Kältemittel in Wärmepumpen: Funktion & Vergleich

Stefano Fonseca
Zuletzt aktualisiert: 09/12/2023
Kategorie: Wärmepumpe

Wärmepumpen eignen sich hervorragend zum Heizen und Kühlen von Einfamilienhäusern. Dabei wären sie ohne die einzigartigen Eigenschaften des Kältemittels nur halb so effizient. In diesem Ratgeber lernen Sie die Funktion von Kältemitteln in Wärmepumpen und verschiedene Arten von Kältemitteln hinsichtlich ihrer Effizienz und Eignung für bestimmte Anwendungen. 

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Was ist ein Kältemittel?

Ein Kältemittel ist eine Flüssigkeit, die zur Wärmeübertragung in Wärmepumpen verwendet wird. Es nimmt Wärme aus externen Energiequellen (Luft, Erdreich oder Grundwasser) mit niedrigem Druck und niedriger Temperatur auf und gibt diese bei höherem Druck und höherer Temperatur an ein Heizungssystem ab. Ein Kältemittel geht in der Regel vom flüssigen in den gasförmigen Zustand über, sodass er für kontinuierliche Wärmeprozesse mit minimalem Flüssigkeitsverbrauch vollständig regeneriert werden können.

Der Kältemittelkreislauf kurz erklärt

Ein Kältemittel zirkuliert innerhalb einer Wärmepumpe in einem geschlossenen Kreislauf. Es wechselt ständig zwischen flüssigem und gasförmigem Zustand. Dafür durchläuft es vier verschiedene thermodynamische Prozesse und nimmt in jedem unterschiedlichen Aggregatzustand auf:

  • die Verdampfung,
  • die Verdichtung,
  • die Verflüssigung und zuletzt
  • die Entspannung.

Verdampfung

Der Verdampfer ist ein wesentlicher Bestandteil der Wärmepumpenfunktion. Er ist für die Aufnahme der Umgebungswärme (aus der Luft, dem Erdreich oder des Grundwassers) auf einen internen Wärmetauscher verantwortlich. Indem das Kältemittel Wärme aufnimmt, geht es von einem flüssigen in einen gasförmigen Zustand über - ein Prozess, der als Verdampfung bezeichnet wird.

Verdichtung

Der Verdichter ist eine Schlüsselkomponente in Wärmepumpen. Er besteht aus einem strombetriebenen Kompressor, der das gasförmige Kältemittel verdichtet und dadurch sowohl seinen Druck als auch seine Temperatur erhöht. Diese Druckbeaufschlagung und Erwärmung des Kältemittels ermöglichen eine maximale Effizienz des gesamten Systems. Ohne dieses entscheidende Bauteil wäre das System nicht in der Lage, eine angemessene Wärmeerzeugung zu gewährleisten.

Verflüssigung

Der Verflüssiger besteht aus einem Wärmetauscher. In diesem Teil des Systems gibt das stark komprimierte und erhitzte Kältemittel seine Wärme an das Heizsystem ab, wodurch es abgekühlt und verflüssigt wird. Trotz der Abkühlung steht das Kältemittel jedoch weiterhin unter Druck.

Entspannung

Das Expansionsventil unterbricht den Kühlmitteldurchfluss im Wärmepumpenkreislauf, wodurch der Druck schnell abfällt. Während der Druck abfällt, kühlt sich das Kältemittel wieder auf seine ursprüngliche Temperatur ab. Dies ermöglicht eine geregelte Steuerung des Kältemittelflusses und des Drucks im Wärmepumpensystem, was für einen optimalen Wirkungsgrad der Wärmepumpe sorgt.

Die wichtigsten Kennwerte von Kältemitteln

Bei der Auswahl eines Kältemittels sollten bestimmte Eigenschaften berücksichtigt werden. Zu den wichtigsten Kennwerten gehören die folgenden:

  • Wärmeleitfähigkeit: Sie gibt an, wie gut das Kältemittel Wärme überträgt. Kältemittel mit hoher Wärmeleitfähigkeit können Wärme besser aufnehmen und abgeben und sind daher effizienter.
  • Toxizität: Kältemittel müssen ungiftig sein, um Gesundheitsrisiken durch den Kontakt mit dem Stoff zu vermeiden.
  • Entflammbarkeit: Aus Sicherheitsgründen ist es wichtig, dass Kältemittel nicht entflammbar sind. Das heißt, dass sie sich nicht leicht entzünden oder verbrennen können, wenn sie Flammen oder Funken ausgesetzt sind.
  • Ozonabbaupotential (kurz ODP, aus dem englischen Ozon Depletion Potential): Gibt an, wie stark Kältemittel die Ozonschicht schädigen können. Stoffe mit einem hohen ODP können zu einem raschen Abbau der Ozonschicht führen, wodurch die Erde einer erhöhten UV-Strahlung ausgesetzt ist.
  • Treibhauspotential (kurz GWP, aus dem englischen Global Warming Potential): Ist ein Maß dafür, wie stark ein austretendes Kältemittel zum Treibhauseffekt beiträgt. Je höher der GWP-Wert, desto zerstörerischer ist die Auswirkung auf den Klimawandel. Deshalb sollten Kältemittel mit hohem GWP-Wert so weit wie möglich minimiert werden.
  • Siedepunkt: Am Siedepunkt geht ein Medium von Flüssigkeit ins Gas über. Bei Kühlmitteln muss diese Temperatur unterhalb der angegebenen Verdampfungstemperatur liegen.

Diese Kennwerte werden zum Vergleich verschiedener Kältemittel angewendet.

Verschiedene Kältemittel im Vergleich

Es gibt verschiedene Arten von Kältemitteln für Wärmepumpen, die grob in zwei Kategorien eingeteilt werden können: HFKW und natürliche Kältemittel.

HFKW-Kältemittel sind synthetisch hergestellte Fluorkohlenwasserstoffe, die aufgrund ihrer hohen Klimawirksamkeit und Ozonabbaupotenzial in vielen Ländern schrittweise aus dem Verkehr gezogen werden. Einige gängige HFKW-Kältemittel für Wärmepumpen sind R-410A, R-134a und R-407C. Sie haben eine hohe Kälteleistung und gute thermodynamische Eigenschaften, sind jedoch aufgrund ihrer Umweltauswirkungen umstritten.

Natürliche Kältemittel sind hingegen Stoffe, die in der Natur vorkommen und keine oder nur geringe Auswirkungen auf das Klima haben. Sie werden daher als umweltfreundliche Alternative zu HFKW-Kältemitteln angesehen. Beispiele für natürliche Kältemittel in Wärmepumpen sind Kohlenstoffdioxid (CO₂), Ammoniak (NH3) und Propan (R290). Sie haben zwar etwas geringere Kälteleistungen als HFKW-Kältemittel, bieten jedoch eine gute Energieeffizienz und sind nachhaltiger in ihrer Anwendung.

In dieser Übersicht werden die derzeit wichtigsten verwendeten Kältemittel mit ihren Sicherheitsgruppennummern und GWP-Werten vorgestellt.

KategorieKältemittelGWP-WertSicherheitsgruppe
HFKWR134a1.430A1
HFKWR410a2.090A1
HFKWR407C1.770A1
HFKWR32675A2L
Natürliches KältemittelR290 (Propan)3A3
Natürliches KältemittelR717 (Ammoniak)0BL2
Natürliches KältemittelR744 (Kohlendioxid)1A1

Legende der Sicherheitsgruppen:

  • A = geringe Giftigkeit
  • B = größere Giftigkeit
  • 1 = keine Flammenausbreitung
  • 2 = geringe Brennbarkeit
  • 3 = größere Brennbarkeit
  • L = geringe Brenngeschwindigkeit

Sind Kältemittel umweltfreundlich?

Viele Kältemittel haben den Ruf, giftig und klimaschädlich zu sein. Dies ist auf die Verwendung von fluorierten Gasen (F-Gase) als Kältemittel zurückzuführen. Daher wurde die F-Gase-Verordnung entwickelt, um die Abhängigkeit von fluorierten Kältemitteln zu verringern.

Die F-Gase-Verordnung (EU) Nr. 517/2014 wurde entwickelt, um die Emissionen fluorierter Treibhausgase zu reduzieren und die Grundlage für ein internationales Abkommen zum Ausstieg aus den teilhalogenierten Fluorkohlenwasserstoffen (HFKW) zu schaffen. Diese Verordnung wurde 2016 zusammen mit der Änderung des Montrealer Protokolls von Kigali verabschiedet. Sie zielt darauf ab, den Planeten durch die Verringerung der HFKW-Emissionen und die Förderung nachhaltigerer Alternativen zu schützen.

In der Praxis ist es eine Herausforderung, ein Gleichgewicht zwischen klimafreundlichen, ungiftigen und brennbaren Kältemitteln zu finden. Natürliche Kältemittel sind aufgrund ihres geringen Treibhauspotenzials zu bevorzugen, allerdings sind sie oft giftig (wie Ammoniak) oder brennbar. Synthetische Kältemittel haben zwar einen höheren GWP-Wert, sind aber im Allgemeinen nicht brennbar oder giftig. Die Abwägung all dieser verschiedenen Faktoren kann bei der Auswahl eines geeigneten Kältemittels für eine bestimmte Anwendung schwierig sein.

Wartung und Sicherheit bei der Verwendung von Kältemitteln

Die Wartung von Kältemitteln erfolgt in einem Wartungsintervall von zwei Jahren. Auch wenn Kältemittel zu den weltweit am besten untersuchten Stoffen gehören, ist es empfehlenswert, bestimmte Vorsichtsmaßnahmen beim Umgang zu treffen.

Kältemittel, die unter Druck verflüssigt werden, sind schwerer als Luft. Somit können sie sich in Bodennähe ablagern, wenn keine angemessene Belüftung vorhanden ist. HFKW haben in der Regel eine sehr geringe Toxizität im Vergleich zu natürlichen Kältemitteln. Trotzdem können sie in hohen Konzentrationen gefährlich sein.

Die Kältemittel der Sicherheitsgruppe A1 und A3 sind in ihrem natürlichen Zustand nicht entflammbar bis sehr schwer entflammbar. Dennoch können diese Gemische in Kontakt mit der Luft bei höherem Druck brennbar werden. Dies sollte unter allen Umständen vermieden werden. Bei Erhitzung über die Zersetzungstemperatur hinaus (zum Beispiel durch Kontakt mit einer offenen Flamme) können bestimmte giftige und ätzende Dämpfe, einschließlich Fluorwasserstoff, freigesetzt werden.

Bei der Arbeit mit Kältemitteln ist es wichtig, die Produkte richtig zu lagern und zu handhaben. So lassen sich mögliche Risiken für die Gesundheit und die Umwelt minimieren.

Wenn Sie die folgenden notwendigen Maßnahmen ergreifen, können Sie die mit der Verwendung von Kältemitteln verbundenen potenziellen Gefahren verringern. Sie sollten:

  • für eine ausreichende Belüftung sorgen,
  • alle Herstelleranweisungen lesen, verstehen und befolgen,
  • beim Umgang mit diesen Stoffen Schutzkleidung tragen,
  • gebrauchte Kältemitteltanks und andere Behälter entsprechend den behördlichen Vorschriften entsorgen,
  • ausgelaufenes oder verschüttetes Kältemittel sofort sicher verschließen und
  • niemals verschiedene Arten von Kältemitteln mischen (es sei denn, ein Fachmann weist Sie an, dies zu tun).

Entsorgung von Kältemittel

Kältemittel werden bei der Wartung, Außerbetriebnahme, Nachrüstungen und Reparaturen einer Wärmepumpe entsorgt. 

Da sie mit Kältemaschinenöl verunreinigt sind, müssen sie mit speziellen Geräten abgesaugt werden. Nur so lässt sich das Kältemittel in gasförmiger Form entfernen. Das dabei entstehende Gas wird dann komprimiert und verflüssigt, bevor es in einen Container "für Abfall zur Wiederverwertung" geschoben wird.

Durch dieses Verfahren wird das flüssige Kältemittel von allen potenziellen Verunreinigungen getrennt, die während seiner Verwendung vorhanden waren. Einmal gesammelt, können gebrauchte Kältemittel nach ordnungsgemäßer Dekontamination recycelt und wiederverwendet werden.

Welches Kältemittel lohnt sich für die Wärmepumpe?

In den meisten Wärmepumpen werden synthetische Kältemittel wie R-410A, R-134a oder R-407C genutzt. Diese Kältemittel haben gute thermodynamische Eigenschaften und tragen dazu bei, dass die Wärmepumpe effizient arbeitet und Wärme aus der Umgebung aufnimmt. Wie bereits erwähnt, sind sie jedoch nicht besonders klimafreundlich. 

Eine Alternative ist das ebenfalls synthetische Kältemittel R32. Es ist dank seiner zahlreichen positiven Eigenschaften das modernste Kältemittel für den Einsatz in Wohngebäuden. Es hat ein geringes globales Erwärmungspotential und ermöglicht eine geringere Füllung im Vergleich zu seinem Vorgänger R410a. R32 überzeugt zudem auch beim Kühlen und Heizen, da es eine hervorragende Wärmeübertragungsfähigkeit aufweist.

Von den natürlichen Kältemitteln ist das R290 hervorzuheben. Es ist klimafreundlich und hat mit einem GWP von 3 ein sehr niedriges Treibhauspotenzial. Es überzeugt zudem durch hohe Verfügbarkeit und günstigen Preis. 

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