittel. Der österreichische Hersteller LAMBDA setzt schon jetzt gänzlich auf Propan bei seinen Luft-Wasser-Wärmepumpen. Die F-Gas-Verordnung, die eine beschleunigte Reduktion der fluorierten Treibhausgasen vorsieht unterstützt diese Wandlung.

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Vorteile:

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• Enorme Effizienz, auch bei höheren Vorlauftemperaturen
• Umweltfreundlichste Lösung, aufgrund seiner Unschädlichkeit und bestehenden Verfügbarkeit
• Zukunftssicher
• Günstige Anschaffung, Wartung und Entsorgung

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Kältemittel für Wärmepumpen: Kosten und Wartung

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Wärmepumpen sind im Vergleich zu anderen Heizsystemen bekannt dafür, wenig Wartung zu erfordern. Allerdings verlangt der Gesetzgeber bei Wärmepumpen, die mehr als 5 Tonnen CO2-Äquivalente an fluorierten Treibhausgasen (bzw. 10 Tonnen bei hermetisch geschlossenen Systemen) enthalten, eine jährliche Dichtheitsprüfung gemäß der F-Gas-Verordnung. Dies ist auf die schädliche Umweltwirkung synthetischer Kältemittel zurückzuführen.

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Wärmepumpen, die in Einfamilienhäusern zum Einsatz kommen, haben oft eine Heizleistung von maximal 6 bis 7 kW und bleiben daher meist unter der Grenze von 10 Tonnen CO2-Äquivalenten. Das bedeutet, dass für diese Geräte keine verpflichtenden Wartungsintervalle vorgesehen sind.

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In der Regel ist der Kältekreis einer Wärmepumpe hermetisch versiegelt, sodass über die gesamte Lebensdauer der Heizung keine Eingriffe notwendig sind. Voraussetzung dafür ist, dass ein qualifizierter Fachmann oder Werkskundendienst die Kältemittelleitung – wie etwa bei einer Split-Wärmepumpe – korrekt in Betrieb genommen hat. Bei Monoblock-Wärmepumpen ist der gesamte Kältekreislauf in einem Außengerät integriert, sodass die Installation einer Kältemittelleitung nicht erforderlich ist.

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Wärmepumpen, insbesondere die Monoblock-Variante, gelten im Vergleich zu anderen Heizmethoden als besonders wartungsarm. Dennoch empfiehlt es sich, vor Beginn der Heizperiode die wesentlichen Komponenten visuell zu überprüfen und durch einen Fachmann inspizieren zu lassen. Die Kosten für die Wartung einer Wärmepumpe belaufen sich typischerweise auf etwa 250 Euro, und auch die Ausgaben für das Kältemittel sind in der Regel überschaubar.

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Fazit

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Die Entwicklung und Nutzung von Wärmepumpen hat in Deutschland einen bemerkenswerten Aufschwung erlebt. Ein wesentlicher Faktor, der den effizienten Betrieb von Wärmepumpen ermöglicht, ist das Kältemittel, das im Zentrum des Wärmeübertragungsprozesses steht.

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Während synthetische Kältemittel aufgrund ihrer schädlichen Umweltauswirkungen zunehmend in der Kritik stehen und durch die EU-F-Gas-Verordnung strengen Regelungen unterliegen, gewinnen natürliche Kältemittel wie Propan (R290) zunehmend an Bedeutung. Die Wahl des richtigen Kältemittels ist entscheidend für die Effizienz und Umweltverträglichkeit von Wärmepumpen. Die Branche bewegt sich eindeutig in Richtung umweltfreundlicherer Lösungen, und die zunehmende Verwendung von natürlichen Kältemitteln reflektiert diesen Trend.

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