Komponenten für Wärmepumpen – Teil 5: 4-Wege-Umkehrventile

Sonntag, 1. Juli 2012

4-Wege-Umkehrventile werden verwendet, um den Kreislauf von Eins-zu-Eins-Wärmepumpensystemen vollständig umzukehren. Diese Ventile können verwendet werden, um die Nutzung des Systems sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen zu erleichtern oder für eine effektive und energetisch optimierte Abtaumethode zu sorgen.

4-Wege Danfoss

Aufbau

Ein 4-Wege-Umkehrventil hat vier Rohranschlüsse. Dabei sind drei dieser Anschlüsse auf der einen und einer auf der gegenüberliegenden Seite platziert. Die drei Kupferrohranschlüsse haben einen größeren Durchmesser als der einzelne auf der Gegenseite. Der mittlere der drei großen Anschlüsse ist permanent auf der Saugseite und der einzelne, kleine Anschluss immer auf der Druckseite. Da sich die beiden anderen je nach Umschaltung des Gerätes auf der Saug- oder Druckseite befinden können, sind sie wie der permanente Sauganschluss dimensioniert, um den Druckverlust so gering wie möglich zu halten. Ein 4-Wege-Ventil besitzt zusätzlich ein Pilotmagnetventil mit einer Spule, die bei Aktivierung, die Durchflussrichtung des Kältemittels ändert. Zwischen dem Ventilanschluss mit kleinem Durchmesser und dem Pilotmagnetventil und von dort zum zentralen Großanschluss gibt es Pilotverbindungen mit kleinem Durchmesser.

Für die folgende Beschreibung stellen wir uns vor, dass der kleine (Hochdruck-)Anschluss nach oben und die drei übrigen Anschlüsse nach unten zeigen. Dabei ist das kleine Pilotmagnetventil mit seiner Spule auf der Vorderseite des Geräts zu sehen. Bei einem Standard-4-Wege-Ventil gibt es nur zwei Schaltpositionen – es gibt keine Zwischenstellungen. In Schalterstellung 1 liegt keine Spannung an der Spule des Pilotventils an. In dieser Position tritt Heißgas mit hohem Druck aus der Pilotleitung des kleinen Anschlusses von rechts in die Kammer mit dem Schiebemechanismus ein. Gleichzeitig kann der Druck auf der linken Seite der Schieberkammer über den permanenten Sauganschluss durch Abströmung auf die Niederdruckseite entlastet werden. Dadurch wird der Schieber nach links geschoben und die Hauptpfade oben, die nach rechts unten und links außen zur Mitte führen, werden geöffnet. In Schalterstellung 2 strömt das Heißgas von oben nach links, während gleichzeitig das Sauggas von rechts nach unten in die Mitte strömen kann. Dies wird erreicht, indem die Spule des Pilotmagnetventils mittels Netzspannung aktiviert wird und dadurch Hochdruckgas von links in die Schieberkammer eingeleitet wird. Dadurch kann der Druck auf der rechten Seite über den mittleren Hauptanschluss unten entlastet werden, was zur Schieberbewegung nach rechts führt.

Bei der Auslegung von Ventilsystemen sind Druckabfälle grundsätzlich wichtig. Ein zu hoher Druckabfall wirkt sich in der Regel nachteilig auf die Energieeffizienz der Wärmepumpe aus, während ein zu kleiner Druckabfall beispielsweise das stabile Betriebsverhalten eines servogesteuerten Magnetventils stören kann. Bei 4-Wege-Ventilen sind beide Punkte aber weniger kritisch. Minimale Druckabfälle auf der Druck- oder Saugseite sind für 4-Wege-Umkehrventile kein Problem, da der Schiebermechanismus, der für die Umschaltung des Ventils zuständig ist, durch die Druckdifferenz zwischen Hoch- und Niederdruckseite der Kälteanlage betätigt wird. Dies ist der naheliegende Ansatz, da sich dieser Ventiltyp an der Schnittstelle zwischen Hoch- und Niederdruck befindet, was bei anderen Ventilen in einer klassischen Trockenexpansionswärmepumpe in der Regel nicht der Fall ist. Damit ist es für die Funktionssicherheit des Ventils nicht ausschlaggebend, welcher Druckabfall sich tatsächlich z. B. auf der Saugseite zwischen Kältemittelein- und -austritt ergibt. Das Thema „übermäßige Druckabfälle“ ist bei den 4-Wege-Ventilen von Danfoss-Saginomiya auch kein Problem, sofern die Auslegung primär auf die Abmessungen der Saugleitung abgestimmt ist. Wenn das 4-Wege-Ventil entsprechend der Größe dieser Rohrleitung gewählt wird, erhalten Sie in der Regel ein Ventil mit sehr moderaten Druckverlusten. Aber es ist trotzdem ratsam anhand geeigneter Leistungstabellen zu überprüfen, ob das gewählte Ventil groß genug ist. Vorrangiges Kriterium sollte aber der Durchmesser des Rohres auf der Saugseite bleiben, da sonst der Wärmepumpenhersteller an drei Anschlüssen Reduzierstücke installieren muss, was nicht nur extrem kostenintensiv, sondern auch kein schöner Anblick ist.

Ein solches Ventil wird sowohl in die Heißgas-, als auch in die Saugleitung einer Wärmepumpe integriert. Dabei sind die beiden Festanschlüsse – also die Rohrleitung, die immer das Heißgas unabhängig von der Ventileinstellung führt, und diejenige, die immer die Saugleitung ist – für die Installation besonders gut zu unterscheiden. Die vom Verdichter kommende Heißgasleitung wird zum kleinen Anschluss des 4-Wege-Ventils geführt, während die zum Verdichter führende Saugleitung am mittleren der großen Anschlüsse befestigt ist. Diese beiden Rohrleitungen zwischen Ventil und Verdichter ändern nie ihre Funktion. In diesem Zusammenhang sollte unbedingt beachtet werden, dass der externe Druckausgleich eines Expansionsventils immer an die permanente Saugleitung, d. h. an die Leitung, die vom mittleren großen Anschluss des 4-Wege-Ventils abgeht, angeschlossen werden muss. Andernfalls wird der externe Druckausgleich mit einem viel zu hohen Druck beaufschlagt, der nicht nur das Funktionieren des Expansionsventils verhindert (Ventil wird gewaltsam zugedrückt), sondern es auch dauerhaft beschädigt. Es bleiben die beiden äußeren Anschlüsse mit großem Durchmesser übrig. Diese können nun zeitweilig auf der Hoch- oder der Niederdruckseite sein.

Wenn das Ventil mit den üblichen Lötverfahren (Kupfer-Kupfer-Verbindung, Hartlot wie SilFos 15) installiert wird, ist Folgendes zu beachten: Echte Kupferstutzen, wie sie in der Regel bei dieser Art von Ventilen vorzufinden sind, sind sehr gut mit Kupferleitungen verlötbar. Allerdings muss wegen der ausgezeichneten Wärmeleitfähigkeit von Kupfer und der präzisen Passform des Schiebermechanismus besonders darauf geachtet werden, die während des Lötprozesses auf das Ventil ausgeübte Wärme so gering wie möglich zu halten. Deshalb sollte beim Löten immer unbedingt ein kalter, nasser Lappen um das Ventil gewickelt werden. Wenn diese Hürde einmal gemeistert wurde, ist das 4-Wege-Ventil eine Komponente, die während der gesamten Lebensdauer Ihrer Wärmepumpe zuverlässig funktionieren wird.

Anwendung

4-Wege-Ventile werden eingesetzt, um den Kreislauf von „Eins-zu-Eins“-Wärmepumpensystemen umzukehren. Mit dieser Umkehrung wird der Verdampfer zum Verflüssiger und der Verflüssiger zum Verdampfer. Diese Möglichkeit wird auch gerne für Luft-Luft-Wärmepumpen verwendet, die im Sommer zum Kühlen und in Übergangszeiten zum Heizen eingesetzt werden. Während im Sommer im Kühlmodus das 4-Wege-Ventil kaum benötigt wird, kann es im Winter notwendig sein, den Zyklus umzukehren, um das System abzutauen. 4-Wege-Ventile bieten eine äußerst effiziente Möglichkeit, sowohl Luft-Luft- als auch Luft-Wasser-Wärmepumpen abzutauen. Durch die Kreislaufumkehr eines Eins-zu-Eins-Systems kann der Verdampfer, der zum Verflüssiger geworden ist, von innen abgetaut werden. Das bedeutet, dass keine Wärme auf das Verdampferpaket durch eine elektrische Heizung aufgebracht werden muss, sondern dass das Heißgas direkt durch die vereisten Rohre geleitet wird. Dadurch wird das System sehr gut abgetaut und ist in Bezug auf Geschwindigkeit, Energieverbrauch und gezieltem Wärmeeintrag kaum zu übertreffen.

Fazit

4-Wege-Ventile sind Komponenten, die eine äußerst effiziente Methode zum Abtauen von Luft-Luft- und Luft-Wasser-Wärmepumpen bieten. Durch eine vollständige Kreislaufumkehrung ist es möglich, das System auch zur Kühlung zu nutzen. Die Bauweise ist unkompliziert und orientiert sich an den Abmessungen der Saugleitung, ohne dass Mindestdruckabfälle berücksichtigt werden müssen.