Wärmepumpen sind technische Anlagen zur Bereitstellung von Heizwärme. Gemäß dem Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz werden Wärmepumpen für die Transformation des Wärmesektors sowohl für Gebäude als auch für die Industrie eine entscheidende Rolle spielen. Bis 2030 sollen sechs Millionen Anlagen in Deutschland verbaut werden, heißt es in der „Branchenstudie 2023: Marktentwicklung – Prognose – Handlungsempfehlungen“ des Bundesverbands Wärmepumpe (BWP) e. V. Im Jahr 2022 lag der Anteil in neu errichteten Wohngebäuden bei rund 57 %, wobei Fachleute für die kommenden Jahre einen weiteren Anstieg der Einbauten prognostizieren. Dies geht aus der Pressemitteilung Nr. N034 des Statistischen Bundesamtes hervor. Ein wichtiger Bestandteil der Wärmepumpe ist das Kältemittel, von dem Gefährdungssituationen ausgehen können.
Wie arbeitet eine Wärmepumpe?
Eine Wärmepumpe ist eine Wärmekraftmaschine, die unter der Verwendung von elektrischer Energie einem Umgebungsmedium Wärme entzieht und diese Wärme einer Anwendung auf einem höheren Temperaturniveau bereitstellt. Eine Klassifizierung kann nach Wärmequelle (Luft, Wasser, Erdwärme) oder Bauart erfolgen. Die Wärmepumpe nutzt in einem geschlossenen Kreislauf ein zirkulierendes Kältemittel, welches aufgrund seiner physikalischen und chemischen Eigenschaften für den Wärmetransport geeignet ist. Je nach Ausführung lassen sich zwei Typen von Wärmepumpen unterscheiden. Bei Monoblock-Wärmepumpen befindet sich das Kältemittel üblicherweise betriebsfertig befüllt in der Außeneinheit. Bei Splitgeräten zirkuliert es zwischen der Außen- und der Inneneinheit.
In einem ersten Prozessschritt wird das flüssige Kältemittel verdampft und der Umgebung wird Wärme entzogen. Das dabei entstandene Gas wird in einem elektrisch angetriebenen Verdichter komprimiert und erwärmt sich durch den erhöhten Druck. Im nächsten Schritt kondensiert das Kältemittel im Verflüssiger und gibt dabei die Wärme zum Beispiel an den Heizkreislauf eines Gebäudes ab. Das flüssige Kältemittel wird wieder dem ersten Prozessschritt zugeführt und der Vorgang wiederholt sich.
Eine maßgebliche Kenngröße einer Wärmepumpe ist die Leistungszahl, auch „Coefficient of Performance“ (COP) genannt, die das Verhältnis der von der Wärmepumpe erzeugten Wärme zur aufgebrachten Antriebsenergie (Strom) beschreibt. Übliche COP liegen zwischen 3 und 4,5. Bei sehr kalten Außentemperaturen ist das Kältemittel weniger in der Lage, der Außenluft Wärme zu entziehen. In diesem Fall wird zusätzliche Wärme durch einen elektrischen Heizstab erzeugt, was den COP deutlich unter 3 senkt.
Wozu werden Kältemittel verwendet?
Jeder Prozess für den Transport von Wärmeenergie benötigt einen geeigneten Betriebsstoff. Laut Definition der DIN 8960 „Kältemittel, Anforderungen und Kurzzeichen“ ist ein Kältemittel ein „Arbeitsmedium, das in einem Kältemaschinenprozess bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck Wärme aufnimmt und bei höherer Temperatur und höherem Druck Wärme abgibt“. Üblicherweise finden dabei Zustandsänderungen des Fluids statt. Je nach Anwendungsfall wird der Prozess sowohl zum Kühlen als auch zum Heizen verwendet. Kältemittel müssen in der Regel nach der Befüllung zur Inbetriebnahme nicht mehr gewechselt werden und unterliegen keinem Verschleiß.
Die Kältemittel werden nach einer einheitlichen Nomenklatur der DIN 8960 „Kältemittel – Anforderungen und Kurzzeichen“ bezeichnet. Sie beginnen mit einem vorangestellten R (für Refrigerant) und einer Ziffernfolge von bis zu vier Ziffern, mit der die chemische Zusammensetzung erkennbar ist (z. B. R-744). Üblicherweise sind die Bezeichnungen auf den Typenschildern der Wärmepumpen abgebildet. Zusätzlich sind die Kältemittel nach DIN EN 378-1 „Kälteanlagen und Wärmepumpen – Sicherheitstechnische und umweltrelevante Anforderungen – Teil 1: Grundlegende Anforderungen, Begriffe, Klassifikationen und Auswahlkriterien“ in verschiedene Sicherheitsklassifizierungen unterteilt:
Zusätzlich wird die Brennbarkeit der Kältemittel klassifiziert:
Welche Aufgaben erfüllen die verschiedenen Kältemittel-Arten?
Kältemittel haben die Aufgabe, die auf einem niedrigen Temperaturniveau aufgenommene Wärme zu einer Stelle mit höherem Temperaturniveau zu transportieren. Für eine effiziente Funktion in der Wärmepumpe müssen Kältemittel wichtige Anforderungen erfüllen, wobei die chemische Zusammensetzung des Kältemittels dessen Eigenschaften beeinflusst und sich letztlich auf die Funktion in der Wärmepumpe auswirkt, wie hier ausführlich beschrieben: Kältemittel in Wärmepumpen: Funktion und Vergleich, https://gruenes.haus/kaeltemittel-waermepumpe/#tve-jump-1867edf6ff2.
Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Kältemittel mit unterschiedlichen Eigenschaften, die sich in zwei Kategorien unterteilen lassen: natürliche und synthetische Kältemittel. Während natürliche Kältemittel in der Natur vorkommen und keine oder nur geringe Auswirkungen auf die Umwelt haben, sind synthetische Kältemittel künstlich hergestellt und für ihre verschiedenen Anwendungen optimiert.
Synthetische Kältemittel
Zu den künstlich hergestellten Kältemitteln zählen die Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) sowie die Fluorkohlenwasserstoffe (FKW). Durch den Ersatz eines Wasserstoffatoms durch ein Element aus der siebten Hauptgruppe des Periodensystems (z. B. Fluor, Chlor, Brom …) können sie auch zu halogenierten Kohlenwasserstoffen (HFKW) optimiert werden. Viele HFKW sind durch ihre chemische Trägheit nicht brennbar und gelten als effiziente Wärmeträger. Seit 2010 sind Kältemittel auf Basis von Hydrofluorolefinen (HFO) erhältlich, die zu den HFKW eine klimafreundlichere Alternative darstellen. Sie lassen sich in der Atmosphäre schneller abbauen und besitzen ein geringes Treibhauspotenzial. Synthetische Kältemittel sind durch ihre große Vielfalt an chemischen Eigenschaften für viele Anwendungsfälle interessant und werden seit vielen Jahren in unterschiedlichen Kälteanlagen eingesetzt. Die meisten synthetischen Kältemittel besitzen allerdings einen entscheidenden Nachteil: Gelangen sie in die Atmosphäre, zerstören sie die Ozonschicht und tragen so zum Treibhauseffekt bei. Die Intensität der Schädigung wird an den Maßzahlen ODP für das Ozonabbaupotenzial und GWP für das Treibhauspotenzial bestimmt. Je höher der Wert liegt, desto schädlicher ist der Stoff für die Umwelt (beim GWP im Vergleich zu CO2, beim ODP im Vergleich zum Kältemittel R-11). Aufgrund der klimaschädlichen Wirkung sieht der Gesetzgeber auf europäischer Ebene ein schrittweises Verbot der fluorierten Gase vor.
Natürliche Kältemittel
Die Ausgangsstoffe der natürlichen Kältemittel kommen in der Natur vor und leisten durch einen niedrigen GWP keinen oder nur einen geringen Beitrag zur globalen Erderwärmung. Natürliche Kältemittel sind kostengünstig herzustellen und in der Natur in großen Mengen verfügbar. Sie sind in absehbarer Zukunft auch nicht von Verboten des Einsatzes betroffen. Ihre volumetrischen Kälteleistungen sind geringer als die der synthetischen Kältemittel, weshalb sie jahrelang keine große Bedeutung hatten. Durch weitreichende Verbote von klimaschädlichen Kältemitteln gewinnen die natürlichen Kältemittel zunehmend an Bedeutung und werden in neu entwickelten Anlagen vermehrt eingesetzt. Nachteilig ist, dass natürliche Kältemittel (außer CO2) brennbar und nicht zu jeder Wärmepumpe kompatibel sind. Typische natürliche Kältemittel sind R-290 (Propan), R-744 (CO2) oder R-717 (Ammoniak).
Welche Gefahren gehen von Kältemitteln aus?
Kältemittel werden durch Forschungsinstitute ständig auf ihre Sicherheit und Umweltverträglichkeit untersucht und weiterentwickelt. Die Wärmepumpen werden dadurch im Regelfall ohne große Sicherheitsrisiken betrieben. Bei sachgerechter Anwendung sind für die Betreiber keine Gesundheits- bzw. Umweltgefahren während des Betriebes einer Wärmepumpe oder Kälteanlage zu erwarten, wie in folgender Publikation beschrieben: Sachgemäßer Umgang mit synthetischen Kältemitteln, Kälte Klima Aktuell, https://www.kka-online.info/artikel/kka_Sachgemaesser_Umgang_mit_synthe…. Bei vorschriftsmäßiger Installation der Anlagen durch Fachpersonal ist ein Entweichen des Gases unwahrscheinlich.
Allerdings erhöhen Servicearbeiten wie das Befüllen oder Entsorgen, aber auch Notfälle an den Anlagen das Gefahrenpotenzial durch den Austritt von Kältemittel. Daher sind von den Beschäftigten erhöhte Sicherheitsvorkehrungen zu treffen. Die üblicherweise eingesetzten Kältemittelgase in Wärmepumpen (z. B. R-290, R-410a, R-32 …) sind in ihrer natürlichen Form farb- und geruchlos und daher schwer zu erkennen, vgl. Sicherheitsdatenblatt R290 (Propan) von Westfalen-Gase. Nur sehr selten sind die Gase odoriert oder eingefärbt.
Aufgrund der niedrigen Siedepunkte der Kältemittel kühlen sich diese beim Verdampfen stark ab. Dies kann insbesondere bei Leckagen der Anlagenteile zu Sprühnebel oder spritzenden Flüssigkeitstropfen führen und bei Berührung lokale Erfrierungen der Haut bewirken. Die dabei entstehenden Dämpfe sind schwerer als Luft und können in geschlossenen Räumen bodennah hohe Konzentrationen bilden. Die Gase stehen in der Anlage unter üblichen Drücken zwischen 10 bar und 45 bar.
Mechanische Beschädigungen an den Leitungen oder unachtsames Öffnen des Systems führen zu starkem Ausströmen des Kältemittels und bedeuten eine erhöhte Unfallgefahr. Viele synthetische und natürliche Kältemittel weisen eine geringe Toxizität auf, dennoch kann der Kontakt mit den Augen, der Haut oder das Einatmen zu einem Gesundheitsrisiko führen. Hohe Konzentrationen können Ersticken bewirken oder auch narkotische Effekte wie Schwindel, Übelkeit und Kopfschmerzen hervorrufen. Temperaturen oberhalb der Zersetzungstemperatur lassen giftige und ätzende Dämpfe entstehen, wie z. B. Fluorwasserstoff und Flusssäure. Einige HFKW und viele natürliche Kältemittel sind leicht brennbar und erhöhen das Brandrisiko. Insbesondere das Kältemittel R-290 (Propan) ist hochentzündlich und hat ein hohes Sicherheitsrisiko bei Austritt des Gases, siehe Sicherheitsdatenblatt R290 (Propan) von Westfalen-Gase. Bei Ansammlungen von R-290 in der Luft von 1,7 bis 10,8 Vol.-% entsteht ein zündfähiges Gemisch, das eine erhöhte Explosionsgefahr bedeutet.
Bild: BGMH
Welche Schutzmaßnahmen sind zu ergreifen?
Die Arbeiten an Wärmepumpen sind von sachkundigem Fachpersonal nach den Regelungen der DIN EN 378 Teil 4 „Kälteanlagen und Wärmepumpen – Sicherheitstechnische und umweltrelevante Anforderungen – Teil 4: Betrieb, Instandhaltung, Instandsetzung und Rückgewinnung“ durchzuführen. Es müssen eine Gefährdungsbeurteilung und eine Betriebsanweisung für Gefahrstoffe erstellt werden. Personen und Unternehmen, die an FKW-Anlagen arbeiten, müssen, abhängig von der Füllmenge und dem CO2-Äquivalent des Kältemittels, über eine Zertifizierung nach der Chemikalien-Klimaschutzverordnung verfügen, siehe „Verordnung zum Schutz des Klimas vor Veränderungen durch den Eintrag bestimmter fluorierter Treibhausgase (Chemikalien-Klimaschutzverordnung – ChemKlimaschutzV)“, § 54.
Vor Beginn der Tätigkeiten müssen die Mitarbeitenden durch eine fachkundige Person unterwiesen werden, und die Herstelleranweisungen sowie das Sicherheitsdatenblatt des eingesetzten Kältemittels sind sorgfältig zu befolgen. Die Geräte müssen vor Beginn spannungsfrei geschaltet werden. Zusätzlich sind nach der Außerbetriebsetzung die Drücke in der Anlage anzugleichen. Bei Arbeiten an Wärmepumpen, bei denen ein Kontakt mit dem Kältemittel nicht ausgeschlossen werden kann, ist je nach Tätigkeit das Tragen einer geeigneten Schutzausrüstung vorgeschrieben. Dazu zählen beispielsweise chemikalienbeständige Schutzhandschuhe, Gesichts- und gegebenenfalls Atemschutz. Beim Umfüllen der flüssigen Kältemittel sind zusätzlich thermoisolierende Handschuhe zu tragen, vgl. „Sachgemäßer Umgang mit synthetischen Kältemitteln“, Kälte Klima Aktuell, https://www.kka-online.info/artikel/kka_Sachgemaesser_Umgang_mit_synthe….
Zur Vorbeugung gegen Erfrierungen wird zu langärmeliger Kleidung geraten. In unmittelbarer Nähe der Wärmepumpe muss eine ausreichende bodennahe Belüftung sichergestellt werden, um das Einatmen größerer Gasmengen zu vermeiden und das Brandrisiko zu minimieren. Beim Austritt von Kältemittel durch Leckagen oder Unfälle ist in höheren Konzentrationen ein umluftunabhängiges Atemschutzgerät zu tragen. Die Überprüfung der Gaskonzentration im Arbeitsbereich kann durch ein Gaswarngerät erfolgen, das die Kältemittelkonzentration in der Luft elektronisch überwacht und bei Überschreitung eines Grenzwertes Alarm auslöst. Dem Entweichen von Gas aus der Anlage kann durch eine regelmäßige Wartung des Kältemittelkreislaufs mit Dichtheitskontrolle vorgebeugt werden. Offenes Feuer und Rauchen sind bei Servicearbeiten im Umfeld der Anlage verboten. Nur bei ausdrücklicher Freigabe des Herstellers dürfen verschiedene Kältegase gemischt werden. Brennbare Kältemittel sind Gefahrstoffe, die in Druckgasflaschen transportiert und gelagert werden und als solche mit dem Piktogramm GHS02 (entzündbar) zu kennzeichnen sind. Bei deren Einlagerung ist auf eine ausreichende Belüftung der Lagerumgebung zu achten, die kühl, trocken sowie frei von Zünd- und Wärmequellen sein muss. Die Abgabe von Kältemitteln erfolgt nur an zertifizierte Betriebe, um eine Weitergabe und Verbreitung an unbefugte Personen zu verhindern.
Wie wird eine Wärmepumpe entsorgt?
Bei der Außerbetriebnahme, Wartung oder Reparatur einer Anlage fallen das gebrauchte Gas, Kältemitteltanks oder leere Behälter zur Entsorgung an. Der Betreiber ist für den verantwortungsbewussten Umgang sowie für die fachgerechte Entsorgung der Betriebsmittel verantwortlich. Die Kältemittel selbst dürfen nicht der privaten Abfallentsorgung zugeführt werden. Sie unterliegen vielen nationalen, aber auch den EU-Verordnungen 1005/2009 und 517/2014 (F-Gase-Verordnung) zur Entsorgung von FCKW, HFCKW, FKW und HFKW, vgl. Verordnung (EG) Nr. 1005/2009 des Europäischen Parlaments und des Rates vom 16. September 2009 über Stoffe, die zum Abbau der Ozonschicht führen, Artikel 2, sowie Verordnung (EU) Nr. 517/2014 des Europäischen Parlaments und des Rates vom 16. April 2014 über fluorierte Treibhausgase und zur Aufhebung der Verordnung (EG) Nr. 842/2006.
Nach den Vorschriften der Betriebssicherheitsverordnung und den Technischen Regeln für Gefahrstoffe (TRGS) ist die Durchführung der Entsorgungsarbeiten nur befähigten und sachkundigen Personen erlaubt. Die gebrauchten Gase müssen mithilfe von Absauggeräten aus dem Kreislauf entfernt werden, siehe Verordnung (EU) Nr. 517/2014 des Europäischen Parlaments und des Rates vom 16. April 2014 über fluorierte Treibhausgase und zur Aufhebung der Verordnung (EG) Nr. 842/2006. Anschließend müssen sie verflüssigt, gewogen und in speziell gekennzeichneten Behältern gesammelt werden. Die Kältemittelfreiheit im System muss sichergestellt sein. Durch die Ausdehnung des Stoffes bei höheren Temperaturen dürfen die maximalen Füllmengen der Sammelbehälter keinesfalls überschritten werden. Die Gase werden vom Hersteller oder Vertreiber wieder zurückgenommen. Sie werden entweder recycelt oder thermisch aufgespaltet und für andere chemische Anwendungen zur Verfügung gestellt.
BGHM, aus Datenblätter der vertreibenden Anbieter/GESTIS Stoffdatenbank des IFA
Bild: VectorMine - stock.adobe.com
Kennwerte von Kältemitteln:
(Maß, wie gut der Stoff die Wärme überträgt)
(Phasenübergang flüssig zu gasförmig)
(Maß, wie giftig der Stoff ist)
(Maß, wie stark der Stoff zum Treibhauseffekt beiträgt)
(Maß, wie stark ein Stoff die Ozonschicht schädigen kann)
(wie leicht sich der Stoff entzünden lässt)
Eigenschaften von Kältemitteln:
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